驅動橋差速器行星齒輪軸失效分析

田國才

遼寧曙光汽車集團股份有限公司 遼寧丹東 118001

汽車差速器是能夠使車輛兩側驅動輪實現以不同轉速轉動的機構。主要作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運轉，保證兩側驅動車輪作純滾動運動。

差速器根據功能形式分為開式差速器、限滑差速器和鎖式差速器。在不同的工況場景匹配不同的差速器類型，可以有效提升車輛的動力輸出提升，整車性能。差速器行星齒輪軸根據整車動力匹配又分為一字軸、Y字軸及十字軸等結構形式。

差速器結構如圖1所示，主要由殼體、行星齒輪、半軸齒輪、行星齒輪墊、半軸齒輪墊、行星齒輪軸和鎖銷構成。

圖1 差速器結構

目前微型、輕型汽車差速器多采用開式差速器，行星齒輪軸多采用一字軸結構。行星齒輪軸是汽車動力傳遞的重要部件，汽車的動力輸出流程為主動齒輪→從動齒輪→差速器殼體→行星齒輪軸→行星齒輪→半軸齒輪→半軸→車輪，行星齒輪軸的失效與否直接影響汽車的動力輸出。同時行星齒輪軸的失效會引起一系列其他部件的失效。

失效表現及影響

下面以某輕客車型的行星齒輪軸的失效形式展開分析。行星齒輪軸失效表現分為三種：行星齒輪軸異常磨損；行星齒輪軸和行星齒輪燒結；行星齒輪軸斷軸。外部失效表現分為兩大類，一是后橋內有異響但是有動力輸出，車輛可以行駛；二是車輛失去動力，無法行駛。

通過對失效的驅動橋總成拆解分析發現，行星齒輪軸表現為異常磨損，汽車行駛時車輛依然有動力輸出，但是后橋內部有異響或同時伴有撞擊聲響。拆解整橋及主減速器總成后發現，行星齒輪軸同行星齒輪配合位置已經磨損出溝槽，同時伴有撞擊聲的失效件有行星齒輪軸鎖銷斷裂情況，行星齒輪軸一端有磨損現象，驅動橋內部有細碎的磨屑；行星齒輪軸斷裂的失效狀態使驅動橋無法完成動力傳遞，車輛無法行駛。

行星齒輪軸失效的同時會導致驅動橋內部一系列其他問題。首先會使行星齒輪軸鎖銷斷裂，車輛正常行駛時鎖銷受力非常小，可以忽略不計。但當行星齒輪和軸磨損后兩者摩擦力增加，在運轉時會對鎖銷產生較大的剪切力，當超過鎖銷所能承受的極限時鎖銷將會斷裂，鎖銷斷裂后行星齒輪軸在其軸向上會自由竄動。

如果此時行星齒輪和軸已經燒結在一起，那么行星齒輪軸會在不斷地相對差速器殼體進行轉動。因為差速器殼體強度低于行星齒輪軸，所以行星齒輪軸孔會在摩擦中不斷變大，大到一定程度時行星齒輪將會失去原來的嚙合位置導致打齒等問題。行星齒輪軸將會竄出并在旋轉時撞擊在其他部件上，導致行星齒輪軸斷裂、差速器殼體碎裂，碎屑會進入軸承引起軸承燒蝕抱死、主從動齒輪打齒等失效現象，此時主減速器將被破壞無法工作。

如果鎖銷斷裂后行星齒輪和軸沒有燒結，那么行星齒輪軸在軸向上是自由運動的，其會直接沿著軸向竄出并在旋轉時撞擊在其他部件上，同樣導致主減速器破壞無法工作，整車失去動力，將會有潛在安全風險。

行星齒輪軸失效原因綜合分析

1.潤滑不足

行星齒輪和行星齒輪軸在主減速器總成內部的差速器殼體內，油液無法浸泡到其配合位置，兩者之間的潤滑依靠從動齒輪攪動油液后飛濺潤滑。行星齒輪和軸之間屬于間隙配合，動力傳遞時兩者之間屬于滑動摩擦，所以及時潤滑并形成油膜尤為重要；在配合間隙過小或者潤滑不到位沒有形成油膜的情況下，工作時溫度會急劇升高導致配合表面高溫退火，最終導致兩者磨損或燒結在一起。

遼寧曙光汽車集團股份有限公司在給某輕客車型匹配后橋時出現此類問題，失效比率居高不下，后通過改善此處潤滑條件，如增加導油槽長度使油液更容易進入配合位置并使油液留存在內，改善后此問題失效率降低并完成此失效問題的關閉。

2.行星齒輪和軸之間的擠壓應力過大

通過計算可以得出行星齒輪和軸之間的擠壓應力，檢查擠壓應力是否有超出或者處于極限狀態。擠壓應力過大超過極限狀態，材料表面破壞導致溫度升高退火，破壞持續加劇。通過在測功機差速試驗研究，合理的行星式輪軸選材及熱處理工藝能夠有效提升軸的性能。例如，由于失效問題，遼寧曙光汽車集團股份有限公司部分軸的材料由40Cr高頻淬火改為20CrMnTi滲碳淬火，通過相同狀態的差速試驗后，后者的磨損量低于前者，滲碳淬火表面主要是針狀馬氏體組織，含碳量較高，加上彌散分布的碳化物及少量的殘余奧氏體組織，表面含碳量越高表面強化越明顯。

通過材料及處理工藝的改進，失效比率有明顯的降低。同時，為了進一步降低軸表面的擠壓應力，可以增加行星齒輪和軸之間的配合長度。通過以上方法能有效地降低行星齒輪軸的失效比率。

3.雜質影響

驅動橋內部由于加工制造等因素會殘留鐵屑等雜質，同時整橋通過運轉，各個運轉零件之間會有磨屑產生，懸浮在齒輪油內。這些雜質一旦進入到行星齒輪和軸的滑動摩擦表面，將會對其產生持續的磨損和破壞，長時間或高強度運轉會在配合面產生大量的熱導致表面退火降低性能，引起行星齒輪軸失效。遼寧曙光汽車集團股份有限公司使用德國AVL測功機進行差速試驗，分別使用新齒輪油和含磨屑的舊齒輪油，舊齒輪油的試驗分別出現了差速器行星齒輪軸退火和較大磨損的情況，其中一件還出現了主動齒輪內軸承燒蝕抱死的情況。可見雜質和鐵屑對行星齒輪和軸的失效有很大的影響，同時也影響整橋的運轉。

4.行星齒輪和半軸齒輪運轉卡滯

行星齒輪和半軸齒輪在裝配時會因為間隙調整及制造精度等問題導致運行不順暢，此時強行運轉會加大行星齒輪和軸之間的擠壓應力。如果此狀態下工作將破壞工作表面油膜，損傷接觸面，導致升溫迅速引起配合件退火損壞失效。

改善措施

綜上，通過對失效表現及原因的綜合分析，行星齒輪軸的失效以及差速器的失效是相關聯的，起因具有多樣性，從設計、制造到使用環節都有影響。

1）設計改進時減小行星齒輪和軸之間的應力，在差速器殼體允許的情況下增加行星齒輪軸徑，增加配合長度來減少應力水平。

2）行星齒輪軸在選材和處理工藝上進行改善，提升配合部位的耐磨性能。

3）改善潤滑條件，使工作表面更容易接觸齒輪油或利于齒輪油的留存。

4）行星半軸齒輪裝配調整時要運轉順暢。需要控制相關零部件的尺寸精度如差速器殼體的球面精度，行星齒輪軸孔精度等，裝配時檢驗行星半軸齒輪轉動力矩加以控制。

5）控制整橋清潔度，減少加工、運輸過程雜質的進入，保持整橋清潔。

6）整橋注入齒輪油加載運轉后油放出，可減少驅動橋內磨屑存在。

7）驅動橋使用過程中要按要求進行保養換油。

結語

汽車差速器是驅動橋內關鍵部件，其失效會引發一些問題甚至影響安全。通過對行星齒輪軸失效分析及試驗研究能夠找到引起問題的原因，通過改進措施的實施和市場驗證，失效比率大幅度下降；通過研究改善可以有效降低驅動橋此類問題的發生，提升驅動橋可靠性滿足用戶和市場的需求。