后橋差速器總成支撐剛度對NVH的影響研究

彭南江，梁　志，熊　濤，劉　鵬，陸登龍

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

微小型后橋廣泛應(yīng)用于后輪驅(qū)動的微小型汽車中，現(xiàn)呈現(xiàn)嚴(yán)重的兩級分化趨勢：

一極運(yùn)用于整體式后橋，5-9座的后驅(qū)客貨兩用車，MPV、SUV、皮卡等，如五菱、長安、北汽銀翔、大通G10等品牌，市場年需求約300萬臺左右。

另一極運(yùn)用于斷開式后橋，即全獨(dú)立懸架使用的高端乘用車后橋，其中又分純后驅(qū)和四驅(qū)，四驅(qū)系統(tǒng)使用的后橋結(jié)構(gòu)與純后驅(qū)的后橋結(jié)構(gòu)一致，如奔馳、寶馬、奧迪、凱迪拉克等高端基本為純后驅(qū)或四驅(qū)，我們統(tǒng)計(jì)了幾款常見的純后驅(qū)的乘用車型，其中寶馬74款，國產(chǎn)奔馳32款、凱迪拉克20款，皇冠13款，共138款，其他品牌未統(tǒng)計(jì)，高端純后驅(qū)技術(shù)運(yùn)用較為廣泛，整車價(jià)格均在20萬/臺以上。所配動力系統(tǒng)為 1.5 T、1.6 T、2.0 T、2.5 T、3.0 T，其中 2.0 T的最多，占比統(tǒng)計(jì)數(shù)量的75.36%.純后驅(qū)加四驅(qū)高端后橋市場年需求量約150萬臺左右。

這兩極使用的減速器總成在結(jié)構(gòu)上基本相同的，主要區(qū)別在于NVH上面，但兩極的價(jià)格相差極大，最高達(dá)到20倍，產(chǎn)品附加值極高，故而后者基本全部掌握在外資品牌后橋廠家手上，如ZF、麥格納、AAM、DYMOS、納鐵福、DANA等手上。前極的主要制造廠：五菱工業(yè)、四川建安、曙光車橋等都希望能在后極市場分一杯羹，均投入大量研發(fā)資金為振興民族品牌做出自己的貢獻(xiàn)。

1　問題描述

在某型后橋的外三包主減拆解分析過程中，拆解28臺主減速器，發(fā)現(xiàn)如下主要故障模式：

齒輪故障：失效模式：棱邊接觸、齒面拉傷/擠傷、主齒白斑。

軸承故障：差速器軸承失效，而主齒軸承無失效；差速器軸承失效模式：偏磨（幾乎100%）、剝落（17臺）、外圈起線（1臺）、接觸區(qū)異常（5臺），5件軸承無問題。

根據(jù)以上分析，重點(diǎn)對齒輪的輪邊接觸和差速器軸承異常磨損故障模式進(jìn)行分析，解決這兩個(gè)問題就基本解決了遇到的主要問題。

1.1　齒輪的棱邊接觸問題分析

棱邊接觸現(xiàn)象，如圖1所示：故障件主齒齒頂與被齒齒根有明顯的接觸痕跡。

圖1　齒輪棱邊接觸實(shí)物圖片

圖2所列的問題定位樹均可能導(dǎo)致該問題，其中制造質(zhì)量的原因較容易處理，設(shè)計(jì)方面較為復(fù)雜。

圖2　棱邊接觸問題定義樹

1.2　差速器軸承失效模式分析

正常條件下，外圈滾道在整個(gè)環(huán)形范圍內(nèi)磨痕應(yīng)該與邊緣的距離應(yīng)該差不多，但該型產(chǎn)品軸承，如下圖3所示，同一外圈，上下側(cè)已經(jīng)偏磨很嚴(yán)重。說明軸承經(jīng)常在已經(jīng)嚴(yán)重傾斜條件下工作。

圖3　軸承外圈滾道偏磨實(shí)物圖片

2　兩種故障現(xiàn)象分析

齒輪的棱邊接觸和差速器軸承異常磨損是否存在一定的關(guān)系，本案例涉及的售后問題基本上都伴隨差速器軸承滾道偏磨及損傷問題。主齒軸承從未出現(xiàn)過問題，可以判定主齒軸承的剛度滿足要求。本型減速器的差殼設(shè)計(jì)的很大，差殼本身剛度很好，較同平臺的很多對標(biāo)件設(shè)計(jì)都要強(qiáng)，差殼也不存在問題。經(jīng)過計(jì)算[1]，如表1所示，右邊軸承承受的最大軸向力約為8 400 N，垂直向下的徑向力約為26 700 N（變形方向見圖5），兩差速器軸承壽命很高，均超過240萬公里。這樣以來，問題可能出現(xiàn)在圖4所示的畫圈部分結(jié)構(gòu)上，這部分結(jié)構(gòu)的作用就是支撐整個(gè)差速器總成，這部分簡稱為“軸承蓋”。軸承蓋受力后可能變形較為嚴(yán)重，支撐整個(gè)差速器總成的軸/徑向剛度差，軸承外圈軸線和內(nèi)圈軸線存在圖5所示的夾角α問題，圓錐軸承的滾子、滾道均有圖6和表2所示的三凸設(shè)計(jì)特點(diǎn)，圓錐軸承內(nèi)外圈軸承有很小的許用夾角范圍，一旦超過這個(gè)范圍軸承就容易出現(xiàn)問題。根據(jù)差速器軸承的售后表現(xiàn)證明，受力后軸承已經(jīng)超過這個(gè)范圍。軸承偏磨、剝落、齒輪的棱邊接觸等同時(shí)出現(xiàn)，故齒輪的棱邊接觸和差速器軸承異常理論上存在相關(guān)性。

表1　本案主減速器各軸承受力及壽命表（附圖為主減各軸承示意圖）

圖4　軸承蓋軸向變形（整車中的Y向）

圖5　軸承外圈偏移，出現(xiàn)軸線夾角α

圖6　滾子、滾道的三凸設(shè)計(jì)

表2　本型軸承實(shí)物凸度等測量數(shù)據(jù)

3　故障再現(xiàn)

3.1　齒輪疲勞試驗(yàn)

在最大受力條件下，齒輪的棱邊接觸和差速器軸承異常是否會發(fā)生，為驗(yàn)證這個(gè)問題，安排了齒輪疲勞壽命臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)件的所有零件尺寸均滿足圖紙要求，裝配后的齒輪接觸區(qū)也滿足要求。但在試驗(yàn)后，故障完全再現(xiàn)。

3.2　CAE分析

將差速器軸承受到的軸向力和徑向力代入減殼數(shù)模進(jìn)行CAE分析，重點(diǎn)對圖7所示的軸承蓋進(jìn)行CAE分析時(shí)，對軸承蓋和軸承做的連接方式進(jìn)行簡化，CAE分析的值（見表3）小于實(shí)測值。

圖7　軸承蓋部分的CAE分析變形圖

表3　CAE分析得到的各個(gè)方向的變形量

3.3　實(shí)測變形值

如圖8所示，在齒輪疲勞試驗(yàn)臺上，在后橋后蓋上開孔，磁座吸附在離減殼軸承蓋較近的位置，將百分表的測量頭伸入，接觸軸承蓋上與CAE取點(diǎn)的同一位置，測量數(shù)據(jù)如下表4所示。

圖8　實(shí)際變形測量示意圖

表4　實(shí)際測量得到的變形量

如圖9所示，齒輪的嚙合點(diǎn)離測量點(diǎn)較遠(yuǎn)，齒輪嚙合點(diǎn)的變形比在軸承蓋上的實(shí)測值還要大，從準(zhǔn)雙曲面的設(shè)計(jì)要求來講，這個(gè)變形已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出齒輪允許VH調(diào)整范圍，必然導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生棱邊接觸問題。

圖9　變形的實(shí)際測量點(diǎn)與齒輪嚙合點(diǎn)示意圖

4　分析與結(jié)論

通過以上故障失效模式分析及上述故障再現(xiàn)試驗(yàn)，說明齒輪的棱邊接觸和差速器軸承異常的原因在于支撐差速器總成的軸承蓋結(jié)構(gòu)剛度不足，解決措施就是要加強(qiáng)支撐差速器總成在整車坐標(biāo)系統(tǒng)中的YZ向支撐剛度。通過改變支撐差速器總成部分結(jié)構(gòu)的尺寸和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，變形量會有較大提升，但變形量改善效果任很有限。研究證明，使用插管橋主減結(jié)構(gòu)（下圖10）能夠很好地解決主減速器差速器總成支撐剛度問題，詳見下表5的測量數(shù)據(jù)，使后橋得到最優(yōu)的NVH成為可能。見圖11.

圖10　插管橋主減

圖11　裝配式主減

表5　實(shí)際測量得到的變形量

5　結(jié)束語

差速器總成的支撐剛度不足，會導(dǎo)致軸承偏磨，齒輪棱邊接觸的問題，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的NVH問題和可靠性問題。支撐主被動齒輪的結(jié)構(gòu)剛度是一個(gè)大家必須要密切注意的問題。希望大家能夠通過本文對主減速總成的剛度有個(gè)很好的認(rèn)識，在設(shè)計(jì)時(shí)注意主減結(jié)構(gòu)的剛度問題。