自動(dòng)變速器差速器燒蝕故障分析

姚書濤，關(guān)崴，趙彥輝，曹維，張海俠

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

自動(dòng)變速器差速器燒蝕故障分析

姚書濤，關(guān)崴，趙彥輝，曹維，張海俠

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章通過研究自動(dòng)變速器差速器燒蝕故障的故障機(jī)理和故障工況，并通過試驗(yàn)手段在試驗(yàn)室環(huán)境下再現(xiàn)了差速器燒蝕故障，根據(jù)對差速器故障發(fā)生的機(jī)理制定了行星齒輪軸、球面墊片、差速器殼體等零部件改善和優(yōu)化的措施和方向。為差速器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒和參考。

行星齒輪軸；行星齒輪；差速器；燒結(jié)；差速器保護(hù)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.056

CLC NO.: U463.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-149-03

引言

隨著市場上自動(dòng)變速器客戶的不斷增加，各種自動(dòng)變速器的故障也時(shí)有發(fā)生，因此故障真因的分析對提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低客戶抱怨非常重要，差速器故障在自動(dòng)變速器故障中占有一定的比例，且原因比較復(fù)雜，對變速器造成的損壞非常嚴(yán)重，該故障的分析對優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。通過對差速器故障機(jī)理的研究，指出了差速器燒蝕故障的原因，為針對性的制定改善措施提供指導(dǎo)依據(jù)。

1、故障現(xiàn)象

差速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)發(fā)生差速器燒蝕故障時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)以下異常現(xiàn)象：

1、行星齒輪軸與行星輪燒結(jié)在一起；

2、差速器鎖緊銷剪斷；

3、行星齒輪軸軸向竄動(dòng)并與殼體干涉將殼體擊穿；

4、行星齒輪、半軸齒輪輪齒斷裂

5、行星齒輪軸斷裂；

6、異響。

圖1　差速器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1故障機(jī)理

上述故障現(xiàn)象中，根據(jù)差速器的結(jié)構(gòu)和工作原理判定行星齒輪軸與行星齒輪燒結(jié)在一起，是引發(fā)一系列故障現(xiàn)象的源頭，即行星齒輪與行星齒輪軸燒燒結(jié)后，為實(shí)現(xiàn)兩側(cè)輪胎的差速功能，會(huì)整體旋轉(zhuǎn)或承擔(dān)載荷，該作用力作用于鎖緊銷上，鎖緊銷被剪斷，鎖緊銷剪斷后行星齒輪軸失去軸向的約束進(jìn)而可以在軸向上竄動(dòng)，根據(jù)燒結(jié)的嚴(yán)重程度不同，后續(xù)表現(xiàn)出不同的故障現(xiàn)象，如行星齒輪軸斷裂、殼體擊穿、半軸齒輪斷齒等現(xiàn)象，所以差速器燒蝕故障的分析重點(diǎn)在于行星齒輪軸與行星輪燒蝕的原因。

1.1.1因素分析

為分析差速器行星齒輪軸與行星輪燒蝕的原因，采用因素分析的方法從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

1）裝配因素：差速器的總成裝配工藝是比較成熟可靠的，差速器總成裝配后需100%進(jìn)行檢查，所以可以排除裝配方面的因素；

2）零部件單品質(zhì)量因素：差速器內(nèi)裝配的零件損壞的比較嚴(yán)重，無法對故障件進(jìn)行測量，通過對構(gòu)成零件相近批次的零件檢測情況進(jìn)行分析，各項(xiàng)指標(biāo)均合格，且對行星齒輪軸及行星齒輪、半軸齒輪分別進(jìn)行理化分析，硬度、硬化層深度均合格，所以排除零部件單品質(zhì)量問題；

3）季節(jié)因素：根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)生故障的時(shí)間段來看，以冬季居多占67%，春秋較少占16%，夏季較少占17%，所以相對而言冬季較為突出，分析季節(jié)影響的根本因素是環(huán)境溫度，冬季環(huán)境溫度相對較低，低溫環(huán)境下，潤滑油的流動(dòng)性將變差，進(jìn)而潤滑變差，所以因季節(jié)變換引起的潤滑不良是可能因素之一；

4）地域因素：根據(jù)故障發(fā)生的地域統(tǒng)計(jì)，故障發(fā)生地有廣州、新疆、甘肅、成都、黑龍江等地域，在中國的北方、南方、中部、西部均有故障發(fā)生，且比例無明顯突出的地域和規(guī)律，所以排除地域因素；

5）行駛里程因素：該類故障變速器出現(xiàn)故障的里程沒有一定的規(guī)律，里程有3000KM的短里程故障，也有3萬公里左右的中長里程故障，所以排除行駛里程的因素；

6）客戶使用因素：通過對客戶的回訪和變速器返廠后分解檢查發(fā)現(xiàn)該類故障發(fā)生前后，車輛有陷入泥坑、泥濘路面、沙漠等非常規(guī)路面行駛的經(jīng)歷，在這些路面行駛時(shí)，對差速器是一個(gè)考驗(yàn)，所以客戶使用方面是一個(gè)可能的因素；

7）差速器自身結(jié)構(gòu)因素：從上述1～6的因素分析中，可以得出一個(gè)初步的結(jié)論，差速器燒蝕故障與潤滑和使用工況有一定的關(guān)系，根據(jù)差速器工作的原理，差速器在各種工況下工作時(shí)主要受到轉(zhuǎn)速和扭矩載荷的影響，但差速器傳遞扭矩和載荷的能力受自身結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)差速器處于較為苛刻的的差速工況下，其自身的綜合性能是否足夠，因此差速器自身結(jié)構(gòu)也是導(dǎo)致差速器燒蝕故障的一個(gè)可能因素 。

1.1.2理論分析

根據(jù)差速器運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和原理，載荷分配情況如圖2所示。

直行時(shí)差速器扭矩分配公式：

M1=M2=M0

左右半軸有轉(zhuǎn)速差時(shí)差速器扭矩分配公式：

M1=1/2×(M0-Mr)

M2=1/2×(M0+Mr)

Mr=M1-M2

說明：

M0：減速器經(jīng)差速器殼體傳遞的扭矩

M1：左半軸扭矩

M2：右半軸扭矩

Mr：內(nèi)摩擦力矩

圖2　差速器工作原理圖

通過2.1.1的因素分析，差速器行星齒輪軸與行星齒輪燒蝕在一起與差速器自身的結(jié)構(gòu)、使用工況、潤滑情況有關(guān)系，但根本原因是由于差速行駛時(shí)行星齒輪繞行星齒輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳遞的動(dòng)力有摩擦損失，在惡劣的差速工況下摩擦生熱，ATF油粘度降低，行星輪與軸之間的潤滑油膜破壞，產(chǎn)生干摩擦，摩擦損失會(huì)增加，表現(xiàn)出內(nèi)摩擦力矩增加，在試驗(yàn)過程中會(huì)表現(xiàn)出扭矩的異常波動(dòng)。

2、自動(dòng)變速器差速器燒蝕故障的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案

為進(jìn)一步找到差速器燒蝕故障的真因，通過在變速器性能試驗(yàn)臺(tái)（圖3），在變速器總成狀態(tài)下進(jìn)行模擬差速器試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如下：

圖3　變速器性能測試裝備示意圖

模擬極端差速器運(yùn)轉(zhuǎn)，將差速器位置兩端與半軸連接，半軸的另一端分別于左右臺(tái)架的電機(jī)連接，以模擬右轉(zhuǎn)彎為例，將其右端固定（圖3中所示的低速側(cè)），左端加轉(zhuǎn)速并逐步提升扭矩，按照表1和圖3的試驗(yàn)工況進(jìn)行加載，監(jiān)測半軸的扭矩變化。試驗(yàn)中，注意聲音，振動(dòng)，油溫等的變化，出現(xiàn)異常時(shí)立即中斷試驗(yàn)，進(jìn)行分解檢查。

圖4　試驗(yàn)工況

表1　試驗(yàn)工況

2.2數(shù)據(jù)分析

1）左半軸200rpm加載試驗(yàn)，逐步提升左半軸的扭矩，臺(tái)架監(jiān)測的數(shù)據(jù)如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)超出發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，通過監(jiān)測右半軸扭矩Tos未見異常，變速器運(yùn)轉(zhuǎn)無異常出現(xiàn)，由此在200rpm轉(zhuǎn)速的情況下，差速器性能滿足要求。

圖5　左半軸200rpm加載監(jiān)測數(shù)據(jù)

2）左半軸800rpm加載試驗(yàn)，逐步提升左半軸的扭矩，臺(tái)架監(jiān)測的數(shù)據(jù)如圖6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩只達(dá)到了最大扭矩的50%左右，通過監(jiān)測右半軸扭矩Tos出現(xiàn)異常的波動(dòng),內(nèi)摩擦力矩也發(fā)生波動(dòng)，變速器運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)油溫升高、振動(dòng)等異常的現(xiàn)象。

圖6　左半軸800rpm加載監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.3分解檢查

在800rpm加載試驗(yàn)中出現(xiàn)了異常，對變速器進(jìn)行分解檢查，重點(diǎn)檢查差速器的損傷情況，如圖7所示，在分解檢查中發(fā)現(xiàn)，差速器的行星齒輪與行星齒輪軸燒結(jié)在一起無法拆下，故障再現(xiàn)。

圖7　差速器燒結(jié)試驗(yàn)后分解檢查

3、結(jié)果與討論

3.1差速器燒蝕故障的原因

經(jīng)過差速器燒蝕故障的機(jī)理和試驗(yàn)?zāi)M分析可以得出結(jié)論，導(dǎo)致差速器燒蝕故障的因素主要是在極端差速工況下，特別是在高速低負(fù)荷的工況下導(dǎo)致行星齒輪與行星齒輪軸燒結(jié)在一起，進(jìn)而變速器損壞，在實(shí)際的用車工況中如：單側(cè)輪胎陷入泥坑中，在掙扎的過程中造成行星齒輪軸與行星輪燒結(jié)，行星齒輪軸燒結(jié)損傷后，在后續(xù)的運(yùn)行過程中逐步惡化，進(jìn)一步導(dǎo)致了鎖銷斷裂，行星齒輪軸竄動(dòng)，行星齒輪軸與殼體干涉，異響，殼體擊穿等異常現(xiàn)象。

3.2預(yù)防差速器燒蝕故障的措施

3.2.1差速器潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

①因提高差速器自身承載能力需增加差速器構(gòu)成零件的尺寸規(guī)格，占用空間較大，需產(chǎn)品研發(fā)初期進(jìn)行評估和綜合考慮；

②從失效的機(jī)理分析在變速器本體側(cè)的改善方案可以從改善潤滑的角度出發(fā)制定改善潤滑的方案，確保在極端差速工況下仍能確保行星輪與行星齒輪軸之間有良好的潤滑和冷卻。如：對行星齒輪軸的潤滑油槽進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)（圖8），對球面墊片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)（圖9），差速器殼體增加油槽（圖10），甚至為差速器運(yùn)轉(zhuǎn)部位設(shè)計(jì)強(qiáng)制潤滑油路，強(qiáng)制潤滑在市場現(xiàn)有的自動(dòng)變速器中已有較為成熟的運(yùn)用。

圖8　通槽行星齒輪軸

圖9　多孔球面墊片

圖10 差速器潤滑油槽

3.2.2增加差速器保護(hù)功能

為防止過度差速的工況發(fā)生，建議對變速器增加差速器保護(hù)功能當(dāng)兩側(cè)輪胎轉(zhuǎn)速差達(dá)到某一數(shù)值時(shí)開啟保護(hù)，主要有以下兩種方式：

①從變速器側(cè)考慮增加差速器保護(hù)功能，需變速器控制系統(tǒng)具有該功能模塊，整車CAN信號中包含ABS信號或輪速信號（影響CAN通信協(xié)議）；如現(xiàn)有的TCU系統(tǒng)不支持差速器保護(hù)功能，需重對底層軟件進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)差速器保護(hù)功能模塊并進(jìn)行標(biāo)定，差速器保護(hù)功,涉及到降扭請求，將對ECU系統(tǒng)產(chǎn)生影響，安全診斷需要重新設(shè)置。該方式需要再車型項(xiàng)目開發(fā)的初期進(jìn)行考慮。

②如車輛具有ESP功能車型，可間接起到差速保護(hù)作用，所以ESP功能也是差速器保護(hù)的一種手段。

[1]陳家瑞，《汽車構(gòu)造》.吉林工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社.

Automatic transmission differential ablation failure analysis

Yao Shutao, Guan Wai, Zhao Yanhui, Cao Wei, Zhang Haixia
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this article, through the automatic transmission differential ablation failure mechanism and failure mode of failureAnd through tests in laboratory environment recreates the differential ablation failure, According to the mechanism of differential failure made the planet gear shaft, such as spherical gasket, differential shell parts improvement and optimization measures and direction. To provide reference for the design of the differential optimization.

planetary gear shaft; Planetary gear; Differential; Sintering; Differential protection

U463.21 文獻(xiàn)表示碼：A

1671-7988（2016）11-149-03

姚書濤（1980-），男，高級工程師，學(xué)歷本科，研究方向自動(dòng)變速器本體方面。