重型貨車差速器十字軸磨損問題解決與試驗方法改進

肖鴻飛 胡明飛 段傳勝 金偉偉

摘要：針對重型貨車差速器十字軸磨損燒蝕問題進行詳細分析。結(jié)合QC/T 533標準進行輪間差速器臺架測試與市場故障進行比較，但QC/T 533標準未對軸間差速器做規(guī)定，作者結(jié)合用戶實車工況，參照行業(yè)標準編制了一種軸間差速器臺架試驗方法，按照新方法進行臺架測試復(fù)現(xiàn)了軸間差速器十字軸磨損燒蝕的故障模式，并通過采用滾針軸承或銅套的辦法按照同樣試驗方法進行測試，解決了十字軸磨損燒蝕的問題。同時提出了十字軸鍍鉻、DLC涂層、AlCrN涂層、梯度滲硫等特殊涂層工藝或零件材料表面改性工藝在解決該問題的可行性，為尋找最具綜合性價比的解決方案指出方向。

關(guān)鍵詞：十字軸；差速器；磨損；臺架試驗

差速器是驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)組成中最重要的部分，其作用是將轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動車輪并保證驅(qū)動車輪以不同轉(zhuǎn)速做純滾動運動，減少輪胎磨損。輪間差速器作用是實現(xiàn)左右車輪的傳扭及差速，軸間差速器作用是實現(xiàn)雙聯(lián)驅(qū)動橋在行駛中中橋與后橋的傳扭及差速。

差速器工作時，行星齒輪繞著十字軸旋轉(zhuǎn)，由于重型貨車傳遞的轉(zhuǎn)矩較大且工況復(fù)雜，十字軸與行星齒輪之間的接觸壓力大，磨損相對嚴重，尤其軸間差速器由于結(jié)構(gòu)上處于減速器上方，潤滑效果差，故障率相對較高。十字軸與行星齒輪之間磨損造成行星齒輪與半軸齒輪接觸異常，產(chǎn)生異響，嚴重時產(chǎn)生燒蝕、膠合在一起，甚至造成十字軸斷裂影響車輛行駛功能。

故障統(tǒng)計及失效分析

差速器失效的主要原因是載荷大、轉(zhuǎn)速高，路況惡劣及潤滑不良等，目前隨著差速器殼體及墊片的改進升級，差速器當前主要失效模式是十字軸磨損燒蝕。在統(tǒng)計某年全年驅(qū)動橋故障數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，十字軸與行星齒輪故障無論按索賠金額還是索賠次數(shù)都排在第二位置，見表1。

通過統(tǒng)計分析數(shù)百件失效的十字軸及行星齒輪，軸間差速器十字軸數(shù)量與輪間差速器十字軸（或一字軸）數(shù)量相當，即軸間差速器十字軸故障率是輪間差速器的2倍。重點針對軸間差速器進行研究，解決辦法同樣適用輪間差速器。故障模式如圖1所示。

失效原因分析

1.失效模式復(fù)現(xiàn)

按照QC/T 533標準第5.10條對某輪間差速器橋進行疲勞試驗，試驗條件見表2。

QC/T 533標準中沒有規(guī)定軸間差速器的疲勞試驗，規(guī)定按照表3參數(shù)進行。

選取輪間差速器、軸間差速器各2套進行臺架復(fù)驗（見圖2），結(jié)果見表4。

圖2 差速器疲勞試驗結(jié)果展示

表4 差速器疲勞試驗結(jié)果? ? （單位：mm）

判定標準 十字軸軸徑測量 輪差十字軸 軸差十字軸直徑

運行≥38h，允許輕微點蝕、磨損，差速功能不失效 — 1# 2# 3# 4#

試驗前 φ31.977 φ32.003 φ34.005 φ34.004

試驗后 φ31.94 φ31.94 φ33.92 φ33.91

磨損量 0.037 0.041 0.085 0.086

試驗結(jié)論：輪間差速器、軸間差速器符合設(shè)計要求。差速器十字軸與行星齒輪出現(xiàn)一定磨損但未失效或膠合，故障初步得到復(fù)現(xiàn)，但沒有市場反饋損壞得嚴重。

2.當前行業(yè)標準標準對差速器評價的不足

按照標準通過臺架試驗的差速器總成，量產(chǎn)裝車后仍舊故障率很高，說明標準規(guī)定的試驗項目驗證的不充分、不全面，存在不足，沒有考慮極端工況的差速器使用情況。

1）冰雪或泥濘路面車輛打滑初期，駕駛?cè)宋茨芗皶r使用差速器而連續(xù)踩油門的工況。該工況應(yīng)區(qū)分中橋打滑和后橋打滑，中橋一側(cè)車輪打滑時中橋輪間差速器與軸間差速器同時工作，此時中橋從動錐齒輪高速旋轉(zhuǎn)形成飛濺潤滑，中橋軸間差速器是處于有潤滑的工況；后橋一側(cè)車輪打滑時后橋輪間差速器與中橋軸間差速器同時工作，此時中橋從動錐齒輪靜止，中橋軸間差速器處于無潤滑的工況。這種高速低扭的短時工況及軸間差速器缺少潤滑的工況需要驗證并解決。

2）車輛在附著系數(shù)良好的路面重載起步時動力對差速器總成的沖擊，尤其對電驅(qū)動車型起步?jīng)_擊更大，同時存在驅(qū)動與能量回收反拖時的換向沖擊。這種沖擊對十字軸早期沖擊是否產(chǎn)生磨損需要驗證并解決。

3）在中橋做效率臺架試驗時發(fā)現(xiàn)，由于阻力的作用中橋輸入轉(zhuǎn)速與貫通軸轉(zhuǎn)速始終存在微小差異，說明軸間差速器始終處于工作狀態(tài)。在實車運行過程中，即便平直道路行駛可能軸差、輪差也始終處于微動磨損運動中，尤其某個輪胎出現(xiàn)磨損不均勻滾動半徑不一致時或顛簸路況時。這種常規(guī)磨損工況當前標準已經(jīng)能夠充分驗證。

改進方案及驗證

假設(shè)行星齒輪和半軸齒輪嚙合完美。一些普通的改進方法，諸如提高十字軸精度、升級十字軸材料、采用內(nèi)孔修行的行星齒輪等，改善程度有限，以軸間差速器總成為研究對象進行改進升級。

1.軸間差速器產(chǎn)品改進

方案一，在十字軸與行星齒輪之間增加銅套，銅套壁厚2.5mm，參數(shù)見表5。

表5 合金銅套參數(shù)

材料 硬度/HB 摩擦系數(shù) 最大線速度/（m/s） 最高溫度

/℃

CuZn25A16Fe3Mn3 210～270 0.04～0.16 1.5 170

方案二，在十字軸與行星齒輪之間增加滾針軸承，滾針直徑2.5mm，與銅套互換。

在現(xiàn)有產(chǎn)品上改進兩種方案均，需要減小十字軸直徑或加大行星齒輪內(nèi)孔直徑。通過有限元計算臨時按十字軸直徑減小2.5mm來進行試制樣件，為便于快速測試效果，采用了市場現(xiàn)有的帶保持架的滾針軸承（見圖3）。

圖3 軸間差速器改進方案示意

2.臺架試驗方法改進

在充分考慮前述極端工況中前兩種及常規(guī)磨損工況，差速器磨損試驗按表6進行改進。

該試驗分為模擬打滑階段、沖擊階段、磨損階段三個階段，試驗條件下當輸入轉(zhuǎn)矩無故增加15%時，應(yīng)停止試驗并檢查，否則直至磨損階段做完38h停止。

3.試驗結(jié)果

按改進的試驗方法，現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品市場故障得以充分復(fù)現(xiàn)，銅套及滾針軸承方案滿足臺架試驗標準，詳見表7。

4.小結(jié)

從試驗結(jié)果看，量產(chǎn)產(chǎn)品在較短里程甚至檢車線上軸間差速器燒蝕失效的故障多數(shù)是由于車輛打滑，差速器處于高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下造成的。該狀態(tài)轉(zhuǎn)速過高，發(fā)熱量大，潤滑油不能將熱量帶走，造成零件表面發(fā)生表面退火產(chǎn)生膠合或早期磨損，早期磨損的擴展導致失效加速。

合金銅套具有自潤滑功能但其表面承壓能力有限，銅對潤滑油會產(chǎn)生腐蝕，因此在重載橋型或長換油周期的橋型應(yīng)用的比較謹慎。滾針軸承具有其獨特優(yōu)勢，除了將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦降低摩擦系數(shù)外，滾針之間的間隙具有儲存潤滑油的功能，保證了潤滑的充分。

滾針軸承沒有大批量應(yīng)用主要受制于裝配工藝。雖然軸承鋼材料的滾針承載能力強，但帶保持架的滾針軸承由于滾針數(shù)量有限，理論計算及臺架測試均無法滿足驅(qū)動橋總成靜扭強度不低于1.8的要求，采用滿滾滾針需要在零件結(jié)構(gòu)或裝配工藝上尋找可行的解決方案。

為此作者發(fā)明了一種帶有滾針防掉落結(jié)構(gòu)的軸間差速器結(jié)構(gòu)，在行星齒輪一端增加階梯孔過盈壓裝槽形擋圈，滾針軸承涂抹潤滑脂后沿著行星齒輪內(nèi)孔安裝在槽形擋片的凹槽中，槽形擋片對滾針起限位作用，防止?jié)L針掉落。

在解決滾針裝配前提下，大批量應(yīng)用之前還需要進行靜扭強度臺架測試，驗證十字軸、滾針、行星齒輪的靜強度（見圖4）。

圖4 滾針軸承防掉針裝配工藝驗證

軸間差速器的改進及驗證方案同樣適用于輪間差速器。

探索及展望

1）參照軸間差速器試驗結(jié)果，可對輪間差速臺架測試標準補充高速低扭及沖擊測試，更符合實車適用工況，完善后內(nèi)容見表8。

2）在不改變現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上可以考慮特殊涂層（見表9），例如鍍鉻、DLC涂層、ALCrN及納米陶瓷涂層等。主要目的是通過提高十字軸表面硬度，減小表面粗糙度值，降低摩擦系數(shù)，減小磨損。目前受成本限制未能在重型貨車差速器十字軸上應(yīng)用。

3）目前比較前沿的技術(shù)是在十字軸表面實施梯度滲硫（見圖5）、滲金屬等材料表面改性工藝，也是提高表面硬度減小摩擦系數(shù)的方法。梯度滲硫的優(yōu)勢見表10。

金屬表面生成的硫化物主要有FeS、CrS、NiS、MoS2等均屬于六方結(jié)構(gòu)空間群，具有優(yōu)異的固體潤滑性能，而最新的物態(tài)放電技術(shù)是蒸汽通過氣體離子轟擊來生成滲硫?qū)?，覆蓋納米和超晶格結(jié)構(gòu)變化的多種硫化物，具有更低摩擦系數(shù)和更強的耐磨性能。

結(jié)語

１）重型貨車差速器十字軸磨損問題可以通過在十字軸及行星齒輪配合部位增加銅套或滾針軸承的辦法解決，滾針軸承驗證效果優(yōu)于銅套，兩者可以做成互換方案，針對滿滾滾針裝配難度大的問題給出了有效的解決方案。

2）本文探索并驗證了軸間差速器臺架試驗方法及判定標準，補充了QC/T 533標準中關(guān)于差速器極端工況的驗證方法，為行業(yè)標準后續(xù)修訂提出了新的方向。

3）在不改變現(xiàn)有孔軸直徑的前提下提出了DLC涂層、梯度滲硫、滲金屬等特殊的工藝研究方向，作者在后續(xù)的工作中會進行驗證并綜合考慮量產(chǎn)解決方案。

4）本文為差速器總成的設(shè)計及驗證提供了極具參考價值的設(shè)計及驗證方案，為解決行業(yè)難題提出獨特思想。

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