某輕型驅(qū)動(dòng)橋差速器殼失效分析

黃晶晶 金光 吳乃云 梁銀銀 李凱 袁照丹

摘要：新開發(fā)的某輕型驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行總成疲勞臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)右側(cè)差速器殼斷裂，從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)角度入手，借助材料分析、有限元計(jì)算和三維掃描檢測(cè)手段分別對(duì)材料、結(jié)構(gòu)和制造偏差進(jìn)行復(fù)核，最終找到此次差速器殼失效的主要原因是鑄造肋板處厚度和圓角尺寸超差，殼體受載后產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致差殼整體斷裂，后續(xù)針對(duì)主因進(jìn)行優(yōu)化后的差速器殼順利通過總成臺(tái)架試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：差速器殼 三維建模 有限元分析 失效分析

中圖分類號(hào)：U467.3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220342

Abstract： During the assembly fatigue bench test of a newly developed light drive axle， the right differential case fractured. Starting from the design and production perspectives， the material， structure， and manufacturing deviations were reviewed using materials analysis， Finite Element Analysis（FEA）， and 3D scanning inspection. Finally， it was found that the main cause for the failure of the differential case was the thickness and fillet size at the casting rib plate that were out of tolerance， and the stress concentration occurred after the case was loaded， which eventually caused the entire differential housing break. The differential housing optimized for the main cause passed the assembly bench test successfully.

Key words： Differential case， 3D modeling， FEA， Failure analysis

作者簡介：黃晶晶（1994—），男，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)閭鲃?dòng)產(chǎn)品對(duì)標(biāo)及性能分析。

參考文獻(xiàn)引用格式：

黃晶晶， 金光， 吳乃云， 等. 某輕型驅(qū)動(dòng)橋差速器殼失效分析[J]. 汽車工藝與材料， 2023（5）： 9-13.

HUANG J J， JIN G， WU N Y， et al. Failure Analysis of A Lightweight Drive Axle Differential Case[J]. Automobile Technology & Material， 2023（5）： 9-13.

1 前言

驅(qū)動(dòng)橋作為商用車傳動(dòng)系中重要總成之一，工作時(shí)負(fù)責(zé)將變速器傳來的動(dòng)力輸出到車輪，同時(shí)承載車身重力。在開發(fā)階段需要通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品的功能、性能和耐久性，識(shí)別設(shè)計(jì)和制造過程是否存在缺陷。

某輕型驅(qū)動(dòng)橋在進(jìn)行總成疲勞臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，3件樣品按照規(guī)定的載荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，臺(tái)架先后報(bào)警停機(jī)，停機(jī)時(shí)的試驗(yàn)次數(shù)分別為7.4萬次、9.55萬次和15.67萬次，均未達(dá)到試驗(yàn)大綱要求。對(duì)樣品進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)：2#和3#樣品右側(cè)差速器殼完全斷裂，1#樣品臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)振動(dòng)分析儀檢測(cè)到異常振動(dòng)值出現(xiàn)時(shí)立即停機(jī)，拆解后發(fā)現(xiàn)右側(cè)差速器殼筋板圓角部位出現(xiàn)裂紋。3件樣品的軸承、齒輪零件狀態(tài)正常。

2 失效分析

3件樣品失效形式一致，斷裂位置處于加強(qiáng)筋根部過渡圓角處，呈環(huán)狀分布，實(shí)物失效情況見圖1。對(duì)應(yīng)于圖紙中的R3圓角處，見圖2。

部分加強(qiáng)筋板的宏觀斷口存在疲勞特征，但不是很明顯，顯然跟鑄鐵材質(zhì)相關(guān)，疲勞源位于加強(qiáng)筋板過渡圓角根部，詳情如圖3所示。試驗(yàn)過程中，差速器殼承受彎曲、扭轉(zhuǎn)交變載荷作用，裂紋首先出現(xiàn)在部分加強(qiáng)筋板的過渡圓角處，之后逐漸擴(kuò)展直至斷裂，部分加強(qiáng)筋板斷裂后剩余筋板無法承受原有的載荷，從而直接斷裂。

零件實(shí)際失效情況受多方面因素影響，下面從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)角度來分析此次失效的可能影響因素。

2.1 設(shè)計(jì)分析

差速器由差速器殼、行星齒輪、十字軸等零件組成，結(jié)構(gòu)見圖4，起到傳遞動(dòng)力、轉(zhuǎn)換動(dòng)力方向和差速的作用。差速器殼受力復(fù)雜，與其連接的從動(dòng)錐齒輪、差速器螺栓、十字軸、軸承、行星齒輪及齒輪墊片都會(huì)對(duì)它施加載荷[1]。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)正反車極限工況和疲勞工況在有限元軟件MASTA中計(jì)算出差速器從動(dòng)齒輪所受三向分力，在有限元軟件中對(duì)差速器總成進(jìn)行靜載荷安全系數(shù)和疲勞載荷安全系數(shù)計(jì)算，其中差速器右殼在不同試驗(yàn)工況下，不同加載位置的靜安全系數(shù)普遍在1.68以上，安全系數(shù)云圖見圖5。試驗(yàn)工況下疲勞安全系數(shù)普遍在1.47以上，最小安全系數(shù)的云圖見圖6。雖然安全系數(shù)云圖中薄弱位置和試驗(yàn)樣件斷裂位置一致，但安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 生產(chǎn)分析

零件生產(chǎn)制造的過程實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)定質(zhì)量的過程，生產(chǎn)質(zhì)量直接影響產(chǎn)品實(shí)物性能[2]。按照設(shè)計(jì)圖紙要求，此差速器殼采用QT450-10材料鑄造成毛坯，然后機(jī)械加工出與其他部件配合的軸孔特征。接下來從裝配、尺寸和材料3個(gè)角度來復(fù)檢。

2.2.1 裝配分析

失效樣橋拆解時(shí)螺栓連接、油封、軸承零部件未見異常磨損或變形。經(jīng)復(fù)測(cè)，軸承啟動(dòng)力矩、差速器殼連接螺栓擰緊力矩均符合裝配參數(shù)要求。差速器殼斷裂樣品的螺旋錐齒輪部分齒面有擦傷，應(yīng)該是差速器殼斷裂后主從齒輪嚙合關(guān)系破壞導(dǎo)致。

2.2.2 尺寸分析

將差速器殼從失效總成中拆解出來，使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)其上的機(jī)加工特征（十字軸配合孔、軸承配合軸徑和行星齒輪墊片配合球孔等）進(jìn)行檢測(cè)，其特征實(shí)際尺寸和形位公差值符合圖紙技術(shù)要求，機(jī)加尺寸合格。

差速器殼大部分區(qū)域?yàn)殍T造特征，表面不規(guī)則，無法使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)方便準(zhǔn)確測(cè)定相關(guān)尺寸。三維掃描儀作為非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一種，通過激光反射原理快速獲得物體表面數(shù)以千萬記的位置點(diǎn)信息，掃描精度可達(dá)到0.025 mm。為此對(duì)失效差速器殼使用三維掃描儀獲得實(shí)物表面數(shù)據(jù)，然后在測(cè)量軟件中與設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行對(duì)比，從而確定鑄造表面質(zhì)量。

下面以1#有裂紋的差速器殼為例介紹對(duì)比過程，另兩件失效樣品對(duì)比過程與之相同。首先使用三維掃描儀獲取實(shí)物表面位置信息，輸出stl格式的實(shí)物三角網(wǎng)格面片模型，然后將掃描數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)三維模型導(dǎo)入到專業(yè)測(cè)量軟件中進(jìn)行最小二乘法對(duì)齊，實(shí)物掃描數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)三維模視及兩者對(duì)齊結(jié)果如圖7所示。

兩者對(duì)齊后即可比較整體及橫截面處的偏差情況，偏差結(jié)果云圖見圖8。

根據(jù)差速器右殼整體尺寸，查詢鑄件未注尺寸極限偏差標(biāo)準(zhǔn)Q/CAYT-23可知，基本尺寸在120～180 mm的球墨鑄鐵鑄件極限偏差值為±1.4 mm，為此將偏差在±1.4 mm內(nèi)的區(qū)域設(shè)定為淺灰色，掃描數(shù)據(jù)相對(duì)設(shè)計(jì)三維尺寸偏差超出1.4 mm的區(qū)域用深灰色表示。由圖8可知實(shí)物加強(qiáng)筋板及斷裂的圓角部位相對(duì)設(shè)計(jì)三維尺寸偏差超出1.4 mm。

斷裂的R3圓角部位偏差情況較復(fù)雜：部分筋板的圓角部位整體超差；部分筋板圓角上半部位偏差合格，下半部位超差；部分筋板圓角值比設(shè)計(jì)要求小。

進(jìn)一步取斷裂部位與差速器殼回轉(zhuǎn)軸線垂直的橫截面，查看截面上的筋板厚度偏差情況。其二維偏差檢測(cè)結(jié)果如圖9。

由圖9的截面統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，截面上有77.97%的區(qū)域超差，圖示區(qū)域表示有9根筋板比設(shè)計(jì)三維薄，最大偏差2.257 4 mm，取加強(qiáng)筋板不同部位多個(gè)點(diǎn)上的偏差做平均值，大部分區(qū)域平均偏差約為-2.1 mm；比理論三維模型厚的區(qū)域主要在筋板頂部，最大偏差2.311 4 mm，對(duì)筋板強(qiáng)度影響很小。2#差速器殼和3#差速器殼加強(qiáng)筋板偏差情況和1#差速器殼基本一致，2#差速器殼和3#差速器殼加強(qiáng)筋板大部分區(qū)域的厚度分別比設(shè)計(jì)三維模型約小1.8 mm和2.5 mm。

為驗(yàn)證加強(qiáng)筋板制造偏差情況對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，將差速器右殼理論三維模型的加強(qiáng)筋板厚度按照偏差平均值減薄2 mm，部分筋板圓角部位按照鑄件未注尺寸下極限偏差減薄1.4 mm后進(jìn)行有限元計(jì)算，此時(shí)同樣工況下，最小靜安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù)分別減少至1.0和0.83，對(duì)應(yīng)的薄弱筋板位置也發(fā)生變化，安全系數(shù)云圖見圖10。

由此可知加強(qiáng)筋板的制造超差對(duì)差速器殼強(qiáng)度影響很大，是此次差速器殼失效的主要原因之一。

2.2.3 材料分析

差速器右殼圖紙要求材料為QT450-10，對(duì)失效樣品分別進(jìn)行布氏硬度和金相檢驗(yàn)。3件樣品布氏硬度實(shí)測(cè)值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

金相檢驗(yàn)上，3件樣品的金相指標(biāo)滿足圖紙技術(shù)要求，且一致性較好，檢驗(yàn)結(jié)果見表2，石墨形態(tài)和基體組織見圖11。

綜上可以得出此次臺(tái)架試驗(yàn)差速器殼斷裂的主要原因：差速器殼加強(qiáng)筋板厚度和R3圓角部位制造尺寸超差，導(dǎo)致差速器殼承受載荷時(shí)部分筋板R3圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著交變應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞裂紋源，裂紋源進(jìn)一步擴(kuò)展最終導(dǎo)致筋板斷裂，而剩余未斷裂的筋板強(qiáng)度不足以承擔(dān)原有載荷，最終導(dǎo)致此次臺(tái)架試驗(yàn)中差速器殼整體斷裂。

3 改進(jìn)和驗(yàn)證

針對(duì)上述失效分析結(jié)論改進(jìn)差速器殼圖紙，對(duì)加強(qiáng)筋板厚度及R3圓角處的尺寸在圖紙中做出嚴(yán)格要求。后續(xù)對(duì)供應(yīng)商重新試制的差速器殼使用三維掃描儀進(jìn)行質(zhì)量復(fù)檢，偏差合格后進(jìn)行整橋裝配，最終裝有重新試制的差速器殼的驅(qū)動(dòng)橋順利通過總成臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

本文以某輕型驅(qū)動(dòng)橋疲勞臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)差速器殼體的失效分析為依托，從設(shè)計(jì)和制造入手，除常規(guī)的有限元計(jì)算、材料分析和三坐標(biāo)尺寸檢驗(yàn)外，提出一種針對(duì)鑄件尺寸檢測(cè)的一種新思路，即使用三維掃描儀快速獲得實(shí)物表面位置信息，之后在專業(yè)軟件中和設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行對(duì)比。此種檢測(cè)方法可快速準(zhǔn)確的識(shí)別鑄造零件各區(qū)域的偏差情況，可應(yīng)用于鑄件試制質(zhì)量檢測(cè)及失效分析中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉惟信. 汽車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2003.

[2] 涂銘旌， 鄢文彬. 機(jī)械零件失效分析與預(yù)防[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993.