差速器行星齒輪與軸磨損原因及維修技術

項斌

摘 要：差速器是當前汽車變速器的最主要傳動零部件，在不斷變化的工作狀態下，可能會產生使用壽命和使用性能方面的缺陷。對此我們要針對差速器的各個零部件強度進行設計和判定，在滿足壽命使用要求的前提下，綜合考慮零部件可能出現的磨損情況，采取維修措施。因此本次研究也將圍繞行星齒輪和軸的配合位置磨損與改善措施展開分析與討論。

關鍵詞：差速器;行星齒輪;軸磨損;維修技術

引言

差速器作為當前汽車傳動系統的關鍵組成部分，能夠滿足車輛行駛運動學需求，用以實現兩側車輪在行程不等時以不同轉速進行旋轉。其中行星齒輪數量越多，負載不均勻，現象會更加嚴重，某些鎳和間隙較大的行星齒輪承受載荷較小時，會導致行星輪系承載能力降低影響運轉安全性，甚至產生振動和其他齒輪失效現象。此類問題需要得到重點關注，否則必然影響行車安全。

1 差速器的工作機制

在車輛保持直線行駛狀態時，車輛動力通過差速器的直接傳遞到差速器外部，再通過行星齒輪軸傳遞到行星齒輪，帶動半軸齒輪后驅動。使兩側車輪的受阻力相同，在行星機構剛性連接時行星齒輪并不發生自轉。

反之在車輛保持轉彎狀態時，由于左右車輪受到的阻力不一致，所以行星齒輪繞半軸公轉之后車輪阻力隨之產生，而差速器的作用在于產生繞行星齒輪軸自轉吸收阻力差，使得車輪以不同速度進行旋轉，幫助車輛進行轉彎。

目前，行星齒輪傳動利用了多個行星輪來進行載荷分擔完成功率分流，具有良好的承載能力和結構優勢。當行星輪數量增加時，行星傳動系統的結構優勢和承載力優勢將體現得更加顯著，但是在實際工作當中，由于行星齒輪系統本身會存在無法避免的制造問題或安裝缺陷，再加上受到運動構件當中的變形磨損因素影響，系統當中的行星輪負載往往有不均勻特性。

在之前的一些國外研究當中已經提到了齒輪位置偏差和齒輪誤差的有關內容，在這些研究的基礎上進一步分析了齒厚偏差等參數對行星齒輪在具體性能方面產生的影響。與之相比，我國在行星傳動系統均在特性方面的研究起步時間較晚，對于行星齒輪和軸磨損原因和維修技術的研究工作也因此屏障與國外存在差異。不過在齒輪系統動力學理論開始成為一項重要的學科之后，關注動力學行為有關的動載系數模態特性，振動過程等能夠為優化系統動態特征和參考依據，同時也讓零部件磨損和維修技術的應用更加廣泛。特別是在零部件特別是在行星齒輪和軸配合位置等多見的零部件磨損工作當中，會對差速器磨損失效展開分析對比，精確定位磨損原因與改善措施[1]。

2 磨損類型與維修處理方案

2.1 常見磨損與維修

磨損本身是零部件失效的基本特征，通常情況指的是零部件幾何尺寸和體積不可避免產生縮小現象。從表面破壞機體特征來看，磨損類型包括很多類型，比如磨粒磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損等。不同類型其中，表面疲勞磨損是磨損的最常見表現形式而腐蝕磨損則只會在特定的條件下才會產生。以表面疲勞磨損微粒表面疲勞磨損是兩個不同的接觸表面，再觸壓應力的作用下，導致材料因疲勞產生物質損失而腐蝕磨損，則指的是零件在摩擦過程當中產生化學反應或電化學反應產生物質損失。值得一提的是，近年來的研究當中，開始針對微動磨損展開分析，例如小幅振幅的相對振動讓接觸表面產生氧化物磨損粉末，此時造成的磨損就被稱為微動磨損。

例如，在變速器產品進行差速器耐久試驗時，研究人家發現行星齒輪和軸之間出現磨損，導致實驗結果失敗，通過對失效零部件進行檢測排查之后，如果零部件的尺寸和狀態符合工作要求，那么就可以根據磨損痕跡判斷是否為表面疲勞磨損。具體來看，表面疲勞磨損的常見原因是表面應力過大或潤滑狀態較差，對此，可以考慮對零部件展開CAD仿真分析，從而降低接觸區域的應力并解決某種問題，改善齒輪的性能。假設是因為應力過大導致的差速器磨損，那么可以考慮降低發動機輸入扭矩，從根源上降低行星齒輪的承載從而控制接觸應力，但此時汽車的動力性能可能會受到不同程度的影響。必要時還可以通過增大接觸面積的方式將內孔中間的位置進行調節，將行星齒輪和軸的接觸區域應力分布均勻化，讓最大接觸應力下降，這樣可以最大化避免汽車行駛時的承載不均和相關安全問題，提高汽車的安全性能[2]。

2.2 分析靜力學均載特性

分析靜力學均載特性的原因在于汽車差速器在制造和安裝過程當中可能會產生誤差情況，例如構件變形等。在目前的傳動系統設計過程當中，行星輪所傳遞的載荷并不相同，甚至所有載荷都會被一個行星輪所承擔，此時其他行星輪處于非嚙合狀態下，載荷分配不均，很容易導致差速器破壞和失效。對此應充分分析行星輪均載問題，從而發揮傳動系統的良好性能，要達到這一目標，可以從兩個方面展開探索。第一是提升齒輪和行星架等主要零部件的加工精度，但這項工作受到工藝成本和技術水平的限制比較明顯;第二則是采用均載裝置使用彈性件完成均載。目前均載裝置類型較多，不同的應用范圍和均載機里，使得使用者需要根據系統特征選擇相應的裝置類型，但都離不開靜力學均載特性分析，將均載結構應用于靈敏度較高的位置。由于差速器有無差速和有差速兩種不同的工作狀態，其中無差數工作狀態下差速器系統整體在某一角速度而旋轉，各個構件之間無相互運動處于靜力平衡;反之，有差速狀態下，各個構件之間存在相互運動。此時需要綜合建立等效彈簧模型研究無差速狀態下的構建誤差和系統剛度與均載性能之間的聯系。在靜在和作用之下，如果系統半軸齒輪不發生改變，那么行星齒輪軸上加入扭矩之后，會因為誤差導致某一個行星齒輪率先進入嚙合狀態。輸入扭矩逐漸增大，嚙合齒輪和支承會產生彈性變形直至所有行星齒輪側隙全部被消除之后，讓所有行星齒輪進入嚙合狀態。從相應的分析過程來看，需要進一步提高行星齒輪的精度并合理布置誤差相位，且行星齒輪數量越少負載不均勻現象就越輕[3]。

2.3 分析動力學均載特性

差速器在汽車中具有重要的作用，其主要是在車輛轉彎或路面不平整狀態下，實現左右兩側車輪的合理旋轉，滿足汽車的運動學需要，所以差速狀態下的系統模型可以被認為是動力學模型。新齒輪和軸的磨損原因與維修技術研究當中，需要對系統動力學模型展開評估和分析，得到動態均載結果以及不同因素對動態均在因素的特性影響。具體來看，需要研究各個誤差因素單獨作用時動態均載，系數的變化情況，包括系統剛度變化、行星齒輪數量變化、載荷變化等[4]。另外均載裝置的選擇和差速器均載結構調節也是非常重要的工作內容。

3 結語

差速器作為當前汽車不可或缺的傳動部件，承受著扭矩和交變重載荷，而行星輪和軸則直接影響到結構的承載能力與可靠性。在后續的研究當中，可以通過專門的實驗裝置對行星輪的狀態進行實時采集分析，可能出現的常見磨損原因采取針對性維修方案，將各類特性分析工作落到實處。這樣一來可以將研究成果應用到工程實際階段，從而做出結構調整和裝置調整。

參考文獻：

[1]郭明亮， 王興華. 淺析差速器行星齒輪與軸磨損原因及改善措施[J]. 內燃機與配件， 2019（17）：2.

[2]魏聰， 王優強， 周亞博，等. 汽車差速器錐齒輪差速工況下的潤滑特性研究[J]. 潤滑與密封， 2019（8）.

[3]李海平， 趙建民， 張鑫，等. 行星齒輪箱齒輪磨損故障診斷[J]. 振動與沖擊， 2019， 38（23）：84-89.

[4]王娜.無軌膠輪車主減速器齒輪頻繁磨損原因分析及 預防措施[J].煤礦機械，2019，40（10）：160-161