郭明亮　王興華

（長城汽車股份有限公司）

差速器是汽車變速器Z重要的傳動零部件之一，差速器經常在不斷變化的轉速和載荷下工作，所以對于差速器而言，如何才能滿足其壽命的使用要求，是差速器設計和應用的關鍵；通常情況下，我們不僅要對各個子零部件的強度進行設計校核，同時也要考慮到零部件之間的磨損，特別是行星齒輪與軸的配合位置。本文通過對差速器磨損的失效進行分析對比，找到了磨損產生的原因及改善的措施。

汽車差速器是能夠使左、右（或前、后）驅動輪實現以不同轉速轉動的機構。主要由左右半軸齒輪、兩個行星齒輪及行星齒輪軸組成。功用是當汽車轉彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右車輪以不同轉速滾動，即保證兩側驅動車輪作純滾動運動。 

01　差速器工作原理

車輛直線行駛時，動力通過差速器齒圈傳遞到差速器外殼，再由行星齒輪軸傳遞到行星齒輪，帶動半軸齒輪后驅動半軸及車輪。（兩側車輪受阻力相同，行星機構剛性連接，行星齒輪不發生自轉）當車輛轉彎時，左右車輪受到的阻力不一致，這時行星齒輪繞半軸公轉，同時受車輪阻力不同產生繞行星齒輪軸自轉，從而吸收阻力差，使車輪能不同速度旋轉，實現轉彎。 

02　磨損的類型

磨損是零部件失效的一種基本類型。通常意義上來講，磨損是指零部件幾何尺寸（體積）變小。按照表面破壞機理特征，磨損可以分為磨粒磨損、 粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等。前三種是磨損的基本類型，后兩種只在某些特定條件下才會發生。 

磨粒磨損：物體表面與硬質顆粒或硬質凸出物（包括硬金屬）相互摩擦引起表面材料損失。 

粘著磨損：摩擦副相對運動時，由于固相焊合作用的結果，造成接觸面金屬損耗。 

表面疲勞磨損：兩接觸表面在交變接觸壓應力的作用下，材料表面因疲勞而產生物質損失。 

腐蝕磨損：零件表面在摩擦的過程中，表面金屬與周圍介質發生化學或電化學反應，因而出現的物質損失。 

微動磨損：兩接觸表面間沒有宏觀相對運動，但在外界變動負荷影響下，有小振幅的相對振動（小于100μm）， 此時接觸表面間產生大量的微小氧化物磨損粉末，因此造成的磨損稱為微動磨損。 

03　案例分析過程

某公司自主研發的一款變速器產品，在進行差速器耐久試驗時，行星齒輪與軸之間產生磨損導致試驗失效。失效信息如表1。

通過對失效零部件的檢測排查，尺寸及狀態都完全符合產品要求，基本排除質量不合格導致的失效；根據失效零部件的磨損痕跡，初步判定為表面疲勞磨損；而產生表面疲勞磨損的常見原因有兩種：潤滑狀態差和表面應力過大；然而試驗過程中，通過對潤滑狀態的監控，可以排除潤滑的原因。所以此問題根本原因基本鎖定為行星齒輪內孔 與軸接觸位置應力過大導致的表面疲勞磨損。為進一步證實我們分析的準確性，對零部件進行CAE仿真分析，結果如圖1。

分析結果顯示行星齒輪與軸接觸的部分區域應力超過10000MPa；那么如何降低接觸區域的應力是解決磨損問題的關鍵。對于降低接觸應力，可采用兩種方法：一是降低發動機的輸入扭矩（可通過限扭的方式），從根本上降低行星齒輪的承載從而讓接觸應力下降，但是此種方法往往會犧牲汽車的動力性，對于一些對動力性有要求的客戶來說，這樣的更改無法接受。另外一種方法是增大接觸面積，從CAE仿真分析的應力分布圖來看，應力Z大區域主要集中在齒輪內孔兩側，而內孔中心位置應力很小，只有30MPa，所以我們增大接觸面積就必須讓齒輪內孔中間的位置“鼓”起來。 

04　改善措施的制定與實施

通過以上分析，需對行星齒輪內孔增加鼓形設計；鼓形結構可通過熱后車削加工來實現，工藝十分成熟，具備量產可行性；同時重新分析了行星齒輪與軸的接觸區域的應力分布，Z大接觸應力由原來的10134MPa 下降到1557MPa，改善效果明顯；耐久試驗做了幾輪，效果也有比較大的提升。

來源：《內燃機與配件》2019年第17期