雙金屬墊片在驅動橋差速器中的應用及參數設計研究

劉宏，范春利，李浩亮

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雙金屬墊片在驅動橋差速器中的應用及參數設計研究

劉宏，范春利，李浩亮

（一汽解放汽車有限公司商用車開發院，吉林 長春 130011）

驅動橋差速器在重載工況下經常出現殼體和墊片異常磨損的情況，影響了齒輪嚙合甚至造成齒輪打齒、齒根斷裂等嚴重失效。文章對某驅動橋總成進行差速器齒輪墊片耐磨性試驗，對比了兩種不同材料、工藝的差速器齒輪墊片和殼體的磨損量。通過對試驗后的潤滑狀況和齒輪側隙的計算對比，指出了雙金屬墊片-差殼摩擦副低磨損量的優越性，并提出了的墊片的合理厚度公差、金屬厚度和油槽方式，為驅動橋差速器技術升級提供了技術支持。

驅動橋；差速器；墊片；雙金屬

1 前言

驅動橋差速器在重載工況下經常出現殼體和墊片異常磨損、齒輪打齒、齒根斷裂及十字軸斷裂等嚴重失效問題。一方面由于墊片處的磨損量影響齒輪嚙合位置從而影響齒輪強度；另一方面過多鐵屑破壞了潤滑油膜，嚴重時會造成齒輪與十字軸燒死進而導致十字軸斷裂。因此對差速器墊片的耐磨性研究成為了一個的熱點問題。

本文以某驅動橋總成為載體，采用了雙金屬墊片和20鋼墊片兩種差速器總成進行磨損對比臺架試驗，通過對試驗結果的分析計算，指出了采用雙金屬墊片差速器的優越性能。

2 磨損分析及改進措施

墊片與殼體之間的摩擦屬于金屬材料之間的一種邊界摩擦。影響摩擦磨損的因素復雜，主要有硬度、表面性質（產生摩擦后表面的物理化學反應）、潤滑條件、表面粗糙度等等。摩擦力的數學表達式：

式中，F為摩擦力、F為法向載荷(即墊片軸向力)、為摩擦系數。

粘著磨損幾乎是磨損失效最普遍最嚴重的一類磨損方式，當墊片與殼體某些輪廓峰接觸點受壓發生“冷焊”結點后，在發生兩者相對轉動時，這些冷焊結點就被剪開，在較硬的輪廓峰上犁出溝槽。當法向壓力增大時，真實接觸面積也隨著增大，應力還是停留在材料的壓縮屈服極限。圖1所示為單個輪廓峰接觸區在高壓作用下產生塑性流動，導致真實接觸面積A增大到恰好能支承法向載荷為止的模型，則真實接觸面積和摩擦力為：

式中，為結點材料的剪切強度極限、Ar為真實接觸面積、為材料的壓縮屈服極限。

金屬的摩擦系數為：

實際上，我們將降低墊片-殼體摩擦副的磨損量轉化為減小墊片或者殼體材料比值的問題。目前大多數廠家的驅動橋差速器墊片為純鋼板材料，本次試驗用驅動橋差速器墊片采用的是20鋼，行星輪和半軸輪均為軟氮化處理，硬化層深0.15~0.3mm。如圖2所示。20鋼-QT450摩擦副的摩擦系數為QT450的計算值約為0.73~1.0。

圖3 雙金屬墊片

3 試驗與分析

試驗對某后驅動橋總成進行差速器耐久試驗，試驗條件見下表1。

表1 低速高扭矩試驗條件

試驗后的拆檢情況如圖4和圖5所示。雙金屬墊片差速器內部較清潔，但行星墊片內部凹坑被磨屑填滿，殼體基本無磨損。軟氮化墊片差速器左右半軸齒輪墊片表面被犁刨除很多溝紋，左側磨屑進入殼體半軸齒輪孔使其嚴重磨損，磨屑填滿墊片油孔，其磨損機制為磨粒磨損，同時也形成了一些冷焊結點；左右半軸齒輪墊片殼體側磨損嚴重，殼體行星齒輪墊片部位也存在磨粒磨損。

圖5 軟氮化墊片差速器拆檢

對試驗前后樣品各個位置墊片厚度和重量進行測量，并對殼體的磨損量測量記錄。下表2為計算的磨損量均值。

表2 墊片磨損量均值

4 分析計算

4.1 潤滑狀態分析

軟氮化墊片差速器左右半軸齒輪墊片部位均有大量鐵屑，磨屑填滿墊片油孔，影響潤滑；同時大量的鐵屑加在墊片與殼體側堆積形成磨粒，破壞了油膜潤滑，發生磨粒磨損和粘著磨損，在殼體和墊片上形成深溝和粘著鐵屑。

雙金屬墊片差速器行星齒輪墊片內的小儲油坑也被鐵屑填滿，潤滑狀態不良，使得油膜溫度升高墊片表面發黑。磨損下來的金屬越多，形成的機械雜質就越多，會惡化油品的抗泡沫性能，進而會影響在齒輪嚙合表面有效潤滑層的形成，同時加速油品的氧化變質及零部件的磨損，超過一定磨損含量繼續使用可能引起嚴重后果。由此可見，墊片的潤滑方式需要再優化。

4.2 齒側間隙

從試驗拆檢的情況來看，雙金屬自身厚度減少較大但對殼體基本無磨損，而軟氮化墊片對殼體的磨損是非常大。為了量化齒輪軸向間隙對嚙合側隙的影響，齒輪法向側隙δ為：

其中，δ為軸向間隙；為齒輪壓力角；為齒輪節錐角

表3計算了試驗后的差速器齒輪側隙的增量值。

可以得到：雙金屬墊片的差速器齒輪齒側間隙增大值最大0.1mm；軟氮化墊片的差速器齒輪軸向間隙過大，使得齒側間隙可能增大0.6mm，嚴重影響齒輪嚙合接觸區不良，齒根應力過大，嚴重可導致齒根斷裂。

表3 齒側間隙值

注：表中“+”后面的數值表示殼體的磨損量。

5 結論

（1）雙金屬墊片-差殼摩擦副的摩擦系數小，極大地降低了磨損量，可以解決驅動橋差速器的異常磨損等失效問題，在設計墊片時可優先考慮雙金屬墊片。

（2）根據試驗的磨損量，雙金屬墊片的銅合金層厚度可以減少至0.2mm，中間采用鋼板材料；相比全銅合金材料成本降低約了83%。

（3）為保證墊片工作狀態的一致性，在設計墊片時應采用正偏差。

（4）為改善潤滑狀態，雙金屬行星輪墊片的儲油坑裝配時一次涂敷潤滑脂，半軸齒輪墊片改用正反面開直線油槽。

[1] 孫家樞.金屬的磨損[M].冶金工業出版社,1992,648.

[2] 田其鑄等.汽車設計手冊[M].長春汽車研究所,1998,296～297.

[3] 陳家瑞.汽車構造[M].機械工業出版社,2011.

Application and Parameter Design of Bimetal Gasket in Driven Bridge Differential

Liu Hong, Fan Chunli, Li Haoliang

( FAW Jiefang Automobile Co., Ltd. Commercial Vehicle Development Institute, Jilin Changchun 130011 )

The abnormal wear of the case and spacers in the heavy load condition is often found in the drive axles differential, which affects the gear meshing and even causes the serious failure of the gear tooth root fracture. In this paper, the wear resistance of differential gear spacers of drive axles assembly is tested and compared with the wear amount of differential gear spacers and case made of two different materials and processes. Through the comparison of the lubrication condition after the test and the calculation of the backlash of the gear, the superiority of the low wear amount of the double metal spacers is pointed out, and the reasonable thickness tolerance and the way of the oil slot for the spacers are put forward to provide the technical support for the technical upgrading of the drive axles differential.

Drive axles; Differential; Spacer; Double metal spacer

U463.2

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1671-7988(2018)20-156-03

劉宏（1984-），女，陜西富平人，碩士，就職于一汽解放商用車開發部。主要從事驅動橋減速器的設計開發及性能計算工作。

U463.2

A

1671-7988(2018)20-156-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.057