汽车差速器半轴齿轮损坏原因分析和改进措施

汽车在转弯时，车轮做的是圆弧的运动，那么外侧车轮的转速必然要高于内侧车轮的转速，存在一定的速度差，在驱动轮上会造成相互干涉的现象，这就需要差速机构。

现在汽车的驱动桥上都会安装差速器。

布置在前驱动桥（前驱汽车）和后驱动桥（后驱汽车）的差速器，可分别称为前差速器和后差速器，如安装在四驱汽车的中间传动轴上，来调节前后轮的转速，则称为中央差速器。

具体工作原理就不详细展开说了，值得注意的是，乘用车前驱的差速器和商用车后桥的差速器在工作原理上完全相同，差别就是乘用车用两个行星轮+一根行星轮轴，载重货车用四个行星轮+十字轴。

一般来说差速器故障不多，乘用车的尤其少，故障多见于载重货车，多是由于超载导致强度不足所致。

半轴齿轮是差速器的核心零件，其具有重合度大、传动平稳性好及承载能力大等特点。

半轴齿因设计、制造及过载等原因，可能出现接触疲劳、磨损与胶合及断齿等故障，当这些故障出现时将导致差速器失效，汽车无法正常行驶，甚至出现安全事故。

半轴齿轮制造工艺：

(1)锻造：下料→磨外圆→车锥度→加热→温锻

(2)预处理：正火处理→抛丸处理→磷化/皂化处理→冷校

(3)粗加工：钻孔→粗车背锥→切边→精车背锥→精车内孔端面倒角

(4)拉花键

(5)热处理：渗碳淬火→抛丸处理

(6)精加工：精车轴颈平面

(7)成品：产品终验→清洗涂油→包装

一般半轴齿轮材料为20CrMnTiH GB/T 5216—2004，是性能较好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。

稍好一些的材料可选用20CrMnMoH，淬透性要优于上面的材料。

而在一些军用等特种场合，由于重载十字轴承受交变载荷导致弯曲强度不足，而又由于空间所限无法在尺寸上加强，可以选用含Ni的材料，淬透性更强，在表面淬硬的同时，材料心部仍然保持良好的韧性，值得注意的是Ni材热处理要求较高。

20CrMnTiH 化学成分：

碳 C ：0.17～0.23

硅 Si：0.17～0.37

锰 Mn：0.80～1.15

硫 S ：允许残余含量≤0.035

磷 P ：允许残余含量≤0.035

铬 Cr：1.00～1.35

镍 Ni：允许残余含量≤0.030

铜 Cu：允许残余含量≤0.030

钛 Ti：0.04～0.10

1. 某半轴齿轮失效模式分析及改进方法

用户反馈有部分齿轮出现失效，其中较典型的失效齿轮见下图。

可以判断该失效形式为断齿失效，是齿轮最严重的失效形式，失效后差速器不能实现差速，容易发生事故造成人员伤害。

(1)金相分析

对失效齿轮进行热处理效果检测，数据显示该齿轮热处理符合产品技术要求。

为了准确判断断齿原因，对端口进行了金相观察，断口未见疲劳破坏。

轮齿断口无宏观可见的塑性变形，放射区占断口的很大部分，微观主要为沿解理面的穿晶断裂，断口形貌为准解理+撕裂。

表明该齿轮未见疲劳断裂特征，为一次性断裂，断齿不是因为疲劳强度不足而断齿，无初始裂纹，齿面没有折叠，从而可以判断断齿是因为过载造成的，即齿轮强度不足造成断齿。

(2)故障再现实验及强度校核

经计算，驱动桥总成静扭后备系数2.21，满足QC/T 534—1999

静扭结果为半轴齿轮断裂，而非半轴

根据驱动桥设计原则，驱动桥传动系统中的薄弱环节应是半轴

试验结果显示半轴齿轮破坏时候的输入转矩1670Nm

此时差速器壳的转矩为1670×38/9=7051.11 Nm

半轴齿轮承受的转矩为7051.11/2=3525.56 Nm

根据设计经验，差速器的转矩分配系数取0.6

则半轴齿轮实际能承受最大转矩为754×38/9×0.6=1910.33 Nm

那么半轴齿轮的后备系数为3 525.56/1910.33=1.85

查QC/T 29108—1993，汽车驱动桥差速器行星、半轴齿轮强度储备系数应≥2.5

因此，可得出造成半轴齿轮强度不足的根本原因在于设计强度不足

(3)结构改进及有限元分析

按驱动桥设计原则最薄弱的部件为半轴，根据与该齿轮相配合的半轴的静扭实验破坏的最大转矩后备系数2.63，那么更改结构后的半轴齿轮的后备系数至少要大于2.63

为了保证齿轮强度后备系数有一定的富余量，因此设计优化时半轴齿轮强度后备系数取K=3

半轴齿轮有限元分析承受最大转矩时，最大应力＜980MPa

采用ANSYS分析了半轴齿轮的受力情况，其有限元分析得到的应力集中点和故障件的破坏点位置相同。

经过啮合区位置模拟和红丹粉检测，应力集中点和啮合区处于同一区域，导致齿轮承载能力差。

为了提高齿轮强度，对齿轮结构进行了改进，如图下图所示，在轮齿上下端增加了加强筋结构：

应力点集中在大端齿顶和小端平面与面锥相交处

当小端加强筋直径时，小端平面与面锥相交处（故障件破坏点）的应力点消失，只存在大端齿顶处的应力点

此时半轴齿轮承受的转矩值为7162N·m（按设计优化设定的目标加载的转矩），这时的最大应力点的应力值为592.9MPa，小于980MPa，有一定的强度富余量。

(4)改进后的齿轮效果验证

改进后的齿轮经用户使用后，在服役期内未出现轮齿断裂失效现象，产品达到用户使用要求。

(5)心得

◆采用有限元分析验证齿轮设计，建立仿真模型，设定变量，将模型通过有限元分析，分析得到结果与实验结果基本一致，用于开发新产品时，作强度理论分析，能有效地保证半轴齿轮设计强度，避免差速器故障，可缩短开发时间，减少试制和试验浪费，提高一次开发成功率。

◆当确认设计强度不足时，首先考虑局部加强的办法，尽量避免增大模数放大尺寸等导致更大的设计变更。

2.差速器常见失效模式及原因分析

在车轮直线行驶时，差速器齿轮磨损率较低。

但污浊的润滑油会使齿面、齿轮止推面、内孔磨损加速，止推垫圈、壳体止推面、内孔磨损加速。

在修理中调整间隙不当会使半轴齿轮和行星轮在传动中沿轴线方向向后位移，造成齿轮啮合间隙过大，则啮合异常。

齿轮长期啮合间隙过大就必然形成齿面台阶、畸形等，这样一来差速器齿轮本身磨损加速了，而且导致十字轴、差速器壳一连串的损伤。

差速器齿轮非正常磨损后，行星齿轮在工作时出现前后窜动、左右摆差，半轴齿轮也在工作时前后窜动、左右摆差，当行星齿轮沿半轴齿轮异常传动时，使十字枢轴受力不均而损伤，同时止推垫圈和壳体内孔也加速磨损。

当差速器齿轮不旋转工作时，也就是车辆直线行驶时，在传动力变化的情况下齿轮与齿轮相互冲击，造成十字轴、止推垫圈、差速器壳体加剧损伤。

由此可见，差速器齿轮过分磨损以后，不论差速工作与否，其影响都是非常大的。

行星齿轮的破碎、十字轴或一字横轴的折断，往往先是齿轮过分磨损，然后十字轴损伤或折断，使得整个差速器彻底失效。

3.差速器故障简易检测方法

检查差速器行星齿轮与半轴齿轮的啮合间隙前，应先将一边的半轴齿轮及其止推垫圈，以及十字轴、行星齿轮及其止推垫圈等装入一边的半壳内，并用夹具将十字轴与半壳夹紧。

再将行星齿轮经止推垫圈贴于半壳，将千分表触头靠近行星齿轮大端的齿面，然后将相近的另外两行星齿轮以不同的转动方向将其卡死，以防半轴齿轮转动。

这时，来回轻轻转动行星齿轮，即可测出该齿轮与半轴齿轮的啮合间隙，但测定时应测量两点或四点，取其平均值，此间隙一般应在0.20~0.50mm范围内。

一边检查完后，以同样方法检查另一边。

检查时，若四行星齿轮与某边半轴齿轮的啮合间隙相近但都不符合要求，可用更换不同厚度的半轴齿轮止推垫圈予以调整。

该止推垫圈厚度的改变，对各行星齿轮同另一边的半轴齿轮的啮合间隙无任何影响。

若仅某一行星齿轮与该边半轴齿轮的啮合间隙不符合要求，可用更换该行星齿轮不同厚度的止推垫圈调整。

但这一止推垫圈厚度的改变，将影响该行星齿轮与另一边半轴齿轮的啮合间隙，因此，调整时必须注意这一情况。

此外，还应注意的是有些汽车其行星齿轮和半轴齿轮的啮合间隙不用上述方法检查，而是在差速器的组装工作快完毕，拧紧差速器壳的固定螺栓使之呈半紧固状态时，从差速器壳窗口插入厚薄规，测量半轴齿轮后面与差速器壳之间的间隙，来确定行星齿轮与半轴齿轮的啮合间隙是否正常。

此间隙应为0.23~0.32mm，如不在这一范围内，应换用不同厚度的止推垫圈调整。

调整垫圈有多种不同的厚度，调整时可根据检查后的实际需要选用。