減速箱差速器行星輪圓柱銷失效分析

柴少彪 湯會芳 孟慶祥

摘 ?要：本文主要介紹了純電動減速箱差速器行星輪圓柱銷失效的過程及解決方案，通過分析差速器的工作原理，并對行星輪圓柱銷及行星輪的連接關系進行簡化，并簡化為滑動軸承的連接關系，這種連接關系符合滑動軸承的承載能力特性，即PV值的約束，本文還對該減速箱差速器能夠承受的PV值進行試驗，并探索該差速器的最大PV值，并使用該PV值進行整車控制，從而避免以后整車工況中再次發(fā)生失效。

關鍵詞：減速箱;差速器;滑動軸承;PV值

中圖分類號：U467 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0080-04

Abstract： The aim of this article is to introduce a solution for electric drive gearbox differential planetary spin shaft failure process， throughout the differential workflow， to simplify the structure with plain bearing connection. The connection can explain the relation between planetary gear and spin shaft. The plain bearing PV value is important for endurance. This article had been finished lots of testes to attain the connection PV value. Using this PV value for vehicle control so as to protect the differential.

Key Words： Gearbox; Differential; Plain Bearing; PV Value

引言

差速器是減速箱的重要零部件，它對整車的轉彎具有重要作用，由于左右車輛的轉速不同，相對應的差速器半軸齒輪轉速也不相同，在急轉彎或車輛在高低摩擦副的路面上行駛時，半軸齒輪的轉速差較大，當車輛在高低摩擦副的路面上爬坡時，如果坡道很大，兩個車輛的附著系數(shù)也很大，此時，高摩擦副車輪轉速很小，另一低摩擦副車輪轉速很大，這導致半軸齒輪的轉速差很大，同時，車輛的需求扭矩也很大，這種情形下，車輛對差速器的考核是非?？量痰?，差速器在沒有轉速和扭矩控制的情況下極易失效。尤其是車輛在ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）標定時，由于標定軟件的不成熟，差速器也極易失效。

1 ? ?差速器工作原理

在汽車上，差速器主要是開式差速器。該差速器總成是一種行星輪系，如圖2所示，它是由差殼、半軸齒輪、行星輪、行星輪圓柱銷、行星輪定位銷等零部件組成，它也符合行星輪的杠桿原理的相關定義。

傳遞動力的路徑主要是：來自電機的動力，經(jīng)過各級齒輪的傳遞，通過與差殼固連的主減速齒輪將動力傳遞到差殼上，在直線行駛時，差殼帶動行星輪圓柱銷圓周運動，行星輪圓柱銷帶動行星輪僅做公轉圓周轉動，行星輪與半軸齒輪嚙合，從而行星輪帶動半軸齒輪轉動，從而驅動整車行駛;在轉彎或高低摩擦副的路面上行駛時，低摩擦副的半軸齒輪轉動速度較大，高摩擦副的半軸齒輪轉動速度較小，此時，行星輪不僅公轉還自轉，這種情況下，行星輪與行星輪圓柱銷之間產(chǎn)生滑動摩擦，行星輪與行星輪圓柱銷之間的連接形式為滑動軸承，如圖3所示，行星輪與行星輪圓柱銷之間簡化成如圖3所示的滑動軸承，該滑動軸承承受轉速V及力P的作用，由滑動軸承手冊可知，對于某種材料而言，PV值是恒定的，即，在一定的環(huán)境下，某種材料能夠承受的表面轉速V（m/s）和壓力P（MPa）是不變的值，也就是所在減速箱的潤滑條件及相應的溫度下，行星輪圓柱銷與行星輪之間的相對轉速和表面壓力的乘積是某個常數(shù)。

其中，P=F/A，A=L×D;

V=nπD/12;

F——行星輪圓柱銷承受的徑向力，N;

L——行星輪與行星輪圓柱銷接觸的有效長度，m;

D——行星輪圓柱銷直徑，m;

n——行星輪與行星輪圓柱銷的相對轉速，m/s;

當車輛在高度摩擦副的坡道上行駛時，行星輪與行星輪圓柱銷之間產(chǎn)生的熱量PV值，大于材料能夠承受的熱量時，該摩擦副將失效。

2 ? ?失效工況

某車輛，在進行ESP標定時，差速器行星輪銷軸磨損嚴重，行星輪定位銷在較大的摩擦力作用下，發(fā)生斷裂。

對失效的減速箱進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)行星輪銷軸磨損嚴重，行星輪銷軸定位銷已經(jīng)斷裂，同時，行星輪銷軸在離心力作用下向外脫出。

試驗車輛車輪半徑0.3528m，最大爬坡度為12%，減速箱速比為9.92，電機最大扭矩320Nm，在整車進行ESP標定時的工況如表1所示：

3 ? ?失效分析

減速箱差速器試驗，一般按照QC/T1022-2015進行測試，按照該測試工況得到如下測試工況，測試結果反饋試驗通過，差速器總成等零部件都無失效發(fā)生。

按照表1整車失效工況進行臺架測試，試驗仍然失效。

綜上可知，按照汽車行業(yè)標準進行差速器測試，測試結果是偏保守的，為了探知該差速器能夠承受的PV值，需要再次測試以摸底該差速器的承載能力，結合整車實際情況，對以下工況進行測試，測試結果顯示零部件沒有失效，故試驗通過。

結合試驗結果，使用最大PV值的測試工況，按照相同PV值進行反求各個測試工況下的轉速和扭矩，得到如下差速器承載能力PV值，并按照該曲線對左右車輪轉速和扭矩進行控制，以避免差速器再次失效。使用該曲線對車輪進行控制后，差速器沒有失效再次發(fā)生。

4 ? ?結論

通過此次試驗可以得到如下經(jīng)驗：

整車在進行惡劣工況測試或標定時，例如ESP標定等，需要對左右車輪的轉速和扭矩進行控制，以避免減速箱差速器失效;

減速箱差速器臺架試驗工況較弱，在試驗前期應該進行分析和測試，得知差速器的最大承載能力的PV值后再進行測試，以驗證該材料的承載能力;

使用差速器PV值的承載能力限制，車輛差速器沒有失效，該方法是有效的。

參考文獻：

[1]FAG. Selection of the correct plain bearing. FAG Plain bearings 2014，P29.

[2]QC/T1022-2015純電動乘用車用減速器總成技術條件，2015，P10-11.

[3]MARC OLLE BERNADES，Torque split between left and right drive shaft over a front wheel drive differential，CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY，Goteborg，Sweden2012.

[4]ROBERT C. JUVINALL. Fundamentals of Machine Component Design[M]. JOHN WILEY & SONS，INC. 2012.

[5]Harald Naunheimer. Bernd Bertsche. Joachim Ryborz. Wolfgang Novak. Automotive Transmissions[M]. JOHN WILEY & SONS，INC. 2011.Springer.