某型號純電動變速器差速器耐久試驗故障分析

趙清碧，馬勇，平康寧，郭秋彥，陳兆欣

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336；2.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，寧波 315336；3.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

引言

變速器作為車輛傳動系統的重要核心部件，對車輛的動力性、燃油經濟性和駕駛乘用舒適性等都有著顯著的影響。汽車零部件的表面不僅要求高的耐磨性、耐蝕性及抗疲勞強度，而且還應保證汽車零部件在高速、高壓、載重及強腐蝕介質工況下持續地運行[1]。因此，從表面強化技術的角度出發，進一步提高汽車零部件的使用性能至關重要。近年來新能源乘用車發展迅速，純電動乘用車更是由于傳統燃油車不能比擬的優點，有著更快的發展。純電動乘用車的核心驅動部件是驅動電機，由于驅動電機有著轉速高，扭矩大，加速度快的特點[2]，因此，對于和驅動電機配合使用的變速器，也提出了更高的設計要求和使用要求[3]。

差速器作為變速器的重要部件，其創新性在于通過驅動一個大齒圈，再由大齒圈連接的差速器殼體內部同步公轉的行星輪嚙合連接左右車輪的半軸齒輪。行星輪公轉同步于大齒圈，而自轉卻同步于兩側半軸齒輪，在將力矩平均分配給兩個車輪的同時允許車輪有自由的轉速差。這種結構最大優點是是左右兩個車輪在轉彎及在凹凸路面行駛時，允許兩個車輪有一定的轉速差，同時又能提供幾乎均等分配至左右車輪的推力。

我司在開發某款純電動乘用車變速器過程中，進行差速耐久試驗，試驗完成到39 %，發現半軸間隙較大，樣機內部輕微異響，拆機發現差速器前殼體磨損，長半軸齒輪磨損，長半軸齒輪墊片磨損。故障圖片見圖1。

圖1 差速器墊片失效圖

觀察失效圖片，可以看出差速器殼體安裝墊片面出現磨損，墊片表面出現磨損。初步判斷該磨損失效模式為磨粒磨損。以下，就試驗過程、失效件分析、QPQ表面處理工藝改進及方案驗證幾個方面將該失效進行簡單闡述。

1 差速耐久試驗失效件分析

1.1 差速器耐久試驗工況設計

開發階段的差速器耐久試驗工況主要是根據QC/T 1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》中第6.2.4.6條規定制定的，詳細的試驗工況見表1。

根據表1列出的試驗時間，將其分為若干個小循環，按照一定的順序進行試驗。一般需要考慮的是臺架能力及相關的實車工況，結合實車差速器的失效模式及差速器其余功能及性能類的試驗結果確定差速耐久試驗邊界條件。

表1 臺架測試工況

1.2 失效件分析

對差速耐久試驗樣機拆解分析后，除了發現差速器墊片失效外，還發現差速器輸出半軸軸管發生一定的粘接磨損。具體見圖2。

圖2 差速器輸出半軸失效圖

結合差速器墊片失效模式，初步判斷為潤滑不良導致的異常摩擦問題。

2 改進過程

2.1 通過試驗確定潤滑不良問題

針對潤滑不良問題，進行了專門的CAE流體仿真分析及潤滑試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 潤滑試驗結果

從潤滑試驗結果可以看出，輸出半軸墊片處（圖3中黑色油封外圍處）并沒有足夠的紅色潤滑油到達及積聚。使用臨時方案，使用外接油管為差速器墊片處增加1 L/min的潤滑油量，差速耐久試驗后進行拆解，各個零件正常，從而證明了初始的潤滑不良的推斷。因為沒有的干摩擦發生，因此沒有外接熱電偶進行局部溫度測試。

2.2 QPQ表面處理技術改進墊片摩擦

雖然通過CAE方法及潤滑試驗方法確認了潤滑不良導致的墊片燒蝕，但是由于變速器結構限制，無法提供更多的潤滑油到達此處。至此，準備采用墊片減摩的表面處理技術，進行墊片磨損失效的改進。本次案例中采用了墊片整體QPQ表面處理技術。QPQ鹽浴復合處理實現了滲氮工藝與氧化工藝的有效復合，作為一種發展歷史較短的金屬表面強化技術，它不僅對環境無害，并且金屬處理后有高的耐腐蝕性、硬度以及變形較小等優點。從滲層的顯微組織看，QPQ復合處理后零件表面還有一層氧化膜，這是其耐蝕性較好的一個重要原因[4]。

QPQ表面處理技術是通過鹽浴爐高溫融化工業用鹽，把需要處理的工件浸入熔鹽中，通過控制時間和離子濃度達到增加工件表面硬度、耐磨、防腐蝕的目的，過程中沒有三廢產生，完全可以替代現有的電鍍技術，在歐盟2017年9月停止使用電鍍后，工業規模化和復雜尺寸結構的金屬加固方面，從產能和經濟性上用鹽浴來替代的市場采用率很高。國內Xu-dong Chen等研究了QPQ表面處理后TP316H鋼在液態鈉中不同溫度下的微動磨損，結果表明，由于高硬度氮化物層，QPQ處理顯著提高了TP316H的耐磨性[5]。Zhen-bing Cai在此基礎上進一步得出多層結構可以增強QPQ表面處理后TP316H鋼耐磨性和耐腐蝕性[6]。

QPQ表面處理技術基本工藝路線見圖4。

圖4 QPQ工藝路線

其主要工藝過程為：除污清洗-預熱-鹽浴氮化-一次氧化-冷卻干燥-拋光-二次氧化-冷卻干燥-涂油包裝[7]。其中，預熱、鹽浴氮化、鹽浴氧化機理是氮碳氧復合處理技術機理。進行QPQ表面處理后的墊片如圖5所示。

圖5 QPQ工藝后墊片

3 臺架試驗驗證過程

使用改進后JL-2型濕式雙離合變速器進行差速耐久臺架試驗，臺架結構見圖6[8]。

圖6 臺架結構

按照表1工況完成試驗，對試驗后樣機進行拆解分析，結果如圖7。

圖7 試驗后零件

從試驗后的拆解結果來看，差殼與半軸墊片對比，未見磨損。至此，整個整改過程閉環。

4 結束語

目前變速器行業很多設計工程師都是從手動變速器設計進入行業的。隨著變速器行業的發展，目前已經從手動變速器發展至混動變速器及純電動變速器，對其性能要求都有著不同的提高。如果繼續使用傳統的工藝方法，就很難在變速器性能方面有著大的提升。本文中使用的QPQ表面處理技術，僅僅是一個引子，對變速器設計工程師提出了新的要求，在設計的同時必須掌握一定的先進制造及先進工藝方法，例如抗疲勞制造及半固態制造等[9,10]，才能更得心應手的進行設計，適應新式變速器行業的要求[11]。