减速箱差速器行星轮圆柱销失效分析

柴少彪 汤会芳 孟庆祥

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心， 上海 200438)

0 引言

差速器是减速箱的重要零部件，它对整车的转弯具有重要作用，由于左右车辆的转速不同，相对应的差速器半轴齿轮转速也不相同，在急转弯或车辆在高低摩擦副的路面上行驶时，半轴齿轮的转速差较大，当车辆在高低摩擦副的路面上爬坡时，如果坡道很大，两个车辆的附着系数也很大，此时，高摩擦副车轮转速很小，另一低摩擦副车轮转速很大，这导致半轴齿轮的转速差很大，同时，车辆的需求扭矩也很大，这种情形下，车辆对差速器的考核是非常苛刻的，差速器在没有转速和扭矩控制的情况下极易失效。尤其是车辆在ESP(车身电子稳定系统)标定时，由于标定软件的不成熟，差速器也极易失效。

图1 车辆在高低摩擦副路面上行驶Fig.1 Running in high friction and low friction load surface vehicle

1 差速器工作原理

在汽车上，差速器主要是开式差速器。该差速器总成是一种行星轮系，如图所示，它是由差壳、半轴齿轮、行星轮、行星轮圆柱销、行星轮定位销等零部件组成，它也符合行星轮的杠杆原理的相关定义。

传递动力的路径主要是：来自电机的动力，经过各级齿轮的传递，通过与差壳固连的主减速齿轮将动力传递到差壳上，在直线行驶时，差壳带动行星轮圆柱销圆周运动，行星轮圆柱销带动行星轮仅做公转圆周转动，行星轮与半轴齿轮啮合，从而行星轮带动半轴齿轮转动，从而驱动整车行驶；在转弯或高低摩擦副的路面上行驶时，低摩擦副的半轴齿轮转动速度较大，高摩擦副的半轴齿轮转动速度较小，此时，行星轮不仅公转还自转，这种情况下，行星轮与行星轮圆柱销之间产生滑动摩擦，行星轮与行星轮圆柱销之间的连接形式为滑动轴承，如图3所示，行星轮与行星轮圆柱销之间简化成如图3所示的滑动轴承，该滑动轴承承受转速V及力P的作用，由滑动轴承手册可知，对于某种材料而言，PV值是恒定的，即，在一定的环境下，某种材料能够承受的表面转速V(m/s)和压力P(MPa)是不变的值，也就是所在减速箱的润滑条件及相应的温度下，行星轮圆柱销与行星轮之间的相对转速和表面压力的乘积是某个常数。

图2 差速器结构Fig.2 Differential structure

图3 滑动轴承简图Fig.3 Plain bearing

其中，P=F/A，A=L×D;V=nπD/12

F——行星轮圆柱销承受的径向力，N；

L——行星轮与行星轮圆柱销接触的有效长度，m；

D——行星轮圆柱销直径，m；

n——行星轮与行星轮圆柱销的相对转速，m/s；

当车辆在高度摩擦副的坡道上行驶时，行星轮与行星轮圆柱销之间产生的热量PV值，大于材料能够承受的热量时，该摩擦副将失效。

2 失效工况

某车辆，在进行ESP标定时，差速器行星轮销轴磨损严重，行星轮定位销在较大的摩擦力作用下，发生断裂。

对失效的减速箱进行拆解分析，发现行星轮销轴磨损严重，行星轮销轴定位销已经断裂，同时，行星轮销轴在离心力作用下向外脱出。

试验车辆车轮半径0.3528 m，最大爬坡度为12%，减速箱速比为9.92，电机最大扭矩320 Nm，在整车进行ESP标定时的工况如下表所示：

图4 行星轮销轴Fig.4 Planetary spin shaft

3 失效分析

减速箱差速器试验，一般按照QC/T1022-2015进行测试，按照该测试工况得到如下测试工况，测试结果反馈试验通过，差速器总成等零部件都无失效发生。

图5 行星轮销轴定位销断裂Fig.5 Planetary spin shaft fixed spin

图6 行星轮销轴向外移动Fig.6 Planetary gear spin shaft outside position

表1 失效时车辆工况Table 1 Failure vehicle loadcase

表2 差速器低速高扭工况Table 2 Differential low speed high torque loacase

表3 差速器高速低扭工况Table 3 Differential high speed low torque loacase

按照表1整车失效工况进行台架测试，试验仍然失效。

综上可知，按照汽车行业标准进行差速器测试，测试结果是偏保守的，为了探知该差速器能够承受的PV值，需要再次测试以摸底该差速器的承载能力，结合整车实际情况，对以下工况进行测试，测试结果显示零部件没有失效，故试验通过。

结合试验结果，使用最大PV值的测试工况，按照相同PV值进行反求各个测试工况下的转速和扭矩，得到如下差速器承载能力PV值，并按照该曲线对左右车轮转速和扭矩进行控制，以避免差速器再次失效。使用该曲线对车轮进行控制后，差速器没有失效再次发生。

表4 差速能力摸底测试Table 4 Differential testes

图7 差速器PV值Fig.7 PV value of differential

4 结论

通过此次试验可以得到如下经验：

整车在进行恶劣工况测试或标定时，例如ESP标定等，需要对左右车轮的转速和扭矩进行控制，以避免减速箱差速器失效；

减速箱差速器台架试验工况较弱，在试验前期应该进行分析和测试，得知差速器的最大承载能力的PV值后再进行测试，以验证该材料的承载能力；

使用差速器PV值的承载能力限制，车辆差速器没有失效，该方法是有效的。