差速器齒輪失效分析

白 楊， 黃杰文， 汪茂根， 李艷明

（1. 江鈴汽車(chē)股份有限公司，南昌 330001；2. 南昌益輝塑業(yè)有限公司，南昌 330096）

0 引言

汽車(chē)差速器是后橋的重要部件，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，受力情況非常復(fù)雜。有正常嚙合造成的齒輪切向周變載荷、齒間嚙合滑移造成的摩擦力，還有突然產(chǎn)生的沖擊（如急加速）。所以后橋差速器的失效原因也非常復(fù)雜。常見(jiàn)的有齒輪周變載荷造成的疲勞、沖擊載荷造成的斷裂、表面磨損或膠合產(chǎn)生裂痕引發(fā)裂紋擴(kuò)展，或者齒輪內(nèi)部缺陷在外力情況下的破壞[1]、齒輪工作過(guò)程中潤(rùn)滑介質(zhì)所含顆粒造成的表面磨損[2]等。為了保證汽車(chē)后橋齒輪的可靠性，在開(kāi)發(fā)階段往往要對(duì)以上各種情況進(jìn)行相應(yīng)的可靠性試驗(yàn)[3-4]。

皮卡可靠性驗(yàn)證樣車(chē)在進(jìn)行整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)時(shí)，2個(gè)樣本分別進(jìn)行到第74、69個(gè)循環(huán)時(shí)出現(xiàn)差速器齒輪斷裂故障，通過(guò)考核的循環(huán)數(shù)為140。利用材料成分分析、金相組織分析及電鏡掃描，配合CAE對(duì)此故障件進(jìn)行分析，找到失效原因并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決故障，對(duì)其他類(lèi)似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也有借鑒意義。

1 故障件分析

差速器齒輪為錐形齒輪，共14個(gè)齒，已斷裂10個(gè)（圖1）。對(duì)失效齒進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有3類(lèi)失效形態(tài)。a區(qū)為凹坑，是齒面受載荷造成的材料流動(dòng)形成；b、c區(qū)形態(tài)不同，需進(jìn)行斷口分析。對(duì)未破壞齒進(jìn)行觀察，沒(méi)有觀察到齒面剝落。肖偉中等[5]研究證實(shí)，齒輪接觸疲勞的破壞一般會(huì)在齒面下0.4～0.6 mm出現(xiàn)初始裂紋。且同型車(chē)輛在長(zhǎng)里程可靠性試驗(yàn)中未發(fā)生失效，故判斷疲勞導(dǎo)致失效的概率小[6]。

圖1 差器速齒輪失效照片F(xiàn)ig.1 Fractured gear of differential mechanism

初步判斷產(chǎn)生失效的原因可能是（表1）：1）齒輪材料內(nèi)部有缺陷，在載荷下產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致失效；2）齒輪的實(shí)際受力情況超過(guò)材料許用應(yīng)力。

表1 齒輪失效原因分析[7]Table 1 Failure cause analysis of gears[7]

從斷裂差速器齒輪母材取樣，采用金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行分析。試樣的淬硬層組織等級(jí)、芯部組織等級(jí)、碳化物等級(jí)、淬硬層深度、表面硬度及芯部硬度和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。金相分析結(jié)果顯示，材料的金相組織滿足要求，組織等級(jí)均為1級(jí)。

表2 差速器齒輪試樣金相分析結(jié)果Table 2 Metallographic analysis result of the gear

采用高速自動(dòng)引然爐、硅錳磷自動(dòng)分析儀和鉻銅鈦?zhàn)詣?dòng)分析儀對(duì)該差速器齒輪基體組織的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，材料成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 差速器齒輪母材化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 3 Chemical composition analysis results of the gear (mass fraction /%)

通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)不同斷齒的不同位置進(jìn)行觀察，微觀形貌見(jiàn)圖2。表層斷口形貌為沿晶（圖2a、圖2b）。由于樣品經(jīng)滲碳處理，滲碳層一次性斷口形貌為沿晶。斷口形貌為韌窩（圖2c）。由于斷口表層沿晶，其余韌窩，是一次性斷裂特征。

圖2 斷齒微觀形貌Fig.2 Micro morphology of broken teeth

結(jié)合金相組織、成分分析和電子電子顯微鏡掃描結(jié)果，判斷是試驗(yàn)工況下差速器齒輪負(fù)載超出了自身承載能力導(dǎo)致的失效。因此需要對(duì)啟停工況下差速器齒輪受力作進(jìn)一步分析。

2 差速器齒輪承扭分析

整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)過(guò)程：車(chē)輛行至跑道起點(diǎn)處停穩(wěn)，掛1檔在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最大輸出轉(zhuǎn)速后，迅速釋放離合器。此工況下，差速器齒輪承受較大瞬間沖擊，查閱相關(guān)資料[8-9]可知，離合器“猛接合”的情況下，對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)生很大的沖擊扭矩，扭矩經(jīng)驗(yàn)公式為：

根據(jù)整車(chē)參數(shù)，計(jì)算得T=2027 N?m。為驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用數(shù)據(jù)采集儀、無(wú)線扭矩傳感器、加速度傳感器，對(duì)整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)下后驅(qū)動(dòng)橋?qū)嶋H沖擊扭矩進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得6組數(shù)據(jù)平均值為2064 N?m，理論數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)相差不大，印證了模型的可靠性。本研究中取實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)差速器齒輪進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

2.1 參數(shù)化建模

差速器齒輪參數(shù)化建模所需要的基本參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 行星齒輪和半軸齒輪主要參數(shù)Table 4 Major parameters of planetary gear and half axle gear

利用CATIA創(chuàng)建參數(shù)化模型，并使用Mechanical 劃分網(wǎng)格。由于本文主要研究齒輪齒面上應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，為了盡可能地減小誤差，采取分段劃分網(wǎng)格的方法[10-11]，對(duì)輪齒部分進(jìn)行細(xì)致劃分，選定六面體結(jié)構(gòu)，其余部分進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。劃分完成后的單元數(shù)為113 340個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為186 425個(gè)。在解算方案為Solution 1，類(lèi)型為 SOL 101 Linear Statics - Global Constraints的環(huán)境下，使用NX NASTRAN求解器進(jìn)行分析，差速器行星齒輪和半軸齒輪材料相同，其材料屬性見(jiàn)表5。

表5 齒輪的材料屬性Table 5 Material properties of the gear

在齒輪嚙合過(guò)程中，行星齒輪以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)半軸齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，半軸齒輪在阻力矩的作用下達(dá)到平衡，對(duì)行星齒輪產(chǎn)生反力矩，兩齒輪之間通過(guò)輪齒接觸傳遞。根據(jù)差速器齒輪模型接觸情況，約束半軸齒輪、行星齒輪、行星齒輪軸為摩擦接觸，簡(jiǎn)易差速器殼僅允許軸向旋轉(zhuǎn)[12]。通過(guò)固定兩端半軸，將扭矩加載到簡(jiǎn)易差速器殼體上，傳遞至行星齒輪軸帶動(dòng)差速器殼體內(nèi)齒輪嚙合，從而分析出差速器殼內(nèi)部齒輪的強(qiáng)度。最終模型見(jiàn)圖3。

圖3 分析模型Fig.3 Analysis model

2.2 有限元分析結(jié)果

圖4是整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)瞬間差速器齒輪應(yīng)力分布。從結(jié)果可知：1）半軸齒輪最大應(yīng)力為 1322 MPa（圖 4a），大于許用應(yīng)力；行星齒輪最大應(yīng)力 1070 MPa（圖 4b），接近許用應(yīng)力。2）應(yīng)力主要集中在齒根部位，應(yīng)力分布云圖和實(shí)物破壞的狀態(tài)高度吻合。結(jié)合斷面微觀形貌分析結(jié)果，該件失效的原因判斷為齒輪設(shè)計(jì)載荷不能滿足測(cè)試工況造成的失效。

圖4 失效件差速器齒輪沖擊工況下應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of the original gears under impact

3 解決措施及驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，該故障產(chǎn)生的根本原因是齒輪設(shè)計(jì)問(wèn)題?？赏ㄟ^(guò)減少齒數(shù)，增加齒厚來(lái)提高承載。也可以考慮使用更好的材料，但是會(huì)增加成本。

經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，將行星齒輪齒數(shù)由11改為7，將半軸齒輪齒數(shù)由14改為10。重新進(jìn)行建模和CAE分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)優(yōu)化后齒輪的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

圖5 優(yōu)化后差速器齒輪沖擊工況下應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of the optimized gears under impact

為了節(jié)省試驗(yàn)資源，采用臺(tái)架試驗(yàn)方式對(duì)新設(shè)計(jì)的差速器進(jìn)行模擬沖擊試驗(yàn)，并同時(shí)對(duì)原狀態(tài)差速器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)通過(guò)后再進(jìn)行整車(chē)驗(yàn)證。沖擊使用的載荷見(jiàn)圖6，此為實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中采集的路譜轉(zhuǎn)化得到的[13-14]。

圖6 臺(tái)架試驗(yàn)沖擊載荷譜Fig.6 Impact load spectrum of bench test

試驗(yàn)結(jié)果顯示，原狀態(tài)差速器在724個(gè)沖擊循環(huán)時(shí)失效，且失效形態(tài)和整車(chē)試驗(yàn)時(shí)的失效形態(tài)一致。新設(shè)計(jì)的差速器經(jīng)過(guò)1500個(gè)循環(huán)未失效，認(rèn)為可以滿足設(shè)計(jì)要求及驗(yàn)證要求。實(shí)車(chē)試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)數(shù)量對(duì)照見(jiàn)表6。重新進(jìn)行整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)順利通過(guò)。

表6 實(shí)車(chē)試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)數(shù)量Table 6 Cycle number of vehicle test and bench test

皮卡是一種作為工具車(chē)用途為主的車(chē)輛。使用過(guò)程中往往會(huì)經(jīng)受較大的沖擊載荷。工程師在做后驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要滿足常規(guī)的車(chē)輛測(cè)試使用要求，也要考慮極限工況下差速器齒輪抗沖擊能力。故設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段有必要進(jìn)行整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，瞬時(shí)沖擊扭矩會(huì)接近或超出后橋許用扭矩，在多次的啟停試驗(yàn)后，差速器齒輪將會(huì)因沖擊強(qiáng)度超出許用應(yīng)力而出現(xiàn)斷裂，或是在多次沖擊過(guò)程中達(dá)到疲勞極限而出現(xiàn)疲勞斷裂。在失效原因排查時(shí)，組織缺陷、成分缺陷、設(shè)計(jì)缺陷均應(yīng)該同時(shí)考慮。由于對(duì)沖擊和疲勞的CAE分析方法并不十分成熟，故在分析過(guò)程中需要對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，適當(dāng)修正。這樣的CAE結(jié)果才是高可靠性的。

4 結(jié)論

1）差速器錐齒輪失效原因?yàn)辇X輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。

2）通過(guò)減少齒數(shù)增加輪齒強(qiáng)度提升齒輪抗沖擊能力，新設(shè)計(jì)的齒輪通過(guò)臺(tái)架驗(yàn)證和整車(chē)驗(yàn)證。