自動變速器差速器燒蝕故障分析

姚書濤，關崴，趙彥輝，曹維，張海俠

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

自動變速器差速器燒蝕故障分析

姚書濤，關崴，趙彥輝，曹維，張海俠

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章通過研究自動變速器差速器燒蝕故障的故障機理和故障工況，并通過試驗手段在試驗室環境下再現了差速器燒蝕故障，根據對差速器故障發生的機理制定了行星齒輪軸、球面墊片、差速器殼體等零部件改善和優化的措施和方向。為差速器的設計優化提供借鑒和參考。

行星齒輪軸；行星齒輪；差速器；燒結；差速器保護

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.056

CLC NO.: U463.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-149-03

引言

隨著市場上自動變速器客戶的不斷增加，各種自動變速器的故障也時有發生，因此故障真因的分析對提升產品質量和降低客戶抱怨非常重要，差速器故障在自動變速器故障中占有一定的比例，且原因比較復雜，對變速器造成的損壞非常嚴重，該故障的分析對優化設計和提高產品質量具有指導意義。通過對差速器故障機理的研究，指出了差速器燒蝕故障的原因，為針對性的制定改善措施提供指導依據。

1、故障現象

差速器結構如圖1所示，當發生差速器燒蝕故障時有可能會出現以下異常現象：

1、行星齒輪軸與行星輪燒結在一起；

2、差速器鎖緊銷剪斷；

3、行星齒輪軸軸向竄動并與殼體干涉將殼體擊穿；

4、行星齒輪、半軸齒輪輪齒斷裂

5、行星齒輪軸斷裂；

6、異響。

圖1　差速器結構示意圖

1.1故障機理

上述故障現象中，根據差速器的結構和工作原理判定行星齒輪軸與行星齒輪燒結在一起，是引發一系列故障現象的源頭，即行星齒輪與行星齒輪軸燒燒結后，為實現兩側輪胎的差速功能，會整體旋轉或承擔載荷，該作用力作用于鎖緊銷上，鎖緊銷被剪斷，鎖緊銷剪斷后行星齒輪軸失去軸向的約束進而可以在軸向上竄動，根據燒結的嚴重程度不同，后續表現出不同的故障現象，如行星齒輪軸斷裂、殼體擊穿、半軸齒輪斷齒等現象，所以差速器燒蝕故障的分析重點在于行星齒輪軸與行星輪燒蝕的原因。

1.1.1因素分析

為分析差速器行星齒輪軸與行星輪燒蝕的原因，采用因素分析的方法從以下幾個方面進行分析：

1）裝配因素：差速器的總成裝配工藝是比較成熟可靠的，差速器總成裝配后需100%進行檢查，所以可以排除裝配方面的因素；

2）零部件單品質量因素：差速器內裝配的零件損壞的比較嚴重，無法對故障件進行測量，通過對構成零件相近批次的零件檢測情況進行分析，各項指標均合格，且對行星齒輪軸及行星齒輪、半軸齒輪分別進行理化分析，硬度、硬化層深度均合格，所以排除零部件單品質量問題；

3）季節因素：根據統計發生故障的時間段來看，以冬季居多占67%，春秋較少占16%，夏季較少占17%，所以相對而言冬季較為突出，分析季節影響的根本因素是環境溫度，冬季環境溫度相對較低，低溫環境下，潤滑油的流動性將變差，進而潤滑變差，所以因季節變換引起的潤滑不良是可能因素之一；

4）地域因素：根據故障發生的地域統計，故障發生地有廣州、新疆、甘肅、成都、黑龍江等地域，在中國的北方、南方、中部、西部均有故障發生，且比例無明顯突出的地域和規律，所以排除地域因素；

5）行駛里程因素：該類故障變速器出現故障的里程沒有一定的規律，里程有3000KM的短里程故障，也有3萬公里左右的中長里程故障，所以排除行駛里程的因素；

6）客戶使用因素：通過對客戶的回訪和變速器返廠后分解檢查發現該類故障發生前后，車輛有陷入泥坑、泥濘路面、沙漠等非常規路面行駛的經歷，在這些路面行駛時，對差速器是一個考驗，所以客戶使用方面是一個可能的因素；

7）差速器自身結構因素：從上述1～6的因素分析中，可以得出一個初步的結論，差速器燒蝕故障與潤滑和使用工況有一定的關系，根據差速器工作的原理，差速器在各種工況下工作時主要受到轉速和扭矩載荷的影響，但差速器傳遞扭矩和載荷的能力受自身結構的限制，當差速器處于較為苛刻的的差速工況下，其自身的綜合性能是否足夠，因此差速器自身結構也是導致差速器燒蝕故障的一個可能因素 。

1.1.2理論分析

根據差速器運動的規律和原理，載荷分配情況如圖2所示。

直行時差速器扭矩分配公式：

M1=M2=M0

左右半軸有轉速差時差速器扭矩分配公式：

M1=1/2×(M0-Mr)

M2=1/2×(M0+Mr)

Mr=M1-M2

說明：

M0：減速器經差速器殼體傳遞的扭矩

M1：左半軸扭矩

M2：右半軸扭矩

Mr：內摩擦力矩

圖2　差速器工作原理圖

通過2.1.1的因素分析，差速器行星齒輪軸與行星齒輪燒蝕在一起與差速器自身的結構、使用工況、潤滑情況有關系，但根本原因是由于差速行駛時行星齒輪繞行星齒輪軸運轉時，傳遞的動力有摩擦損失，在惡劣的差速工況下摩擦生熱，ATF油粘度降低，行星輪與軸之間的潤滑油膜破壞，產生干摩擦，摩擦損失會增加，表現出內摩擦力矩增加，在試驗過程中會表現出扭矩的異常波動。

2、自動變速器差速器燒蝕故障的試驗驗證

2.1 試驗方案

為進一步找到差速器燒蝕故障的真因，通過在變速器性能試驗臺（圖3），在變速器總成狀態下進行模擬差速器試驗，試驗方案如下：

圖3　變速器性能測試裝備示意圖

模擬極端差速器運轉，將差速器位置兩端與半軸連接，半軸的另一端分別于左右臺架的電機連接，以模擬右轉彎為例，將其右端固定（圖3中所示的低速側），左端加轉速并逐步提升扭矩，按照表1和圖3的試驗工況進行加載，監測半軸的扭矩變化。試驗中，注意聲音，振動，油溫等的變化，出現異常時立即中斷試驗，進行分解檢查。

圖4　試驗工況

表1　試驗工況

2.2數據分析

1）左半軸200rpm加載試驗，逐步提升左半軸的扭矩，臺架監測的數據如圖5所示，發動機已經超出發動機最大扭矩，通過監測右半軸扭矩Tos未見異常，變速器運轉無異常出現，由此在200rpm轉速的情況下，差速器性能滿足要求。

圖5　左半軸200rpm加載監測數據

2）左半軸800rpm加載試驗，逐步提升左半軸的扭矩，臺架監測的數據如圖6所示，發動機扭矩只達到了最大扭矩的50%左右，通過監測右半軸扭矩Tos出現異常的波動,內摩擦力矩也發生波動，變速器運轉出現油溫升高、振動等異常的現象。

圖6　左半軸800rpm加載監測數據

2.3分解檢查

在800rpm加載試驗中出現了異常，對變速器進行分解檢查，重點檢查差速器的損傷情況，如圖7所示，在分解檢查中發現，差速器的行星齒輪與行星齒輪軸燒結在一起無法拆下，故障再現。

圖7　差速器燒結試驗后分解檢查

3、結果與討論

3.1差速器燒蝕故障的原因

經過差速器燒蝕故障的機理和試驗模擬分析可以得出結論，導致差速器燒蝕故障的因素主要是在極端差速工況下，特別是在高速低負荷的工況下導致行星齒輪與行星齒輪軸燒結在一起，進而變速器損壞，在實際的用車工況中如：單側輪胎陷入泥坑中，在掙扎的過程中造成行星齒輪軸與行星輪燒結，行星齒輪軸燒結損傷后，在后續的運行過程中逐步惡化，進一步導致了鎖銷斷裂，行星齒輪軸竄動，行星齒輪軸與殼體干涉，異響，殼體擊穿等異常現象。

3.2預防差速器燒蝕故障的措施

3.2.1差速器潤滑結構優化

①因提高差速器自身承載能力需增加差速器構成零件的尺寸規格，占用空間較大，需產品研發初期進行評估和綜合考慮；

②從失效的機理分析在變速器本體側的改善方案可以從改善潤滑的角度出發制定改善潤滑的方案，確保在極端差速工況下仍能確保行星輪與行星齒輪軸之間有良好的潤滑和冷卻。如：對行星齒輪軸的潤滑油槽進行優化改進（圖8），對球面墊片結構進行改進（圖9），差速器殼體增加油槽（圖10），甚至為差速器運轉部位設計強制潤滑油路，強制潤滑在市場現有的自動變速器中已有較為成熟的運用。

圖8　通槽行星齒輪軸

圖9　多孔球面墊片

圖10 差速器潤滑油槽

3.2.2增加差速器保護功能

為防止過度差速的工況發生，建議對變速器增加差速器保護功能當兩側輪胎轉速差達到某一數值時開啟保護，主要有以下兩種方式：

①從變速器側考慮增加差速器保護功能，需變速器控制系統具有該功能模塊，整車CAN信號中包含ABS信號或輪速信號（影響CAN通信協議）；如現有的TCU系統不支持差速器保護功能，需重對底層軟件進行開發，開發差速器保護功能模塊并進行標定，差速器保護功,涉及到降扭請求，將對ECU系統產生影響，安全診斷需要重新設置。該方式需要再車型項目開發的初期進行考慮。

②如車輛具有ESP功能車型，可間接起到差速保護作用，所以ESP功能也是差速器保護的一種手段。

[1]陳家瑞，《汽車構造》.吉林工業大學 機械工業出版社.

Automatic transmission differential ablation failure analysis

Yao Shutao, Guan Wai, Zhao Yanhui, Cao Wei, Zhang Haixia
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this article, through the automatic transmission differential ablation failure mechanism and failure mode of failureAnd through tests in laboratory environment recreates the differential ablation failure, According to the mechanism of differential failure made the planet gear shaft, such as spherical gasket, differential shell parts improvement and optimization measures and direction. To provide reference for the design of the differential optimization.

planetary gear shaft; Planetary gear; Differential; Sintering; Differential protection

U463.21 文獻表示碼：A

1671-7988（2016）11-149-03

姚書濤（1980-），男，高級工程師，學歷本科，研究方向自動變速器本體方面。