某輕型驅動橋差速器殼失效分析

黃晶晶 金光 吳乃云 梁銀銀 李凱 袁照丹

摘要：新開發的某輕型驅動橋進行總成疲勞臺架試驗時右側差速器殼斷裂，從設計和生產角度入手，借助材料分析、有限元計算和三維掃描檢測手段分別對材料、結構和制造偏差進行復核，最終找到此次差速器殼失效的主要原因是鑄造肋板處厚度和圓角尺寸超差，殼體受載后產生應力集中，最終導致差殼整體斷裂，后續針對主因進行優化后的差速器殼順利通過總成臺架試驗。

關鍵詞：差速器殼 三維建模 有限元分析 失效分析

中圖分類號：U467.3? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220342

Abstract： During the assembly fatigue bench test of a newly developed light drive axle， the right differential case fractured. Starting from the design and production perspectives， the material， structure， and manufacturing deviations were reviewed using materials analysis， Finite Element Analysis（FEA）， and 3D scanning inspection. Finally， it was found that the main cause for the failure of the differential case was the thickness and fillet size at the casting rib plate that were out of tolerance， and the stress concentration occurred after the case was loaded， which eventually caused the entire differential housing break. The differential housing optimized for the main cause passed the assembly bench test successfully.

Key words： Differential case， 3D modeling， FEA， Failure analysis

作者簡介：黃晶晶（1994—），男，助理工程師，學士學位，研究方向為傳動產品對標及性能分析。

參考文獻引用格式：

黃晶晶， 金光， 吳乃云， 等. 某輕型驅動橋差速器殼失效分析[J]. 汽車工藝與材料， 2023（5）： 9-13.

HUANG J J， JIN G， WU N Y， et al. Failure Analysis of A Lightweight Drive Axle Differential Case[J]. Automobile Technology & Material， 2023（5）： 9-13.

1 前言

驅動橋作為商用車傳動系中重要總成之一，工作時負責將變速器傳來的動力輸出到車輪，同時承載車身重力。在開發階段需要通過臺架試驗驗證產品的功能、性能和耐久性，識別設計和制造過程是否存在缺陷。

某輕型驅動橋在進行總成疲勞臺架試驗時，3件樣品按照規定的載荷工況運轉一段時間后，臺架先后報警停機，停機時的試驗次數分別為7.4萬次、9.55萬次和15.67萬次，均未達到試驗大綱要求。對樣品進行拆解后發現：2#和3#樣品右側差速器殼完全斷裂，1#樣品臺架試驗時，當振動分析儀檢測到異常振動值出現時立即停機，拆解后發現右側差速器殼筋板圓角部位出現裂紋。3件樣品的軸承、齒輪零件狀態正常。

2 失效分析

3件樣品失效形式一致，斷裂位置處于加強筋根部過渡圓角處，呈環狀分布，實物失效情況見圖1。對應于圖紙中的R3圓角處，見圖2。

部分加強筋板的宏觀斷口存在疲勞特征，但不是很明顯，顯然跟鑄鐵材質相關，疲勞源位于加強筋板過渡圓角根部，詳情如圖3所示。試驗過程中，差速器殼承受彎曲、扭轉交變載荷作用，裂紋首先出現在部分加強筋板的過渡圓角處，之后逐漸擴展直至斷裂，部分加強筋板斷裂后剩余筋板無法承受原有的載荷，從而直接斷裂。

零件實際失效情況受多方面因素影響，下面從設計和生產角度來分析此次失效的可能影響因素。

2.1 設計分析

差速器由差速器殼、行星齒輪、十字軸等零件組成，結構見圖4，起到傳遞動力、轉換動力方向和差速的作用。差速器殼受力復雜，與其連接的從動錐齒輪、差速器螺栓、十字軸、軸承、行星齒輪及齒輪墊片都會對它施加載荷[1]。

根據臺架試驗正反車極限工況和疲勞工況在有限元軟件MASTA中計算出差速器從動齒輪所受三向分力，在有限元軟件中對差速器總成進行靜載荷安全系數和疲勞載荷安全系數計算，其中差速器右殼在不同試驗工況下，不同加載位置的靜安全系數普遍在1.68以上，安全系數云圖見圖5。試驗工況下疲勞安全系數普遍在1.47以上，最小安全系數的云圖見圖6。雖然安全系數云圖中薄弱位置和試驗樣件斷裂位置一致，但安全系數均滿足設計要求。

2.2 生產分析

零件生產制造的過程實質上是實現設計規定質量的過程，生產質量直接影響產品實物性能[2]。按照設計圖紙要求，此差速器殼采用QT450-10材料鑄造成毛坯，然后機械加工出與其他部件配合的軸孔特征。接下來從裝配、尺寸和材料3個角度來復檢。

2.2.1 裝配分析

失效樣橋拆解時螺栓連接、油封、軸承零部件未見異常磨損或變形。經復測，軸承啟動力矩、差速器殼連接螺栓擰緊力矩均符合裝配參數要求。差速器殼斷裂樣品的螺旋錐齒輪部分齒面有擦傷，應該是差速器殼斷裂后主從齒輪嚙合關系破壞導致。

2.2.2 尺寸分析

將差速器殼從失效總成中拆解出來，使用三坐標測量機對其上的機加工特征（十字軸配合孔、軸承配合軸徑和行星齒輪墊片配合球孔等）進行檢測，其特征實際尺寸和形位公差值符合圖紙技術要求，機加尺寸合格。

差速器殼大部分區域為鑄造特征，表面不規則，無法使用三坐標測量機方便準確測定相關尺寸。三維掃描儀作為非接觸式三坐標測量機的一種，通過激光反射原理快速獲得物體表面數以千萬記的位置點信息，掃描精度可達到0.025 mm。為此對失效差速器殼使用三維掃描儀獲得實物表面數據，然后在測量軟件中與設計三維模型進行對比，從而確定鑄造表面質量。

下面以1#有裂紋的差速器殼為例介紹對比過程，另兩件失效樣品對比過程與之相同。首先使用三維掃描儀獲取實物表面位置信息，輸出stl格式的實物三角網格面片模型，然后將掃描數據與設計三維模型導入到專業測量軟件中進行最小二乘法對齊，實物掃描數據、設計三維模視及兩者對齊結果如圖7所示。

兩者對齊后即可比較整體及橫截面處的偏差情況，偏差結果云圖見圖8。

根據差速器右殼整體尺寸，查詢鑄件未注尺寸極限偏差標準Q/CAYT-23可知，基本尺寸在120～180 mm的球墨鑄鐵鑄件極限偏差值為±1.4 mm，為此將偏差在±1.4 mm內的區域設定為淺灰色，掃描數據相對設計三維尺寸偏差超出1.4 mm的區域用深灰色表示。由圖8可知實物加強筋板及斷裂的圓角部位相對設計三維尺寸偏差超出1.4 mm。

斷裂的R3圓角部位偏差情況較復雜：部分筋板的圓角部位整體超差；部分筋板圓角上半部位偏差合格，下半部位超差；部分筋板圓角值比設計要求小。

進一步取斷裂部位與差速器殼回轉軸線垂直的橫截面，查看截面上的筋板厚度偏差情況。其二維偏差檢測結果如圖9。

由圖9的截面統計結果可知，截面上有77.97%的區域超差，圖示區域表示有9根筋板比設計三維薄，最大偏差2.257 4 mm，取加強筋板不同部位多個點上的偏差做平均值，大部分區域平均偏差約為-2.1 mm；比理論三維模型厚的區域主要在筋板頂部，最大偏差2.311 4 mm，對筋板強度影響很小。2#差速器殼和3#差速器殼加強筋板偏差情況和1#差速器殼基本一致，2#差速器殼和3#差速器殼加強筋板大部分區域的厚度分別比設計三維模型約小1.8 mm和2.5 mm。

為驗證加強筋板制造偏差情況對結構強度的影響，將差速器右殼理論三維模型的加強筋板厚度按照偏差平均值減薄2 mm，部分筋板圓角部位按照鑄件未注尺寸下極限偏差減薄1.4 mm后進行有限元計算，此時同樣工況下，最小靜安全系數和疲勞安全系數分別減少至1.0和0.83，對應的薄弱筋板位置也發生變化，安全系數云圖見圖10。

由此可知加強筋板的制造超差對差速器殼強度影響很大，是此次差速器殼失效的主要原因之一。

2.2.3 材料分析

差速器右殼圖紙要求材料為QT450-10，對失效樣品分別進行布氏硬度和金相檢驗。3件樣品布氏硬度實測值符合標準要求，檢驗結果見表1。

金相檢驗上，3件樣品的金相指標滿足圖紙技術要求，且一致性較好，檢驗結果見表2，石墨形態和基體組織見圖11。

綜上可以得出此次臺架試驗差速器殼斷裂的主要原因：差速器殼加強筋板厚度和R3圓角部位制造尺寸超差，導致差速器殼承受載荷時部分筋板R3圓角處產生應力集中，隨著交變應力作用產生疲勞裂紋源，裂紋源進一步擴展最終導致筋板斷裂，而剩余未斷裂的筋板強度不足以承擔原有載荷，最終導致此次臺架試驗中差速器殼整體斷裂。

3 改進和驗證

針對上述失效分析結論改進差速器殼圖紙，對加強筋板厚度及R3圓角處的尺寸在圖紙中做出嚴格要求。后續對供應商重新試制的差速器殼使用三維掃描儀進行質量復檢，偏差合格后進行整橋裝配，最終裝有重新試制的差速器殼的驅動橋順利通過總成臺架試驗驗證。

4 結束語

本文以某輕型驅動橋疲勞臺架試驗時差速器殼體的失效分析為依托，從設計和制造入手，除常規的有限元計算、材料分析和三坐標尺寸檢驗外，提出一種針對鑄件尺寸檢測的一種新思路，即使用三維掃描儀快速獲得實物表面位置信息，之后在專業軟件中和設計三維模型進行對比。此種檢測方法可快速準確的識別鑄造零件各區域的偏差情況，可應用于鑄件試制質量檢測及失效分析中。

參考文獻：

[1] 劉惟信. 汽車驅動橋設計[M]. 北京： 清華大學出版社， 2003.

[2] 涂銘旌， 鄢文彬. 機械零件失效分析與預防[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993.