某車型差速器路試斷裂故障分析及改進

徐勝軍 韓軍偉 王志浩

摘? 要：彈性擋圈是一種重要的機械緊固件，其在高轉速下的工作性能直接影響動力傳動系統運行的可靠性。針對某款純電動汽車路試過程中減速器零部件斷裂問題進行原因調查，通過有限元方法調整行星齒輪軸油槽結構降低應力集中風險，理論分析行星齒輪軸與彈性擋圈配合失效模式并改進彈性擋圈結構型式，降低差速器軸承壓裝力防止彈性擋圈早期脫落失效措施，解決了該問題。

關鍵詞：彈性擋圈? 差速器? 殼體? 行星齒輪軸

中圖分類號：V46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0025-04

Abstract： External circlip is a very important mechanical fastener， its service performance at high rotational speed directly affects the reliability of powertrain system? operation. Investigation is carried out for cause of? an? electric vehicle reducer parts fracture? during the road test. Adjusting the oil groove structure of the planetary gear shaft to reduce the risk of stress concentration by finite element method， analyzing the failure mode of the planetary gear shaft and the circlip to improve the structure of the circlip， reducing the pressure of the differential bearing to prevent the early failure， which solves the problem finaly.

Key Words： Cirolip; differential; Casing; Planetary gear shaft

汽車差速器是驅動橋的重要部件，其功能使左右車輪能以不同的轉速滾動行駛，將主減速器傳遞來的扭矩平均分給兩半軸，滿足汽車行駛需要。差速器主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪、彈性擋圈、調整墊片、軸承以及行星齒輪軸等組成。行星齒輪軸的作用是將轉矩傳給行星齒輪，實現轉矩分配，從而使車輪實現差速運轉，在運行過程中，行星齒輪軸承受扭轉力和彎曲力。彈性擋圈又稱為軸用卡簧，是一種重要的機械緊固件，其在高轉速下的工作性能直接影響動力傳動系統運行的可靠性。

某款純電動汽車在路試進行過程中發生多次減速器斷裂故障：行駛到1 301km后，強化試驗段時整車有頓挫感，切換到加速工況時，右轉有異響，將車開回修理廠進行舉升機檢查，發現減速器前殼體、差速器行星齒輪軸、行星齒輪彈性擋圈多處斷裂，如圖1所示。路試工況如下：鹽城試驗場強化4 680km，城市980km，山坡1 080km，高速8 040km，變速7 080km，分成60個循環試驗。

本文通過行星齒輪軸、彈性擋圈材料力學性能檢測、行星齒輪軸簡化模型受力分析、彈性擋圈配合理論失效模式分析等手段對此故障原因進行逐一排查，并為解決此故障提出最終的改善方案。

1? 故障原因分析及改進

1.1 材料力學性能檢測

采用維氏硬度計測量斷裂行星齒輪軸、彈性擋圈的表面硬度、基體硬度，檢測前先用標準試塊進行校準。

經過檢測，行星齒輪軸化學成分20CrMnTi，芯部硬度HRC值要求30～45，實測HRC值為42，芯部硬度合格;表面硬度要求HRC值58～65，實測值HRC值58.5。行星齒輪彈性擋圈，材料65Mn，硬度要求HRC值47～54，實測硬度值49、48.5、52、51，硬度均滿足設計要求，材質因素導致故障的可能排除。

1.2 行星齒輪軸受力分析及改進

按照純電動汽車電機最大輸入扭矩280N·m，速比7.81，傳動效率100%計算，差速器端輸入扭矩2187N·m。行星齒輪軸在運行過程中，可以簡化為一根兩端受扭矩的梁，如圖2所示，力F1、F2組成一個扭矩M1，力F3與F4組成一個扭矩M2，根據軸長尺寸計算得到兩個扭矩大小等于2187N·m，方向相反。

由于力矩M1和M2大小相等方向相反，因此在有限元模型中，將F1、F4處采用固定約束，在F2、F3處加載38531N的力，力平均加載到節點上。有限元結果如圖3所示，行星齒輪軸油槽位置明顯存在應力集中區域，最大Von Misses應力470MPa，低于行星齒輪軸材料（20CrMnTi）屈服強度835MPa，安全系數1.78，靜強度滿足設計要求。

為了降低應力集中風險，采用同樣的有限元邊界條件，行星齒輪軸無油槽結構分析結果如圖4所示，應力集中位置Von Misses最大應力值428MPa，相比改進前，降低了42MPa。

行星齒輪軸取消油槽降低應力集中風險，并且同時保證滿足潤滑條件下，沖擊功能力由144J提升到271J，增強了行星齒輪軸抗沖擊性能，實物照片如圖5所示。