磷化處理在改善新能源汽車差速器異響中的應用研究

張廣杰，龔章輝，謝志輝

（株洲齒輪有限責任公司，湖南 株洲 412000）

1 前言

2021 年，全國新能源汽車產銷367.7 萬輛，比上年增長152.5%，隨著新能源汽車滲透率的不斷提升，客戶對整車的舒適性要求也在持續提高，尤其是其中的NVH性能。為了提升整車的動力性能，同時降低動力總成的生產成本，提升競爭力，電機的轉速越來越高，電機轉速越高，尺寸越小，生產成本越低，造成近幾年量產新能源汽車的電機轉速大多在16000rpm 以上，這就對減速機的設計開發提出了更高的要求，也為減速機相關零件的生產制造帶來了更大困難。

減速機作為新能源動力系統的關鍵零部件，采用傳統的機械結構，其傳動噪音是整車異響的主要來源。其中的差速器被汽車行業稱為“小零件大功用”，在汽車轉彎或在不平路面行駛中起到調節左右輪轂轉速差的作用，避免左右車胎因行程不同造成的滑動。雖然差速器是減速器的核心零件，但是由于直接和車輪相連，轉速比較低，且正常直行時，內部齒輪沒有相對嚙合運動，很少產生異響，并不是NVH 關注的焦點。但近年來，在新能源汽車上，差速器異響問題頻發，原本在燃油車上正常使用的差速器，在新能源汽車上卻屢屢出問題。

2 異響原因

差速器的結構既簡單又智能，主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪和銷軸4 部分組成，如圖1 所示。車輛直行時，由于左右車輪轉速差很小，差速器僅僅起到傳遞動力的作用，沒有差速功能，行星齒輪和半軸齒輪間沒有相對運動，也就沒有嚙合過程，通常不會發出異響，但當車輛轉彎時，差速器左右半軸齒輪轉速不同，齒輪間就會有嚙合運動，產生嚙合噪音，此時，差速器才會對齒輪箱發出的噪音有貢獻。通常情況下，整車下線時，檢驗人員會采用繞八字彎的方式檢測差速器的性能，如圖2 所示。

圖1 差速器結構

圖2 八字彎試驗

差速器的行星齒輪和半軸齒輪通常采用精鍛工藝，如圖3 所示，齒輪的輪齒精度主要靠模具保證，一致性較好。但模具在加工過程中會有缺陷，在使用過程中會有磨損，這些偏差都會直接反應在輪齒的齒面上，進而影響嚙合效果，而這些缺陷和磨損都屬于微觀層面。錐齒輪精度測量較為復雜，一般通過測量接觸斑點進行間接檢測，而接觸斑點屬于宏觀測量，不能真實反映輪齒的實際精度情況。我們對一組異響齒輪進行了精度和接觸斑點的測量，如圖4～5 所示。

圖3 行星半軸齒輪工藝

圖4 未磷化異響行星齒輪精度

圖5 未磷化行星齒輪和半軸齒輪接觸區

從齒輪精度圖來看，齒形有一定偏差，但從接觸斑點看，接觸區偏小端且未出現齒頂或齒根干涉情況，接觸區占比在60%以上，屬于較好的接觸。但從整車噪音map 圖和振動切片圖來看，車內異響為寬頻沖擊“噠噠”聲，而異響與差速器及軸頭位置振動時間及頻率對應，且減速器位置振動量級高于軸頭，差速器噪聲在25～45dB范圍波動，如圖6～7 所示。

圖6 整車及差速器噪音MAP 圖

針對此問題，需要對模具重新調整，對齒形修正并進行驗證，周期長，成本高，本文嘗試采用磷化方案對齒輪的接觸進行微調。

磷化是一種化學與電化學反應形成磷酸鹽化學轉化膜的過程，所形成的磷酸鹽轉化膜稱之為磷化膜。磷化的目的主要是：給基體金屬提供保護，在一定程度上防止金屬被腐蝕；用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力；在金屬冷加工工藝中起減摩潤滑作用。本文主要用到的是磷化膜的減摩潤滑功能。

磷化處理后的零件尺寸會有0.002～0.01mm 左右的變化，相當于對輪齒表面進行了微觀修形，并且粗糙度會有0.001～0.003mm 的降低，粗糙度的下降，使得齒輪表面有一些空隙，可以儲存潤滑油，因磷化膜多孔存儲潤滑油的特性，浸油后具有更好的潤滑效果。

此外，由于小輪軸向誤差和大輪軸向誤差都能引起接觸斑點往齒頂或者齒根移動，且小輪軸向誤差相對大輪軸向誤差對接觸斑點的移動更加敏感，只對小輪進行磷化即可。事實證明，僅磷化大輪并不能改善差速器異響問題。

3 實驗驗證

針對上文中的異響差速器齒輪，我們對其中的行星齒輪進行了磷化，磷化要求如圖7 所示，并進行了精度和接觸斑點檢測，如圖8～9 所示。從精度圖中可以看出，磷化后的齒輪、齒根和齒頂的偏差都有一定的改變，齒頂變化較大，但從接觸斑點上看，并沒有根本性的差異。

圖7 整車及差速器振動切片圖

圖8 磷化后的行星齒輪精度

圖9 磷化行星齒輪和未磷化半軸齒輪接觸區

重新上車進行了NVH 測試，測試結果如圖10～11 所示。從圖中可以看出，差速器噪聲在25～38dB 之間波動，較磷化前的噪聲波動幅度下降了7dB，且低頻的“噠噠”聲消失。

圖10 整車及差速器噪音MAP 圖

圖11 整車及差速器振動切片圖

4 結語

從實驗結果來看，對齒輪磷化處理具有改變輪齒齒面形狀的功能，對差速器行星齒輪的磷化，能夠有效解決差速器異響，并可以彌補模具缺陷，延長模具使用壽命。類似的表面處理方法是否具有相同功能，需要進一步研究。