新能源汽車平行軸減速器靜扭試驗(yàn)分析

鄭顯良，劉紅國(guó)，吳海龍

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011)

0 引言

減速器是新能源汽車中傳動(dòng)部件的重要組成部分，能將電機(jī)的輸出扭矩通過(guò)減速器增扭，傳送到輸出軸，從而帶動(dòng)汽車輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。減速器的傳動(dòng)性能直接影響到了汽車的效率、平穩(wěn)性及驅(qū)動(dòng)動(dòng)力等方面[1]。

減速器的最大傳動(dòng)扭矩直接受其機(jī)體材料、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、齒輪性能等方面的影響。通過(guò)試驗(yàn)分析減速器的最大靜扭扭矩，確保減速器在運(yùn)行中可靠工作[2-3]。

1 減速器的介紹

試驗(yàn)的對(duì)象是一個(gè)新能源乘用車二級(jí)傳動(dòng)的平行軸減速器，如圖1所示。

圖1 某乘用車減速器

輸入端為花鍵軸配合輸入，輸出端為差速器連接兩半軸進(jìn)行輸出，支撐軸承均為球軸承。

該減速器設(shè)計(jì)額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)，如表1所示。在設(shè)計(jì)之初，對(duì)各零部件進(jìn)行了強(qiáng)度和壽命校核，均在設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，其中各關(guān)鍵零部件能承受的靜扭強(qiáng)度均在2.5倍最大輸入扭矩以上，部分零部件達(dá)到3倍以上。

表1 減速器性能參數(shù)

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)方法

減速器輸入端通過(guò)轉(zhuǎn)接工裝、萬(wàn)用聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行連接，差速器輸出內(nèi)花鍵與兩輸出半軸進(jìn)行連接，并固定在工裝座上，如圖2所示。

圖2 減速器靜扭試驗(yàn)臺(tái)

通過(guò)電機(jī)施加驅(qū)動(dòng)扭矩，并勻速增大輸入扭矩，直至發(fā)生異常失效，并進(jìn)行分析。

圖3為輸入電機(jī)加載過(guò)程曲線，驅(qū)動(dòng)扭矩第一次峰值為657 N·m時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角73.1°，減速器內(nèi)發(fā)生崩斷聲響，并且驅(qū)動(dòng)扭矩卸載至400 N·m左右。繼續(xù)對(duì)輸入端進(jìn)行加載，驅(qū)動(dòng)扭矩第二次峰值達(dá)到814 N·m時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角為114.5°，減速器內(nèi)再次發(fā)生崩斷聲響，并且驅(qū)動(dòng)扭矩卸載至613 N·m左右。再次對(duì)輸入端進(jìn)行加載，驅(qū)動(dòng)扭矩第三次達(dá)到峰值827 N·m，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角為125.1°，減速器內(nèi)第三次發(fā)生崩斷聲響，驅(qū)動(dòng)扭矩卸載至570 N·m。此時(shí)停止靜扭試驗(yàn)，并準(zhǔn)備進(jìn)行拆檢分析。

圖3 靜扭試驗(yàn)加載曲線

2.2 試驗(yàn)初步分析

在靜扭試驗(yàn)過(guò)程中，減速器箱體軸承孔受軸承的擠壓力、輪齒受嚙合處的彎曲力，傳動(dòng)軸受彎曲力，軸承受傳動(dòng)軸的擠壓力，差速器殼體內(nèi)部錐齒輪受嚙合處的彎曲應(yīng)力等。故靜扭試驗(yàn)持續(xù)加載可導(dǎo)致一個(gè)或數(shù)個(gè)不同部件的不同部位發(fā)生失效，該試驗(yàn)在驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)125.1°的范圍內(nèi)，產(chǎn)生了3次扭矩峰值，并伴隨有3次的崩斷聲響。故可判斷至少應(yīng)有3個(gè)部位發(fā)生了崩斷或失效。

3 試驗(yàn)拆檢及分析

3.1 拆檢情況

減速器從試驗(yàn)臺(tái)拆下后，輸入軸可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)差速器軸轉(zhuǎn)動(dòng)，差速器兩輸出半軸能朝同一方向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能進(jìn)行差速，故初步判斷該減速器傳動(dòng)齒輪輪齒未失效及斷裂，失效部位為差速器內(nèi)部。

拆檢發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)齒輪輪齒根部未有裂痕，參與嚙合的齒面處未有明顯的擠壓痕跡；各軸承旋轉(zhuǎn)順滑，未有卡滯等明顯的異常情況；箱體軸承孔等部位未有壓痕及變形；各傳動(dòng)軸未見(jiàn)裂痕及變形。說(shuō)明該減速器的傳動(dòng)齒輪、軸承、箱體、傳動(dòng)軸等在承受靜扭時(shí)強(qiáng)度足夠。

差速器殼體未見(jiàn)明顯的變形及失效，如圖4所示。拆解差速器，發(fā)現(xiàn)差速器兩半軸齒輪的輪齒有裂紋，并將該差速器齒輪進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)探傷。其中半軸齒輪Ⅰ有兩處裂紋，位于與兩行星齒輪嚙合位置，裂紋①處齒根部?jī)傻懒鸭y很大，裂縫清晰可見(jiàn)，裂縫沿輪齒根部裂開(kāi)，齒端面、齒側(cè)面也存在裂紋，如圖5所示；裂紋②處裂紋較小，肉眼難以發(fā)現(xiàn)，裂紋存在兩個(gè)齒的齒根部和側(cè)面，如圖6所示。半軸齒輪Ⅱ有也兩處裂紋，也位于與兩行星齒輪嚙合位置，裂紋①處齒根部?jī)傻懒鸭y很明顯，肉眼可見(jiàn)，齒端面也有一道裂紋，如圖7所示；裂紋②處裂紋較明顯，肉眼可見(jiàn)，齒根部、齒端面和齒側(cè)面均有裂紋，如圖8所示。行星齒輪有一處裂紋，裂紋不明顯，肉眼無(wú)法看清楚，在熒光磁粉探傷下能發(fā)現(xiàn)，裂紋在齒端面上，如圖9所示。裂紋從大到小順序?yàn)椋喊胼S齒輪Ⅰ裂紋①、半軸齒輪Ⅱ裂紋①、半軸齒輪Ⅱ裂紋②、半軸齒輪Ⅰ裂紋②、行星齒Ⅰ輪裂紋。

圖4 差速器

圖5 半軸齒輪Ⅰ裂紋①

圖6 半軸齒輪Ⅰ裂紋②

圖7 半軸齒輪Ⅱ裂紋①

圖8 半軸齒輪Ⅱ裂紋②

圖9 行星齒輪Ⅰ裂紋

3.2 失效分析

3.2.1 原因分析

齒面和齒根部產(chǎn)生的裂紋，均為彎曲斷裂裂紋。在靜扭試驗(yàn)中，差速器通過(guò)其行星齒輪與半軸齒輪靜嚙合，將扭矩傳遞給半軸齒輪再傳遞到固定工裝。故在此過(guò)程中，嚙合處的輪齒主要承受彎曲應(yīng)力，因而輪齒嚙合處容易產(chǎn)生彎曲折斷。

靜扭加載產(chǎn)生3次扭矩峰值的原因是：差速器錐齒輪每次都是有4對(duì)以上錐齒輪參與嚙合。第一次達(dá)到扭矩峰值時(shí)，參與嚙合的一個(gè)半軸齒輪輪齒根部崩裂，隨后驅(qū)動(dòng)扭矩卸載。第二次重新加載，第一個(gè)崩裂的半軸齒輪輪齒受載崩裂處繼續(xù)擴(kuò)大，同時(shí)擠壓另三個(gè)齒輪，直至其中一個(gè)輪齒崩裂，隨后驅(qū)動(dòng)扭矩卸載，第三次同第二次原理，擠壓另兩個(gè)齒輪，直至第三個(gè)輪齒崩裂。

3.2.2 斷口分析

該差速器半軸齒輪和行星齒輪材料均為20CrMo滲碳淬火鋼，表面硬度要求為58～62 HRC，芯部硬度要求為30～42 HRC。進(jìn)行解剖分析，檢測(cè)結(jié)果如表2所示，均符合設(shè)計(jì)要求。

表2 差速器齒輪金相硬度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)失效最嚴(yán)重的半軸齒輪Ⅰ裂紋①(圖5)進(jìn)行斷口分析，齒根處裂紋開(kāi)裂嚴(yán)重，存在5條裂紋，裂紋處均無(wú)明顯塑性變形，其中兩條位于齒根根部，一條裂紋位于靠近內(nèi)花鍵齒根過(guò)渡處，另外一條裂紋位于齒槽外側(cè)邊緣的齒根過(guò)渡處，齒槽外側(cè)邊緣厚度較薄，尤其與輪齒過(guò)渡處厚度最小。另外3條較小的裂紋存在于齒端面和齒側(cè)面。

將其中一條齒槽外側(cè)邊緣齒根過(guò)渡處開(kāi)口較大的裂紋線切割取出，人工將其打開(kāi)，打開(kāi)斷口宏觀形貌如圖10所示，斷口整體呈銀灰色金屬光澤，存在明顯放射狀條紋，由放射狀條紋聚斂方向可知，裂紋源于齒槽外側(cè)邊緣與輪齒過(guò)渡的倒角處，該處厚度最薄。圖11—14所示為裂紋源，圖13(即圖11中斷口Ⅰ區(qū))微觀形貌為沿晶形貌，斷裂源處倒角表面機(jī)加工痕較深，未見(jiàn)夾渣、疏松和老舊裂紋缺陷特征。圖14(即圖11中斷口Ⅱ區(qū))微觀形貌，以韌窩形貌為主。

圖10 人工打開(kāi)后斷口宏觀形貌

圖11 斷口微觀形貌(一)

圖12 斷口微觀形貌(二)

圖13 微觀斷口形貌(圖11中Ⅰ區(qū))

圖14 微觀斷口形貌(圖11中Ⅱ區(qū))

切取完整齒槽外側(cè)邊緣與輪齒過(guò)渡的倒角截面試樣進(jìn)行金相檢查，金相如圖15所示，根據(jù)GB/T 10561—2005評(píng)定其非金屬夾雜物級(jí)別為：A1.0，D0.5，說(shuō)明其材質(zhì)純凈度較好。

圖15 基體非金屬夾雜物微觀形貌

綜上分析，齒輪裂紋具有過(guò)載脆性開(kāi)裂特征，裂紋源位于結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的齒槽外側(cè)邊緣與輪齒過(guò)渡的倒角處，斷裂源處未見(jiàn)夾渣、疏松和老舊裂紋缺陷。

3.2.3 安全系數(shù)

該減速器的靜扭安全系數(shù)為

S=M/Mmax=667/260=2.56

式中：Mmax為減速器最大輸入扭矩，M為減速器發(fā)生失效時(shí)的扭矩。

根據(jù)QC/T 1022—2015《純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》5.2.9中規(guī)定的靜扭強(qiáng)度后備系數(shù)應(yīng)不小于2.5，得出該安全系數(shù)符合設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)論

(1)靜扭試驗(yàn)差速器內(nèi)部的齒輪發(fā)生了崩裂失效，其余零部件均正常。

(2)差速器半軸齒輪、行星齒輪金相、硬度均符合設(shè)計(jì)要求，崩裂斷口為脆性斷裂。

(3)該減速器靜扭試驗(yàn)，扭矩安全系數(shù)為2.56，符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)減速器進(jìn)行靜扭試驗(yàn)及分析，反映出了該減速器的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品的性能提供基礎(chǔ)。