針對(duì)重型貨車(chē)差速器十字軸磨損燒蝕問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合QC/T 533標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輪間差速器臺(tái)架測(cè)試與市場(chǎng)故障進(jìn)行比較，但QC/T 533標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)軸間差速器做規(guī)定，作者結(jié)合用戶(hù)實(shí)車(chē)工況，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制了一種軸間差速器臺(tái)架試驗(yàn)方法，按照新方法進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試復(fù)現(xiàn)了軸間差速器十字軸磨損燒蝕的故障模式，并通過(guò)采用滾針軸承或銅套的辦法按照同樣試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，解決了十字軸磨損燒蝕的問(wèn)題。同時(shí)提出了十字軸鍍鉻、DLC涂層、AlCrN涂層、梯度滲硫等特殊涂層工藝或零件材料表面改性工藝在解決該問(wèn)題的可行性，為尋找最具綜合性?xún)r(jià)比的解決方案指出方向。

　　差速器是驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)組成中最重要的部分，其作用是將轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動(dòng)車(chē)輪并保證驅(qū)動(dòng)車(chē)輪以不同轉(zhuǎn)速做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，減少輪胎磨損。輪間差速器作用是實(shí)現(xiàn)左右車(chē)輪的傳扭及差速，軸間差速器作用是實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)橋在行駛中中橋與后橋的傳扭及差速。

　　差速器工作時(shí)，行星齒輪繞著十字軸旋轉(zhuǎn)，由于重型貨車(chē)傳遞的轉(zhuǎn)矩較大且工況復(fù)雜，十字軸與行星齒輪之間的接觸壓力大，磨損相對(duì)嚴(yán)重，尤其軸間差速器由于結(jié)構(gòu)上處于減速器上方，潤(rùn)滑效果差，故障率相對(duì)較高。十字軸與行星齒輪之間磨損造成行星齒輪與半軸齒輪接觸異常，產(chǎn)生異響，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生燒蝕、膠合在一起，甚至造成十字軸斷裂影響車(chē)輛行駛功能。

　　一、故障統(tǒng)計(jì)及失效分析

　　差速器失效的主要原因是載荷大、轉(zhuǎn)速高，路況惡劣及潤(rùn)滑不良等，目前隨著差速器殼體及墊片的改進(jìn)升級(jí)，差速器當(dāng)前主要失效模式是十字軸磨損燒蝕。在統(tǒng)計(jì)某年全年驅(qū)動(dòng)橋故障數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，十字軸與行星齒輪故障無(wú)論按索賠金額還是索賠次數(shù)都排在第二位置，見(jiàn)表1。

　　通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)百件失效的十字軸及行星齒輪，軸間差速器十字軸數(shù)量與輪間差速器十字軸(或一字軸)數(shù)量相當(dāng)，即軸間差速器十字軸故障率是輪間差速器的2倍。重點(diǎn)針對(duì)軸間差速器進(jìn)行研究，解決辦法同樣適用輪間差速器。故障模式如圖1所示。

　　二、失效原因分析

　　失效模式復(fù)現(xiàn)

　　按照QC/T 533標(biāo)準(zhǔn)第5.10條對(duì)某輪間差速器橋進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。

　　QC/T 533標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定軸間差速器的疲勞試驗(yàn)，規(guī)定按照表3參數(shù)進(jìn)行。

　　選取輪間差速器、軸間差速器各2套進(jìn)行臺(tái)架復(fù)驗(yàn)(見(jiàn)圖2)，結(jié)果見(jiàn)表4。

　　試驗(yàn)結(jié)論：輪間差速器、軸間差速器符合設(shè)計(jì)要求。差速器十字軸與行星齒輪出現(xiàn)一定磨損但未失效或膠合，故障初步得到復(fù)現(xiàn)，但沒(méi)有市場(chǎng)反饋損壞得嚴(yán)重。

　　當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)差速器評(píng)價(jià)的不足

　　按照標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)的差速器總成，量產(chǎn)裝車(chē)后仍舊故障率很高，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證的不充分、不全面，存在不足，沒(méi)有考慮極端工況的差速器使用情況。

　　1)冰雪或泥濘路面車(chē)輛打滑初期，駕駛?cè)宋茨芗皶r(shí)使用差速器而連續(xù)踩油門(mén)的工況。該工況應(yīng)區(qū)分中橋打滑和后橋打滑，中橋一側(cè)車(chē)輪打滑時(shí)中橋輪間差速器與軸間差速器同時(shí)工作，此時(shí)中橋從動(dòng)錐齒輪高速旋轉(zhuǎn)形成飛濺潤(rùn)滑，中橋軸間差速器是處于有潤(rùn)滑的工況;后橋一側(cè)車(chē)輪打滑時(shí)后橋輪間差速器與中橋軸間差速器同時(shí)工作，此時(shí)中橋從動(dòng)錐齒輪靜止，中橋軸間差速器處于無(wú)潤(rùn)滑的工況。這種高速低扭的短時(shí)工況及軸間差速器缺少潤(rùn)滑的工況需要驗(yàn)證并解決。

　　2)車(chē)輛在附著系數(shù)良好的路面重載起步時(shí)動(dòng)力對(duì)差速器總成的沖擊，尤其對(duì)電驅(qū)動(dòng)車(chē)型起步?jīng)_擊更大，同時(shí)存在驅(qū)動(dòng)與能量回收反拖時(shí)的換向沖擊。這種沖擊對(duì)十字軸早期沖擊是否產(chǎn)生磨損需要驗(yàn)證并解決。

　　3)在中橋做效率臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于阻力的作用中橋輸入轉(zhuǎn)速與貫通軸轉(zhuǎn)速始終存在微小差異，說(shuō)明軸間差速器始終處于工作狀態(tài)。在實(shí)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，即便平直道路行駛可能軸差、輪差也始終處于微動(dòng)磨損運(yùn)動(dòng)中，尤其某個(gè)輪胎出現(xiàn)磨損不均勻滾動(dòng)半徑不一致時(shí)或顛簸路況時(shí)。這種常規(guī)磨損工況當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)能夠充分驗(yàn)證。

　　三、改進(jìn)方案及驗(yàn)證

　　假設(shè)行星齒輪和半軸齒輪嚙合完美。一些普通的改進(jìn)方法，諸如提高十字軸精度、升級(jí)十字軸材料、采用內(nèi)孔修行的行星齒輪等，改善程度有限，以軸間差速器總成為研究對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。

　　軸間差速器產(chǎn)品改進(jìn)

　　方案一，在十字軸與行星齒輪之間增加銅套，銅套壁厚2.5mm，參數(shù)見(jiàn)表5。

　　方案二，在十字軸與行星齒輪之間增加滾針軸承，滾針直徑2.5mm，與銅套互換。

　　在現(xiàn)有產(chǎn)品上改進(jìn)兩種方案均，需要減小十字軸直徑或加大行星齒輪內(nèi)孔直徑。通過(guò)有限元計(jì)算臨時(shí)按十字軸直徑減小2.5mm來(lái)進(jìn)行試制樣件，為便于快速測(cè)試效果，采用了市場(chǎng)現(xiàn)有的帶保持架的滾針軸承(見(jiàn)圖3)。

　　臺(tái)架試驗(yàn)方法改進(jìn)

　　在充分考慮前述極端工況中前兩種及常規(guī)磨損工況，差速器磨損試驗(yàn)按表6進(jìn)行改進(jìn)。

　　該試驗(yàn)分為模擬打滑階段、沖擊階段、磨損階段三個(gè)階段，試驗(yàn)條件下當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩?zé)o故增加15%時(shí)，應(yīng)停止試驗(yàn)并檢查，否則直至磨損階段做完38h停止。

　　試驗(yàn)結(jié)果

　　按改進(jìn)的試驗(yàn)方法，現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品市場(chǎng)故障得以充分復(fù)現(xiàn)，銅套及滾針軸承方案滿(mǎn)足臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)表7。

　　小結(jié)

　　從試驗(yàn)結(jié)果看，量產(chǎn)產(chǎn)品在較短里程甚至檢車(chē)線(xiàn)上軸間差速器燒蝕失效的故障多數(shù)是由于車(chē)輛打滑，差速器處于高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下造成的。該狀態(tài)轉(zhuǎn)速過(guò)高，發(fā)熱量大，潤(rùn)滑油不能將熱量帶走，造成零件表面發(fā)生表面退火產(chǎn)生膠合或早期磨損，早期磨損的擴(kuò)展導(dǎo)致失效加速。

　　合金銅套具有自潤(rùn)滑功能但其表面承壓能力有限，銅對(duì)潤(rùn)滑油會(huì)產(chǎn)生腐蝕，因此在重載橋型或長(zhǎng)換油周期的橋型應(yīng)用的比較謹(jǐn)慎。滾針軸承具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，除了將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦降低摩擦系數(shù)外，滾針之間的間隙具有儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的功能，保證了潤(rùn)滑的充分。

　　滾針軸承沒(méi)有大批量應(yīng)用主要受制于裝配工藝。雖然軸承鋼材料的滾針承載能力強(qiáng)，但帶保持架的滾針軸承由于滾針數(shù)量有限，理論計(jì)算及臺(tái)架測(cè)試均無(wú)法滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭強(qiáng)度不低于1.8的要求，采用滿(mǎn)滾滾針需要在零件結(jié)構(gòu)或裝配工藝上尋找可行的解決方案。

　　為此作者發(fā)明了一種帶有滾針?lè)赖袈浣Y(jié)構(gòu)的軸間差速器結(jié)構(gòu)，在行星齒輪一端增加階梯孔過(guò)盈壓裝槽形擋圈，滾針軸承涂抹潤(rùn)滑脂后沿著行星齒輪內(nèi)孔安裝在槽形擋片的凹槽中，槽形擋片對(duì)滾針起限位作用，防止?jié)L針掉落。

　　在解決滾針裝配前提下，大批量應(yīng)用之前還需要進(jìn)行靜扭強(qiáng)度臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證十字軸、滾針、行星齒輪的靜強(qiáng)度(見(jiàn)圖4)。

　　軸間差速器的改進(jìn)及驗(yàn)證方案同樣適用于輪間差速器。

　　四、探索及展望

　　1)參照軸間差速器試驗(yàn)結(jié)果，可對(duì)輪間差速臺(tái)架測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充高速低扭及沖擊測(cè)試，更符合實(shí)車(chē)適用工況，完善后內(nèi)容見(jiàn)表8。

　　2)在不改變現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上可以考慮特殊涂層(見(jiàn)表9)，例如鍍鉻、DLC涂層、ALCrN及納米陶瓷涂層等。主要目的是通過(guò)提高十字軸表面硬度，減小表面粗糙度值，降低摩擦系數(shù)，減小磨損。目前受成本限制未能在重型貨車(chē)差速器十字軸上應(yīng)用。

　　3)目前比較前沿的技術(shù)是在十字軸表面實(shí)施梯度滲硫(見(jiàn)圖5)、滲金屬等材料表面改性工藝，也是提高表面硬度減小摩擦系數(shù)的方法。梯度滲硫的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表10。

　　金屬表面生成的硫化物主要有FeS、CrS、NiS、 MoS2等均屬于六方結(jié)構(gòu)空間群，具有優(yōu)異的固體潤(rùn)滑性能，而最新的物態(tài)放電技術(shù)是蒸汽通過(guò)氣體離子轟擊來(lái)生成滲硫?qū)?，覆蓋納米和超晶格結(jié)構(gòu)變化的多種硫化物，具有更低摩擦系數(shù)和更強(qiáng)的耐磨性能。

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　1)重型貨車(chē)差速器十字軸磨損問(wèn)題可以通過(guò)在十字軸及行星齒輪配合部位增加銅套或滾針軸承的辦法解決，滾針軸承驗(yàn)證效果優(yōu)于銅套，兩者可以做成互換方案，針對(duì)滿(mǎn)滾滾針裝配難度大的問(wèn)題給出了有效的解決方案。

　　2)本文探索并驗(yàn)證了軸間差速器臺(tái)架試驗(yàn)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充了QC/T 533標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于差速器極端工況的驗(yàn)證方法，為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)修訂提出了新的方向。

　　3)在不改變現(xiàn)有孔軸直徑的前提下提出了DLC 涂層、梯度滲硫、滲金屬等特殊的工藝研究方向，作者在后續(xù)的工作中會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證并綜合考慮量產(chǎn)解決方案。

　　4)本文為差速器總成的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提供了極具參考價(jià)值的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方案，為解決行業(yè)難題提出獨(dú)特思想。

　　參考文獻(xiàn)略.