驅(qū)動橋差速器行星齒輪軸失效分析

田國才

遼寧曙光汽車集團股份有限公司 遼寧丹東 118001

汽車差速器是能夠使車輛兩側(cè)驅(qū)動輪實現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的機構(gòu)。主要作用是當汽車轉(zhuǎn)彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右車輪以不同轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，保證兩側(cè)驅(qū)動車輪作純滾動運動。

差速器根據(jù)功能形式分為開式差速器、限滑差速器和鎖式差速器。在不同的工況場景匹配不同的差速器類型，可以有效提升車輛的動力輸出提升，整車性能。差速器行星齒輪軸根據(jù)整車動力匹配又分為一字軸、Y字軸及十字軸等結(jié)構(gòu)形式。

差速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由殼體、行星齒輪、半軸齒輪、行星齒輪墊、半軸齒輪墊、行星齒輪軸和鎖銷構(gòu)成。

圖1 差速器結(jié)構(gòu)

目前微型、輕型汽車差速器多采用開式差速器，行星齒輪軸多采用一字軸結(jié)構(gòu)。行星齒輪軸是汽車動力傳遞的重要部件，汽車的動力輸出流程為主動齒輪→從動齒輪→差速器殼體→行星齒輪軸→行星齒輪→半軸齒輪→半軸→車輪，行星齒輪軸的失效與否直接影響汽車的動力輸出。同時行星齒輪軸的失效會引起一系列其他部件的失效。

失效表現(xiàn)及影響

下面以某輕客車型的行星齒輪軸的失效形式展開分析。行星齒輪軸失效表現(xiàn)分為三種：行星齒輪軸異常磨損；行星齒輪軸和行星齒輪燒結(jié)；行星齒輪軸斷軸。外部失效表現(xiàn)分為兩大類，一是后橋內(nèi)有異響但是有動力輸出，車輛可以行駛；二是車輛失去動力，無法行駛。

通過對失效的驅(qū)動橋總成拆解分析發(fā)現(xiàn)，行星齒輪軸表現(xiàn)為異常磨損，汽車行駛時車輛依然有動力輸出，但是后橋內(nèi)部有異響或同時伴有撞擊聲響。拆解整橋及主減速器總成后發(fā)現(xiàn)，行星齒輪軸同行星齒輪配合位置已經(jīng)磨損出溝槽，同時伴有撞擊聲的失效件有行星齒輪軸鎖銷斷裂情況，行星齒輪軸一端有磨損現(xiàn)象，驅(qū)動橋內(nèi)部有細碎的磨屑；行星齒輪軸斷裂的失效狀態(tài)使驅(qū)動橋無法完成動力傳遞，車輛無法行駛。

行星齒輪軸失效的同時會導致驅(qū)動橋內(nèi)部一系列其他問題。首先會使行星齒輪軸鎖銷斷裂，車輛正常行駛時鎖銷受力非常小，可以忽略不計。但當行星齒輪和軸磨損后兩者摩擦力增加，在運轉(zhuǎn)時會對鎖銷產(chǎn)生較大的剪切力，當超過鎖銷所能承受的極限時鎖銷將會斷裂，鎖銷斷裂后行星齒輪軸在其軸向上會自由竄動。

如果此時行星齒輪和軸已經(jīng)燒結(jié)在一起，那么行星齒輪軸會在不斷地相對差速器殼體進行轉(zhuǎn)動。因為差速器殼體強度低于行星齒輪軸，所以行星齒輪軸孔會在摩擦中不斷變大，大到一定程度時行星齒輪將會失去原來的嚙合位置導致打齒等問題。行星齒輪軸將會竄出并在旋轉(zhuǎn)時撞擊在其他部件上，導致行星齒輪軸斷裂、差速器殼體碎裂，碎屑會進入軸承引起軸承燒蝕抱死、主從動齒輪打齒等失效現(xiàn)象，此時主減速器將被破壞無法工作。

如果鎖銷斷裂后行星齒輪和軸沒有燒結(jié)，那么行星齒輪軸在軸向上是自由運動的，其會直接沿著軸向竄出并在旋轉(zhuǎn)時撞擊在其他部件上，同樣導致主減速器破壞無法工作，整車失去動力，將會有潛在安全風險。

行星齒輪軸失效原因綜合分析

1.潤滑不足

行星齒輪和行星齒輪軸在主減速器總成內(nèi)部的差速器殼體內(nèi)，油液無法浸泡到其配合位置，兩者之間的潤滑依靠從動齒輪攪動油液后飛濺潤滑。行星齒輪和軸之間屬于間隙配合，動力傳遞時兩者之間屬于滑動摩擦，所以及時潤滑并形成油膜尤為重要；在配合間隙過小或者潤滑不到位沒有形成油膜的情況下，工作時溫度會急劇升高導致配合表面高溫退火，最終導致兩者磨損或燒結(jié)在一起。

遼寧曙光汽車集團股份有限公司在給某輕客車型匹配后橋時出現(xiàn)此類問題，失效比率居高不下，后通過改善此處潤滑條件，如增加導油槽長度使油液更容易進入配合位置并使油液留存在內(nèi)，改善后此問題失效率降低并完成此失效問題的關閉。

2.行星齒輪和軸之間的擠壓應力過大

通過計算可以得出行星齒輪和軸之間的擠壓應力，檢查擠壓應力是否有超出或者處于極限狀態(tài)。擠壓應力過大超過極限狀態(tài)，材料表面破壞導致溫度升高退火，破壞持續(xù)加劇。通過在測功機差速試驗研究，合理的行星式輪軸選材及熱處理工藝能夠有效提升軸的性能。例如，由于失效問題，遼寧曙光汽車集團股份有限公司部分軸的材料由40Cr高頻淬火改為20CrMnTi滲碳淬火，通過相同狀態(tài)的差速試驗后，后者的磨損量低于前者，滲碳淬火表面主要是針狀馬氏體組織，含碳量較高，加上彌散分布的碳化物及少量的殘余奧氏體組織，表面含碳量越高表面強化越明顯。

通過材料及處理工藝的改進，失效比率有明顯的降低。同時，為了進一步降低軸表面的擠壓應力，可以增加行星齒輪和軸之間的配合長度。通過以上方法能有效地降低行星齒輪軸的失效比率。

3.雜質(zhì)影響

驅(qū)動橋內(nèi)部由于加工制造等因素會殘留鐵屑等雜質(zhì)，同時整橋通過運轉(zhuǎn)，各個運轉(zhuǎn)零件之間會有磨屑產(chǎn)生，懸浮在齒輪油內(nèi)。這些雜質(zhì)一旦進入到行星齒輪和軸的滑動摩擦表面，將會對其產(chǎn)生持續(xù)的磨損和破壞，長時間或高強度運轉(zhuǎn)會在配合面產(chǎn)生大量的熱導致表面退火降低性能，引起行星齒輪軸失效。遼寧曙光汽車集團股份有限公司使用德國AVL測功機進行差速試驗，分別使用新齒輪油和含磨屑的舊齒輪油，舊齒輪油的試驗分別出現(xiàn)了差速器行星齒輪軸退火和較大磨損的情況，其中一件還出現(xiàn)了主動齒輪內(nèi)軸承燒蝕抱死的情況。可見雜質(zhì)和鐵屑對行星齒輪和軸的失效有很大的影響，同時也影響整橋的運轉(zhuǎn)。

4.行星齒輪和半軸齒輪運轉(zhuǎn)卡滯

行星齒輪和半軸齒輪在裝配時會因為間隙調(diào)整及制造精度等問題導致運行不順暢，此時強行運轉(zhuǎn)會加大行星齒輪和軸之間的擠壓應力。如果此狀態(tài)下工作將破壞工作表面油膜，損傷接觸面，導致升溫迅速引起配合件退火損壞失效。

改善措施

綜上，通過對失效表現(xiàn)及原因的綜合分析，行星齒輪軸的失效以及差速器的失效是相關聯(lián)的，起因具有多樣性，從設計、制造到使用環(huán)節(jié)都有影響。

1）設計改進時減小行星齒輪和軸之間的應力，在差速器殼體允許的情況下增加行星齒輪軸徑，增加配合長度來減少應力水平。

2）行星齒輪軸在選材和處理工藝上進行改善，提升配合部位的耐磨性能。

3）改善潤滑條件，使工作表面更容易接觸齒輪油或利于齒輪油的留存。

4）行星半軸齒輪裝配調(diào)整時要運轉(zhuǎn)順暢。需要控制相關零部件的尺寸精度如差速器殼體的球面精度，行星齒輪軸孔精度等，裝配時檢驗行星半軸齒輪轉(zhuǎn)動力矩加以控制。

5）控制整橋清潔度，減少加工、運輸過程雜質(zhì)的進入，保持整橋清潔。

6）整橋注入齒輪油加載運轉(zhuǎn)后油放出，可減少驅(qū)動橋內(nèi)磨屑存在。

7）驅(qū)動橋使用過程中要按要求進行保養(yǎng)換油。

結(jié)語

汽車差速器是驅(qū)動橋內(nèi)關鍵部件，其失效會引發(fā)一些問題甚至影響安全。通過對行星齒輪軸失效分析及試驗研究能夠找到引起問題的原因，通過改進措施的實施和市場驗證，失效比率大幅度下降；通過研究改善可以有效降低驅(qū)動橋此類問題的發(fā)生，提升驅(qū)動橋可靠性滿足用戶和市場的需求。