某汽車差速器故障原因分析及對策

劉麗新 湯一飛 屠有余 徐占 單華強(qiáng)

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：差速器 失效模式 極限差速 試驗(yàn)驗(yàn)證 對策

1 前言

差速器是汽車傳動系統(tǒng)的一個重要零部件，它將發(fā)動機(jī)的扭矩傳遞給驅(qū)動車輪，當(dāng)汽車在轉(zhuǎn)彎行駛或者不平路面上行駛時，可以使得兩側(cè)車輪以不同的角速度滾動，從而保證兩側(cè)車輪與地面之間做純滾動運(yùn)動，減少輪胎的磨損和動力消耗，提高汽車的通過性。汽車差速器被汽車行業(yè)的專家稱為“小零件大功用”[1]。

差速器故障的原因一般比較復(fù)雜，嚴(yán)重時導(dǎo)致整車無法行駛，甚至?xí)霈F(xiàn)安全事故，其故障機(jī)理的分析和改進(jìn)對策的制定對于優(yōu)化設(shè)計、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

2 故障現(xiàn)象描述

某車輛在冰雪路面行駛了2 h后，次日車輛啟動時報變速器故障，整車無法行駛。拆解后發(fā)現(xiàn)差速器行星軸與行星齒輪配合處(行星軸外表面)磨損嚴(yán)重，見圖1，半軸齒輪墊片、行星齒輪墊片磨損嚴(yán)重，見圖2，差速器鎖銷斷裂，見圖3。

圖1 行星軸外表面

圖2 半軸齒輪與行星齒輪墊片

圖3 鎖銷斷裂

3 故障原因分析

3.1 故障機(jī)理分析

綜合分析上述故障表現(xiàn)，根據(jù)差速器結(jié)構(gòu)和工作原理可以判定行星齒輪軸與行星齒輪嚴(yán)重磨損，是引發(fā)一系列故障現(xiàn)象的源頭，即行星齒輪軸與行星齒輪配合面發(fā)生粘著磨損后，兩者之間的摩擦力變大，行星齒輪軸將轉(zhuǎn)動力矩傳遞給阻止其轉(zhuǎn)動的鎖銷，導(dǎo)致鎖銷所承受的剪切力變大，發(fā)生剪切斷裂。鎖銷斷裂后行星齒輪軸失去了軸向約束并在摩擦力矩的作用下發(fā)生自轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了行星齒輪內(nèi)孔、差速器殼、行星齒輪墊片磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，所以該差速器故障的分析重點(diǎn)在于分析行星齒輪軸與行星輪粘著磨損的原因。

當(dāng)汽車在正常狀態(tài)下行駛，汽車左右兩側(cè)車輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時，行星軸與行星齒輪雖有相對轉(zhuǎn)動，但是由于轉(zhuǎn)速差較小、接觸面摩擦力較小，會產(chǎn)生正常的磨粒磨損，在良好的潤滑條件下，潤滑油會將磨粒及時帶走，兩表面間的磨損壽命較長。隨著轉(zhuǎn)速差變大，潤滑條件變差，接觸應(yīng)力增加等外界環(huán)境進(jìn)一步惡化之后，行星軸與行星齒輪接觸面就會發(fā)生表面擦傷性的粘著磨損，當(dāng)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于摩擦副中較軟材料的剪切強(qiáng)度時，就會發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的方向是從軟的材料轉(zhuǎn)向硬的材料，也就是撕脫性的粘著磨損[2]，粘著磨損的形成以及破壞過程如圖4所示，由于行星軸的心部硬度小于齒輪的心部硬度，所以行星軸表面被撕脫成深溝，如圖1所示。

圖4 粘著磨損示意

3.2 影響因素排查

為了探究行星齒輪軸與行星齒輪撕脫性粘著磨損的原因，從以下5個方面進(jìn)行了影響因素的排查工作。

（1）使用環(huán)境。對用戶使用路況、行駛里程、行駛時間、駕駛習(xí)慣、用戶感受等方面進(jìn)行了詳細(xì)的咨詢，提取重點(diǎn)信息見表1。

表1 用戶反饋

（2）制件質(zhì)量。抽取同一批次生產(chǎn)的行星齒輪與行星齒輪軸，對其硬度、金相組織、粗糙度、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行了檢查，各項(xiàng)指標(biāo)均合格，排除了制件質(zhì)量問題。

（3）裝配問題。其裝配工藝比較成熟，每一臺差速器均通過下線檢測，故排查裝配問題。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計。除行星齒輪軸油槽形式與對標(biāo)樣品不同外，行星齒輪軸與行星齒輪的配合間隙，潤滑情況與對標(biāo)樣品相當(dāng)。

（5）控制策略。通過對標(biāo)發(fā)現(xiàn)，很多汽車廠商在控制程序中增加了差速器保護(hù)功能，即設(shè)定不同轉(zhuǎn)速差下的扭矩極限值，該汽車差速器未設(shè)置保護(hù)功能。

綜合以上分析，行星齒輪軸與行星齒輪配合面粘著磨損與用戶使用工況、結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制策略因素相關(guān)，主要是由于用戶長時間行駛于冰雪路面，左右半軸轉(zhuǎn)速差較大，隨著應(yīng)力、潤滑等外部條件進(jìn)一步惡化，行星齒輪軸與行星齒輪配合面因摩擦產(chǎn)生的熱量未能及時散出，所以發(fā)生粘著磨損。

4 極限差速能力驗(yàn)證

通過以上分析，需要對該差速器的極限差速能力進(jìn)行驗(yàn)證，即通過臺架試驗(yàn)對不同轉(zhuǎn)速差下差速器的扭矩極限進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)冰雪路面的特點(diǎn)，結(jié)合整車參數(shù)，設(shè)計極限差速臺架試驗(yàn)方法，見表2。

表2 極限差速臺架試驗(yàn)方法

按照表2的試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)，固定轉(zhuǎn)速差n，逐步提升半軸扭矩進(jìn)行驗(yàn)證，記錄每一個轉(zhuǎn)速差下的扭矩極限。試驗(yàn)過程中實(shí)時監(jiān)測半軸扭矩和轉(zhuǎn)速的變化，若發(fā)生半軸扭矩波動、總成振動、油溫等異常情況時，立即中斷試驗(yàn)，進(jìn)行停機(jī)檢查。要求每次試驗(yàn)完成后進(jìn)行詳細(xì)的拆解測量，判斷差速器是否出現(xiàn)異常。

4.2 數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并與某對標(biāo)車輛差速器不同轉(zhuǎn)速差下的差速器保護(hù)扭矩值進(jìn)行對比分析，見圖5。結(jié)果表明，該試驗(yàn)差速器在不同轉(zhuǎn)速差下的驗(yàn)證扭矩值均高于對標(biāo)車輛差速器的保護(hù)值，從而證明其限差速能力滿足整車開發(fā)使用要求。

圖5 差速能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

5 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合以上故障原因分析以及臺架試驗(yàn)結(jié)果分析，初步判定該差速器失效與ESP設(shè)置相關(guān)，為了找出失效真因，開展了整車專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.1 ESP開啟狀態(tài)

整車ESP功能開啟。試驗(yàn)時保證ECU、TCU、ESP的軟件數(shù)據(jù)版本為最新狀態(tài)，并通過CANape軟件采集整車行駛數(shù)據(jù)，主要包括發(fā)動機(jī)扭矩、左右車輪速度、油門開度、擋位信息。

5.1.1 對開路面試驗(yàn)

整車停在對開路面起點(diǎn)，如圖6所示，左側(cè)車輪在高附路面，右側(cè)車輪在低附路面（噴水），全油門加速至終點(diǎn)時停止試驗(yàn)，共進(jìn)行10個循環(huán)。試驗(yàn)后差速器無任何異常，滿足要求。

圖6 對開路面示意

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表3。試驗(yàn)過程中左右半軸轉(zhuǎn)速差最大為233 r/min，出現(xiàn)在100%油門開度工況下，此時的輸出扭矩為1 609 N·m。

表3 對開路面數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

5.1.2 蛇形路面試驗(yàn)

在綜合性能路上，整車以可穩(wěn)定操控的最高速度和最小的轉(zhuǎn)彎半徑順時針繞行270°后再逆時針繞行270°，具體行車路線參考圖7，試驗(yàn)后差速器無任何異常，滿足要求。

圖7 蛇形路面示意

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表4。試驗(yàn)過程中左右半軸轉(zhuǎn)速差最大為343 r/min，出現(xiàn)在54%油門開度工況下，此時的輸出扭矩為1 069 N·m。

表4 蛇形路面數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

5.2 ESP關(guān)閉狀態(tài)

整車ESP功能關(guān)閉。按以上工況重復(fù)進(jìn)行對開路面和蛇形路面試驗(yàn)，在對開路面進(jìn)行第2個循環(huán)時，整車出現(xiàn)異響，終止試驗(yàn)并拆解差速器，發(fā)現(xiàn)行星齒輪軸與行星齒輪無法相對轉(zhuǎn)動，且兩者配合面處變色，存在輕微燒蝕痕跡，如圖8所示。初步預(yù)測，當(dāng)車輛出現(xiàn)輕微異響，則差速器已處于非正常的工作狀態(tài)，若繼續(xù)行駛，強(qiáng)行差速，將會導(dǎo)致行星齒輪軸與行星齒輪配合處磨損嚴(yán)重、鎖止銷斷裂、行星齒輪軸竄動甚至殼體擊穿等現(xiàn)象發(fā)生。

通過分析整車采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，ESP關(guān)閉時，對開路面左右半軸的最大轉(zhuǎn)速差為1 719 r/min，見表5，遠(yuǎn)高于ESP開啟時的最大轉(zhuǎn)速差233 r/min，說明ESP在開啟狀態(tài)下可有效限制左右半軸轉(zhuǎn)速差。

圖8 整車試驗(yàn)后星齒輪軸輕微燒蝕

表5 ESP關(guān)閉狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

綜上所述，結(jié)合用戶行車過程中明顯感覺動力不足，可以判定該車輛差速器失效的原因是由于用戶誤關(guān)ESP，且長時間行駛于冰雪路面，在極端工況下左右半軸轉(zhuǎn)速差過大，導(dǎo)致行星齒輪軸與行星齒輪之間因摩擦產(chǎn)生大量熱量，且未能及時散出，致使行星齒輪軸與行星齒輪配合面發(fā)生粘著磨損，粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于行星齒輪的剪切強(qiáng)度，進(jìn)而形成撕脫性的粘著磨損。

6 改進(jìn)建議及對策

6.1 差速器潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過優(yōu)化差速器行星齒輪軸與行星齒輪之間的潤滑結(jié)構(gòu)，如圖9所示，將行星齒輪軸上的螺旋油槽更改為一字槽，增加進(jìn)油量，改善潤滑條件，保證在極端工況下行星齒輪軸與行星齒輪之間依然能夠良好潤滑，從而避免失效發(fā)生。

圖9 潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

6.2 增加差速器保護(hù)措施

車輛的ESP功能，一定程度上能夠?qū)Σ钏倨髌鸬介g接保護(hù)作用[3]，但是當(dāng)用戶誤關(guān)ESP時，為防止極端工況下左右半軸的轉(zhuǎn)速差過大，可額外增加差速器保護(hù)功能，設(shè)定不同轉(zhuǎn)速差下的扭矩限值，即當(dāng)兩側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)速差達(dá)到設(shè)計定值時，對發(fā)動機(jī)提出降扭請求，確保差速器工作在極限差速能力范圍內(nèi)。

7 結(jié)束語

（1）通過對差速器失效樣件的拆解分析，確定了其失效模式為行星齒輪軸與行星齒輪之間的撕脫性粘著磨損，并針對該失效模式的影響因素進(jìn)行了排查。

（2）設(shè)計了臺架試驗(yàn)方案，驗(yàn)證了該差速器不同轉(zhuǎn)速差下的極限差速能力高于目標(biāo)值，滿足整車開發(fā)使用要求。

（3）開展了整車專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，同時對ESP開啟和關(guān)閉狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，進(jìn)一步鎖定了差速器失效的真因，由于用戶誤關(guān)閉ESP功能并長時間行駛于冰雪路面，左右半軸轉(zhuǎn)速差過大，行星齒輪軸與行星齒輪之間因摩擦產(chǎn)生了大量熱量未及時散出，從而發(fā)生粘著磨損。

（4）針對該失效模式，提出了避免差速器失效的對策，即優(yōu)化差速器潤滑結(jié)構(gòu)和增加差速器保護(hù)措施。