差速器半軸齒斷齒原因分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

差速器是體現(xiàn)汽車性能的關(guān)鍵部件之一，通用汽車集團(tuán)曾因差速器存在安全缺陷，在全球范圍內(nèi)召回30余萬(wàn)輛汽車。半軸齒是差速器的核心零件，其具有重合度大、傳動(dòng)平穩(wěn)性好及承載能力大等特點(diǎn)。半軸齒因設(shè)計(jì)、制造及過(guò)載等原因，可能出現(xiàn)接觸疲勞、磨損與膠合及斷齒等故障，當(dāng)這些故障出現(xiàn)時(shí)將導(dǎo)致差速器失效，汽車無(wú)法正常行駛，甚至出現(xiàn)安全事故。目前對(duì)于差速器齒輪的故障的研究較少，特別是結(jié)合金相檢測(cè)和有限元分析的文獻(xiàn)還未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道。為此，本文結(jié)合工廠實(shí)例分析半軸齒失效原因并對(duì)其改進(jìn)，提升產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到用戶使用要求。

1. 半軸齒制造工藝與失效形式

差速器半軸齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，該齒輪零件通過(guò)“下料→磨外圓→車錐度→加熱→溫鍛→正火處理→拋丸處理→磷化/皂化處理→冷校→鉆孔→粗車背錐→切邊→精車背錐→精車內(nèi)孔端面倒角→拉花鍵→滲碳淬火→拋丸處理→精車軸頸平面→產(chǎn)品終驗(yàn)→清洗涂油→包裝”工藝制造生產(chǎn)。該半軸齒輪材料為20CrMnTiH，符合GB/T 5216—2004標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)成分如表1所示。

通過(guò)上述工藝生產(chǎn)出的半軸齒輪如圖2a所示，將其交予用戶使用后，用戶反饋有部分齒輪出現(xiàn)失效，其中較典型的失效齒輪見(jiàn)圖2b、圖2c所示。從圖2b、圖2c中可以判斷該失效形式為斷齒失效，是齒輪最嚴(yán)重的失效形式，失效后差速器不能實(shí)現(xiàn)差速，容易發(fā)生事故造成人員傷害。

2. 失效原因分析

（1）金相分析。本文對(duì)失效齒輪進(jìn)行了熱處理效果檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表2所示，該齒輪熱處理符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

為了準(zhǔn)確判斷斷齒原因，本文還對(duì)端口進(jìn)行了金相觀察，如圖3所示，從圖3a、圖3b中可以看出，該斷口未見(jiàn)疲勞破壞。輪齒斷口無(wú)宏觀可見(jiàn)的塑性變形，放射區(qū)占斷口的很大部分，微觀主要為沿解理面的穿晶斷裂，在圖3c中可以判斷出斷口形貌為準(zhǔn)解理+撕裂。上述分析表明，該齒輪未見(jiàn)疲勞斷裂特征，為一次性斷裂，斷齒不是因?yàn)槠趶?qiáng)度不足而斷齒，無(wú)初始裂紋，齒面沒(méi)有折疊，從而可以判斷斷齒是因?yàn)檫^(guò)載造成的，即齒輪強(qiáng)度不足造成斷齒。

（2）故障再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度校核。在分析了制造過(guò)程與半軸齒輪強(qiáng)度有關(guān)的數(shù)據(jù)都合理的情況下，本文通過(guò)故障再現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿足相關(guān)要求。驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭實(shí)驗(yàn)的后備系數(shù)Kk=2.21；滿足QC/T 534—1999驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭強(qiáng)度后備系數(shù)Kk＞1.8；實(shí)驗(yàn)結(jié)果為半軸齒輪斷裂，而非半軸。根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)原則，驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)是半軸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示半軸齒輪破壞時(shí)候的輸入轉(zhuǎn)矩1 670N·m，此時(shí)差速器殼的轉(zhuǎn)矩為1 670×38/9=7 051.11（N·m），半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7 051.11/2=3 525.56（N·m）。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)普通的圓錐行星齒輪式差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)ε=0.55～0.6，取ε=0.6，則半軸齒輪實(shí)際能承受最大轉(zhuǎn)矩為754×38/9×0.6=1 910.33（N·m），那么半軸齒輪的后備系數(shù)為3 525.56/1 910.33=1.85。查閱汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 29108—1993，汽車驅(qū)動(dòng)橋差速器行星、半軸齒輪質(zhì)量分等要求合格品、一等品強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)應(yīng)≥2.5，因此，可得出造成半軸齒輪強(qiáng)度不足的根本原因在于設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。

（3）結(jié)構(gòu)改進(jìn)及有限元分析。按驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)原則最薄弱的部件為半軸，根據(jù)與該齒輪相配合的半軸的靜扭實(shí)驗(yàn)破壞的最大轉(zhuǎn)矩后備系數(shù)2.63，那么更改結(jié)構(gòu)后的半軸齒輪的后備系數(shù)至少要大于2.63，為了保證齒輪強(qiáng)度后備系數(shù)有一定的富余量，因此設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)半軸齒輪強(qiáng)度后備系數(shù)取K=3，半軸齒輪承受轉(zhuǎn)矩為2 387.676×3=7 162（N·m），此時(shí)行星齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7 162×25/40=4 476.25（N·m）。半軸齒輪有限元分析承受的轉(zhuǎn)矩為7 162N·m時(shí)，最大應(yīng)力＜980MPa。

本文采用ANSYS分析了半軸齒輪的受力情況，其結(jié)果如圖4所示，其有限元分析得到的應(yīng)力集中點(diǎn)和故障件的破壞點(diǎn)位置相同。結(jié)合圖5所示嚙合區(qū)位置模擬示意圖和紅丹粉檢測(cè)圖可以看出，應(yīng)力集中點(diǎn)和嚙合區(qū)處于同一區(qū)域，導(dǎo)致齒輪承載能力差。

為了提高齒輪強(qiáng)度，本文對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖6所示，在輪齒上下端增加了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，并取圖6中所示X、Y為控制尺寸，其有限元分析結(jié)果如圖7所示。

當(dāng)小端加強(qiáng)筋直徑X＜44.2mm，大端加強(qiáng)筋厚度Y＞14.1mm時(shí)，應(yīng)力點(diǎn)集中在大端齒頂和小端平面與面錐相交處；當(dāng)小端加強(qiáng)筋直徑X=44.2mm、Y=14.1mm時(shí)，小端平面與面錐相交處（故障件破壞點(diǎn)）的應(yīng)力點(diǎn)消失，只存在大端齒頂處的應(yīng)力點(diǎn)，此時(shí)半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩值為7 162N·m（按設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)定的目標(biāo)加載的轉(zhuǎn)矩），這時(shí)的最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值為592.9MPa，小于980MPa，有一定的強(qiáng)度富余量，為了保證強(qiáng)度有足夠的富余、便于加工，在材料盡量少的情況下，X?。?4.4±0.1）mm， Y?。?3.9±0.1）mm。

（4）改進(jìn)后的齒輪效果驗(yàn)證。改進(jìn)后的齒輪產(chǎn)品如圖8所示，經(jīng)用戶使用后，在服役期內(nèi)未出現(xiàn)輪齒斷裂失效現(xiàn)象，產(chǎn)品達(dá)到用戶使用要求。

3. 結(jié)語(yǔ)

（1）建立仿真模型，設(shè)定變量，將模型通過(guò)有限元分析，分析得到結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，用于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，作強(qiáng)度理論分析，可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少實(shí)驗(yàn)浪費(fèi)，提高一次開(kāi)發(fā)成功率。

（2）采用有限元分析驗(yàn)證齒輪設(shè)計(jì)，能有效地保證半軸齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度，避免了變速器因此而產(chǎn)生故障，為今后正確設(shè)計(jì)、制造汽車變速器具有重要意義。