差速器是體現(xiàn)汽車性能的關鍵部件之一，通用汽車集團曾因差速器存在安全缺陷，在全球范圍內(nèi)召回30余萬輛汽車。半軸齒是差速器的核心零件，其具有重合度大、傳動平穩(wěn)性好及承載能力大等特點。半軸齒因設計、制造及過載等原因，可能出現(xiàn)接觸疲勞、磨損與膠合及斷齒等故障，當這些故障出現(xiàn)時將導致差速器失效，汽車無法正常行駛，甚至出現(xiàn)安全事故。目前對于差速器齒輪的故障的研究較少，特別是結(jié)合金相檢測和有限元分析的文獻還未見系統(tǒng)報道。為此，本文結(jié)合工廠實例分析半軸齒失效原因并對其改進，提升產(chǎn)品質(zhì)量，達到用戶使用要求。

1. 某半軸齒制造工藝與失效形式

某差速器半軸齒輪結(jié)構(gòu)設計如圖1所示，該齒輪零件通過“下料→磨外圓→車錐度→加熱→溫鍛→正火處理→拋丸處理→磷化/皂化處理→冷校→鉆孔→粗車背錐→切邊→精車背錐→精車內(nèi)孔端面倒角→拉花鍵→滲碳淬火→拋丸處理→精車軸頸平面→產(chǎn)品終驗→清洗涂油→包裝”工藝制造生產(chǎn)。該半軸齒輪材料為20CrMnTiH，符合GB/T 5216—2004標準，其化學成分如表1所示。
通過上述工藝生產(chǎn)出的半軸齒輪如圖2a所示，將其交予用戶使用后，用戶反饋有部分齒輪出現(xiàn)失效，其中較典型的失效齒輪見圖2b、圖2c所示。從圖2b、圖2c中可以判斷該失效形式為斷齒失效，是齒輪最嚴重的失效形式，失效后差速器不能實現(xiàn)差速，容易發(fā)生事故造成人員傷害。


圖1 半軸齒輪零件圖


圖2 半軸齒輪實物圖


表1 齒輪材料化學成分表

2. 失效原因分析

（1）金相分析。

本文對失效齒輪進行了熱處理效果檢測，數(shù)據(jù)如表2所示，該齒輪熱處理符合產(chǎn)品技術要求。

為了準確判斷斷齒原因，本文還對端口進行了金相觀察，如圖3所示，從圖3a、圖3b中可以看出，該斷口未見疲勞破壞。輪齒斷口無宏觀可見的塑性變形，放射區(qū)占斷口的很大部分，微觀主要為沿解理面的穿晶斷裂，在圖3c中可以判斷出斷口形貌為準解理+撕裂。上述分析表明，該齒輪未見疲勞斷裂特征，為一次性斷裂，斷齒不是因為疲勞強度不足而斷齒，無初始裂紋，齒面沒有折疊，從而可以判斷斷齒是因為過載造成的，即齒輪強度不足造成斷齒。

（2）故障再現(xiàn)實驗及強度校核。

在分析了制造過程與半軸齒輪強度有關的數(shù)據(jù)都合理的情況下，本文通過故障再現(xiàn)的結(jié)果進行分析計算，驗證設計強度是否滿足相關要求。

驅(qū)動橋總成靜扭實驗的后備系數(shù)Kk=2.21；滿足QC/T 534—1999驅(qū)動橋總成靜扭強度后備系數(shù)Kk＞1.8；實驗結(jié)果為半軸齒輪斷裂，而非半軸。根據(jù)驅(qū)動橋設計原則，驅(qū)動橋傳動系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)應是半軸。實驗結(jié)果顯示半軸齒輪破壞時候的輸入轉(zhuǎn)矩1 670N·m，此時差速器殼的轉(zhuǎn)矩為1 670×38/9=7 051.11（N·m），半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7 051.11/2=3 525.56（N·m）。根據(jù)設計經(jīng)驗普通的圓錐行星齒輪式差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)ε=0.55～0.6，取ε=0.6，則半軸齒輪實際能承受最大轉(zhuǎn)矩為754×38/9×0.6=1 910.33（N·m），那么半軸齒輪的后備系數(shù)為3 525.56/1 910.33=1.85。查閱汽車行業(yè)標準QC/T 29108—1993，汽車驅(qū)動橋差速器行星、半軸齒輪質(zhì)量分等要求合格品、一等品強度儲備系數(shù)應≥2.5，因此，可得出造成半軸齒輪強度不足的根本原因在于設計強度不足。


圖3 齒輪斷口微觀組織圖


表2 失效齒輪熱處理狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)

（3）結(jié)構(gòu)改進及有限元分析。

按驅(qū)動橋設計原則最薄弱的部件為半軸，根據(jù)與該齒輪相配合的半軸的靜扭實驗破壞的最大轉(zhuǎn)矩后備系數(shù)2.63，那么更改結(jié)構(gòu)后的半軸齒輪的后備系數(shù)至少要大于2.63，為了保證齒輪強度后備系數(shù)有一定的富余量，因此設計優(yōu)化時半軸齒輪強度后備系數(shù)取K=3，半軸齒輪承受轉(zhuǎn)矩為2 387.676×3=7 162（N·m），此時行星齒輪承受的轉(zhuǎn)矩為7 162×25/40=4 476.25（N·m）。半軸齒輪有限元分析承受的轉(zhuǎn)矩為7 162N·m時，最大應力＜980MPa。

本文采用ANSYS分析了半軸齒輪的受力情況，其結(jié)果如圖4所示，其有限元分析得到的應力集中點和故障件的破壞點位置相同。結(jié)合圖5所示嚙合區(qū)位置模擬示意圖和紅丹粉檢測圖可以看出，應力集中點和嚙合區(qū)處于同一區(qū)域，導致齒輪承載能力差。

為了提高齒輪強度，本文對齒輪結(jié)構(gòu)進行了改進，如圖6所示，在輪齒上下端增加了加強筋結(jié)構(gòu)，并取圖6中所示X、Y為控制尺寸，其有限元分析結(jié)果如圖7所示。


圖4 半軸齒輪有限元分析結(jié)果

當小端加強筋直徑X＜44.2mm，大端加強筋厚度Y＞14.1mm時，應力點集中在大端齒頂和小端平面與面錐相交處；當小端加強筋直徑X=44.2mm、Y=14.1mm時，小端平面與面錐相交處（故障件破壞點）的應力點消失，只存在大端齒頂處的應力點，此時半軸齒輪承受的轉(zhuǎn)矩值為7 162N·m（按設計優(yōu)化設定的目標加載的轉(zhuǎn)矩），這時的最大應力點的應力值為592.9MPa，小于980MPa，有一定的強度富余量，為了保證強度有足夠的富余、便于加工，在材料盡量少的情況下，X?。?4.4±0.1）mm， Y?。?3.9±0.1）mm。

（4）改進后的齒輪效果驗證。改進后的齒輪產(chǎn)品如圖8所示，經(jīng)用戶使用后，在服役期內(nèi)未出現(xiàn)輪齒斷裂失效現(xiàn)象，產(chǎn)品達到用戶使用要求。



圖5 嚙合區(qū)示意圖和紅丹檢測圖


圖6 齒輪改進后齒輪零件


圖7 不同參數(shù)齒輪有限元分析結(jié)果


圖8 改進后的齒輪實物圖

3. 總結(jié)

（1）建立仿真模型，設定變量，將模型通過有限元分析，分析得到結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，用于開發(fā)新產(chǎn)品時，作強度理論分析，可縮短開發(fā)時間，減少實驗浪費，提高一次開發(fā)成功率。

（2）采用有限元分析驗證齒輪設計，能有效地保證半軸齒輪設計強度，避免了變速器因此而產(chǎn)生故障，為今后正確設計、制造汽車變速器具有重要意義。