解析差速器半轴齿断齿因素与结构改进_变速箱测试
差速器是体现汽车性能的关键部件之一，通用汽车集团曾因差速器存在安全缺陷，在全球范围内召回30余万辆汽车。半轴齿是差速器的核心零件，其具有重合度大、传动平稳性好及承载能力大等特点。半轴齿因设计、制造及过载等原因，可能出现接触疲劳、磨损与胶合及断齿等故障，当这些故障出现时将导致差速器失效，汽车无法正常行驶，甚至出现安全事故。目前对于差速器齿轮的故障的研究较少，特别是结合金相检测和有限元分析的文献还未见系统报道。为此，本文结合工厂实例分析半轴齿失效原因并对其改进，提升产品质量，达到用户使用要求。
1. 某半轴齿制造工艺与失效形式
某差速器半轴齿轮结构设计如图1所示，该齿轮零件通过“下料→磨外圆→车锥度→加热→温锻→正火处理→抛丸处理→磷化/皂化处理→冷校→钻孔→粗车背锥→切边→精车背锥→精车内孔端面倒角→拉花键→渗碳淬火→抛丸处理→精车轴颈平面→产品终验→清洗涂油→包装”工艺制造生产。该半轴齿轮材料为20CrMnTiH，符合GB/T 5216—2004标准，其化学成分如表1所示。
通过上述工艺生产出的半轴齿轮如图2a所示，将其交予用户使用后，用户反馈有部分齿轮出现失效，其中较典型的失效齿轮见图2b、图2c所示。从图2b、图2c中可以判断该失效形式为断齿失效，是齿轮最严重的失效形式，失效后差速器不能实现差速，容易发生事故造成人员伤害。
图1 半轴齿轮零件图
图2 半轴齿轮实物图
表1 齿轮材料化学成分表
2. 失效原因分析
（1）金相分析。
本文对失效齿轮进行了热处理效果检测，数据如表2所示，该齿轮热处理符合产品技术要求。
为了准确判断断齿原因，本文还对端口进行了金相观察，如图3所示，从图3a、图3b中可以看出，该断口未见疲劳破坏。轮齿断口无宏观可见的塑性变形，放射区占断口的很大部分，微观主要为沿解理面的穿晶断裂，在图3c中可以判断出断口形貌为准解理+撕裂。上述分析表明，该齿轮未见疲劳断裂特征，为一次性断裂，断齿不是因为疲劳强度不足而断齿，无初始裂纹，齿面没有折叠，从而可以判断断齿是因为过载造成的，即齿轮强度不足造成断齿。
（2）故障再现实验及强度校核。
在分析了制造过程与半轴齿轮强度有关的数据都合理的情况下，本文通过故障再现的结果进行分析计算，验证设计强度是否满足相关要求。
驱动桥总成静扭实验的后备系数Kk=2.21；满足QC/T 534—1999驱动桥总成静扭强度后备系数Kk＞1.8；实验结果为半轴齿轮断裂，而非半轴。根据驱动桥设计原则，驱动桥传动系统中的薄弱环节应是半轴。实验结果显示半轴齿轮破坏时候的输入转矩1 670N·m，此时差速器壳的转矩为1 670×38/9=7 051.11（N·m），半轴齿轮承受的转矩为7 051.11/2=3 525.56（N·m）。根据设计经验普通的圆锥行星齿轮式差速器的转矩分配系数ε=0.55～0.6，取ε=0.6，则半轴齿轮实际能承受最大转矩为754×38/9×0.6=1 910.33（N·m），那么半轴齿轮的后备系数为3 525.56/1 910.33=1.85。查阅汽车行业标准QC/T 29108—1993，汽车驱动桥差速器行星、半轴齿轮质量分等要求合格品、一等品强度储备系数应≥2.5，因此，可得出造成半轴齿轮强度不足的根本原因在于设计强度不足。
图3 齿轮断口微观组织图
表2 失效齿轮热处理状态检测数据
（3）结构改进及有限元分析。
按驱动桥设计原则最薄弱的部件为半轴，根据与该齿轮相配合的半轴的静扭实验破坏的最大转矩后备系数2.63，那么更改结构后的半轴齿轮的后备系数至少要大于2.63，为了保证齿轮强度后备系数有一定的富余量，因此设计优化时半轴齿轮强度后备系数取K=3，半轴齿轮承受转矩为2 387.676×3=7 162（N·m），此时行星齿轮承受的转矩为7 162×25/40=4 476.25（N·m）。半轴齿轮有限元分析承受的转矩为7 162N·m时，最大应力＜980MPa。
本文采用ANSYS分析了半轴齿轮的受力情况，其结果如图4所示，其有限元分析得到的应力集中点和故障件的破坏点位置相同。结合图5所示啮合区位置模拟示意图和红丹粉检测图可以看出，应力集中点和啮合区处于同一区域，导致齿轮承载能力差。
为了提高齿轮强度，本文对齿轮结构进行了改进，如图6所示，在轮齿上下端增加了加强筋结构，并取图6中所示X、Y为控制尺寸，其有限元分析结果如图7所示。
图4 半轴齿轮有限元分析结果
当小端加强筋直径X＜44.2mm，大端加强筋厚度Y＞14.1mm时，应力点集中在大端齿顶和小端平面与面锥相交处；当小端加强筋直径X=44.2mm、Y=14.1mm时，小端平面与面锥相交处（故障件破坏点）的应力点消失，只存在大端齿顶处的应力点，此时半轴齿轮承受的转矩值为7 162N·m（按设计优化设定的目标加载的转矩），这时的最大应力点的应力值为592.9MPa，小于980MPa，有一定的强度富余量，为了保证强度有足够的富余、便于加工，在材料尽量少的情况下，X取（44.4±0.1）mm， Y取（13.9±0.1）mm。
（4）改进后的齿轮效果验证。改进后的齿轮产品如图8所示，经用户使用后，在服役期内未出现轮齿断裂失效现象，产品达到用户使用要求。
图5 啮合区示意图和红丹检测图
图6 齿轮改进后齿轮零件
图7 不同参数齿轮有限元分析结果
图8 改进后的齿轮实物图
3. 总结
（1）建立仿真模型，设定变量，将模型通过有限元分析，分析得到结果与实验结果基本一致，用于开发新产品时，作强度理论分析，可缩短开发时间，减少实验浪费，提高一次开发成功率。
（2）采用有限元分析验证齿轮设计，能有效地保证半轴齿轮设计强度，避免了变速器因此而产生故障，为今后正确设计、制造汽车变速器具有重要意义。
1. 某半轴齿制造工艺与失效形式
某差速器半轴齿轮结构设计如图1所示，该齿轮零件通过“下料→磨外圆→车锥度→加热→温锻→正火处理→抛丸处理→磷化/皂化处理→冷校→钻孔→粗车背锥→切边→精车背锥→精车内孔端面倒角→拉花键→渗碳淬火→抛丸处理→精车轴颈平面→产品终验→清洗涂油→包装”工艺制造生产。该半轴齿轮材料为20CrMnTiH，符合GB/T 5216—2004标准，其化学成分如表1所示。
通过上述工艺生产出的半轴齿轮如图2a所示，将其交予用户使用后，用户反馈有部分齿轮出现失效，其中较典型的失效齿轮见图2b、图2c所示。从图2b、图2c中可以判断该失效形式为断齿失效，是齿轮最严重的失效形式，失效后差速器不能实现差速，容易发生事故造成人员伤害。
图1 半轴齿轮零件图
图2 半轴齿轮实物图
表1 齿轮材料化学成分表
2. 失效原因分析
（1）金相分析。
本文对失效齿轮进行了热处理效果检测，数据如表2所示，该齿轮热处理符合产品技术要求。
为了准确判断断齿原因，本文还对端口进行了金相观察，如图3所示，从图3a、图3b中可以看出，该断口未见疲劳破坏。轮齿断口无宏观可见的塑性变形，放射区占断口的很大部分，微观主要为沿解理面的穿晶断裂，在图3c中可以判断出断口形貌为准解理+撕裂。上述分析表明，该齿轮未见疲劳断裂特征，为一次性断裂，断齿不是因为疲劳强度不足而断齿，无初始裂纹，齿面没有折叠，从而可以判断断齿是因为过载造成的，即齿轮强度不足造成断齿。
（2）故障再现实验及强度校核。
在分析了制造过程与半轴齿轮强度有关的数据都合理的情况下，本文通过故障再现的结果进行分析计算，验证设计强度是否满足相关要求。
驱动桥总成静扭实验的后备系数Kk=2.21；满足QC/T 534—1999驱动桥总成静扭强度后备系数Kk＞1.8；实验结果为半轴齿轮断裂，而非半轴。根据驱动桥设计原则，驱动桥传动系统中的薄弱环节应是半轴。实验结果显示半轴齿轮破坏时候的输入转矩1 670N·m，此时差速器壳的转矩为1 670×38/9=7 051.11（N·m），半轴齿轮承受的转矩为7 051.11/2=3 525.56（N·m）。根据设计经验普通的圆锥行星齿轮式差速器的转矩分配系数ε=0.55～0.6，取ε=0.6，则半轴齿轮实际能承受最大转矩为754×38/9×0.6=1 910.33（N·m），那么半轴齿轮的后备系数为3 525.56/1 910.33=1.85。查阅汽车行业标准QC/T 29108—1993，汽车驱动桥差速器行星、半轴齿轮质量分等要求合格品、一等品强度储备系数应≥2.5，因此，可得出造成半轴齿轮强度不足的根本原因在于设计强度不足。
图3 齿轮断口微观组织图
表2 失效齿轮热处理状态检测数据
（3）结构改进及有限元分析。
按驱动桥设计原则最薄弱的部件为半轴，根据与该齿轮相配合的半轴的静扭实验破坏的最大转矩后备系数2.63，那么更改结构后的半轴齿轮的后备系数至少要大于2.63，为了保证齿轮强度后备系数有一定的富余量，因此设计优化时半轴齿轮强度后备系数取K=3，半轴齿轮承受转矩为2 387.676×3=7 162（N·m），此时行星齿轮承受的转矩为7 162×25/40=4 476.25（N·m）。半轴齿轮有限元分析承受的转矩为7 162N·m时，最大应力＜980MPa。
本文采用ANSYS分析了半轴齿轮的受力情况，其结果如图4所示，其有限元分析得到的应力集中点和故障件的破坏点位置相同。结合图5所示啮合区位置模拟示意图和红丹粉检测图可以看出，应力集中点和啮合区处于同一区域，导致齿轮承载能力差。
为了提高齿轮强度，本文对齿轮结构进行了改进，如图6所示，在轮齿上下端增加了加强筋结构，并取图6中所示X、Y为控制尺寸，其有限元分析结果如图7所示。
图4 半轴齿轮有限元分析结果
当小端加强筋直径X＜44.2mm，大端加强筋厚度Y＞14.1mm时，应力点集中在大端齿顶和小端平面与面锥相交处；当小端加强筋直径X=44.2mm、Y=14.1mm时，小端平面与面锥相交处（故障件破坏点）的应力点消失，只存在大端齿顶处的应力点，此时半轴齿轮承受的转矩值为7 162N·m（按设计优化设定的目标加载的转矩），这时的最大应力点的应力值为592.9MPa，小于980MPa，有一定的强度富余量，为了保证强度有足够的富余、便于加工，在材料尽量少的情况下，X取（44.4±0.1）mm， Y取（13.9±0.1）mm。
（4）改进后的齿轮效果验证。改进后的齿轮产品如图8所示，经用户使用后，在服役期内未出现轮齿断裂失效现象，产品达到用户使用要求。
图5 啮合区示意图和红丹检测图
图6 齿轮改进后齿轮零件
图7 不同参数齿轮有限元分析结果
图8 改进后的齿轮实物图
3. 总结
（1）建立仿真模型，设定变量，将模型通过有限元分析，分析得到结果与实验结果基本一致，用于开发新产品时，作强度理论分析，可缩短开发时间，减少实验浪费，提高一次开发成功率。
（2）采用有限元分析验证齿轮设计，能有效地保证半轴齿轮设计强度，避免了变速器因此而产生故障，为今后正确设计、制造汽车变速器具有重要意义。
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