磷化處理在改善新能源汽車差速器異響中的應(yīng)用研究

張廣杰，龔章輝，謝志輝

（株洲齒輪有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412000）

1 前言

2021 年，全國新能源汽車產(chǎn)銷367.7 萬輛，比上年增長152.5%，隨著新能源汽車滲透率的不斷提升，客戶對整車的舒適性要求也在持續(xù)提高，尤其是其中的NVH性能。為了提升整車的動(dòng)力性能，同時(shí)降低動(dòng)力總成的生產(chǎn)成本，提升競爭力，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，尺寸越小，生產(chǎn)成本越低，造成近幾年量產(chǎn)新能源汽車的電機(jī)轉(zhuǎn)速大多在16000rpm 以上，這就對減速機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提出了更高的要求，也為減速機(jī)相關(guān)零件的生產(chǎn)制造帶來了更大困難。

減速機(jī)作為新能源動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，采用傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)噪音是整車異響的主要來源。其中的差速器被汽車行業(yè)稱為“小零件大功用”，在汽車轉(zhuǎn)彎或在不平路面行駛中起到調(diào)節(jié)左右輪轂轉(zhuǎn)速差的作用，避免左右車胎因行程不同造成的滑動(dòng)。雖然差速器是減速器的核心零件，但是由于直接和車輪相連，轉(zhuǎn)速比較低，且正常直行時(shí)，內(nèi)部齒輪沒有相對嚙合運(yùn)動(dòng)，很少產(chǎn)生異響，并不是NVH 關(guān)注的焦點(diǎn)。但近年來，在新能源汽車上，差速器異響問題頻發(fā)，原本在燃油車上正常使用的差速器，在新能源汽車上卻屢屢出問題。

2 異響原因

差速器的結(jié)構(gòu)既簡單又智能，主要由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪和銷軸4 部分組成，如圖1 所示。車輛直行時(shí)，由于左右車輪轉(zhuǎn)速差很小，差速器僅僅起到傳遞動(dòng)力的作用，沒有差速功能，行星齒輪和半軸齒輪間沒有相對運(yùn)動(dòng)，也就沒有嚙合過程，通常不會(huì)發(fā)出異響，但當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，差速器左右半軸齒輪轉(zhuǎn)速不同，齒輪間就會(huì)有嚙合運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生嚙合噪音，此時(shí)，差速器才會(huì)對齒輪箱發(fā)出的噪音有貢獻(xiàn)。通常情況下，整車下線時(shí)，檢驗(yàn)人員會(huì)采用繞八字彎的方式檢測差速器的性能，如圖2 所示。

圖1 差速器結(jié)構(gòu)

圖2 八字彎試驗(yàn)

差速器的行星齒輪和半軸齒輪通常采用精鍛工藝，如圖3 所示，齒輪的輪齒精度主要靠模具保證，一致性較好。但模具在加工過程中會(huì)有缺陷，在使用過程中會(huì)有磨損，這些偏差都會(huì)直接反應(yīng)在輪齒的齒面上，進(jìn)而影響嚙合效果，而這些缺陷和磨損都屬于微觀層面。錐齒輪精度測量較為復(fù)雜，一般通過測量接觸斑點(diǎn)進(jìn)行間接檢測，而接觸斑點(diǎn)屬于宏觀測量，不能真實(shí)反映輪齒的實(shí)際精度情況。我們對一組異響齒輪進(jìn)行了精度和接觸斑點(diǎn)的測量，如圖4～5 所示。

圖3 行星半軸齒輪工藝

圖4 未磷化異響行星齒輪精度

圖5 未磷化行星齒輪和半軸齒輪接觸區(qū)

從齒輪精度圖來看，齒形有一定偏差，但從接觸斑點(diǎn)看，接觸區(qū)偏小端且未出現(xiàn)齒頂或齒根干涉情況，接觸區(qū)占比在60%以上，屬于較好的接觸。但從整車噪音map 圖和振動(dòng)切片圖來看，車內(nèi)異響為寬頻沖擊“噠噠”聲，而異響與差速器及軸頭位置振動(dòng)時(shí)間及頻率對應(yīng)，且減速器位置振動(dòng)量級高于軸頭，差速器噪聲在25～45dB范圍波動(dòng)，如圖6～7 所示。

圖6 整車及差速器噪音MAP 圖

針對此問題，需要對模具重新調(diào)整，對齒形修正并進(jìn)行驗(yàn)證，周期長，成本高，本文嘗試采用磷化方案對齒輪的接觸進(jìn)行微調(diào)。

磷化是一種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的過程，所形成的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜稱之為磷化膜。磷化的目的主要是：給基體金屬提供保護(hù)，在一定程度上防止金屬被腐蝕；用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力；在金屬冷加工工藝中起減摩潤滑作用。本文主要用到的是磷化膜的減摩潤滑功能。

磷化處理后的零件尺寸會(huì)有0.002～0.01mm 左右的變化，相當(dāng)于對輪齒表面進(jìn)行了微觀修形，并且粗糙度會(huì)有0.001～0.003mm 的降低，粗糙度的下降，使得齒輪表面有一些空隙，可以儲(chǔ)存潤滑油，因磷化膜多孔存儲(chǔ)潤滑油的特性，浸油后具有更好的潤滑效果。

此外，由于小輪軸向誤差和大輪軸向誤差都能引起接觸斑點(diǎn)往齒頂或者齒根移動(dòng)，且小輪軸向誤差相對大輪軸向誤差對接觸斑點(diǎn)的移動(dòng)更加敏感，只對小輪進(jìn)行磷化即可。事實(shí)證明，僅磷化大輪并不能改善差速器異響問題。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對上文中的異響差速器齒輪，我們對其中的行星齒輪進(jìn)行了磷化，磷化要求如圖7 所示，并進(jìn)行了精度和接觸斑點(diǎn)檢測，如圖8～9 所示。從精度圖中可以看出，磷化后的齒輪、齒根和齒頂?shù)钠疃加幸欢ǖ母淖儯X頂變化較大，但從接觸斑點(diǎn)上看，并沒有根本性的差異。

圖7 整車及差速器振動(dòng)切片圖

圖8 磷化后的行星齒輪精度

圖9 磷化行星齒輪和未磷化半軸齒輪接觸區(qū)

重新上車進(jìn)行了NVH 測試，測試結(jié)果如圖10～11 所示。從圖中可以看出，差速器噪聲在25～38dB 之間波動(dòng)，較磷化前的噪聲波動(dòng)幅度下降了7dB，且低頻的“噠噠”聲消失。

圖10 整車及差速器噪音MAP 圖

圖11 整車及差速器振動(dòng)切片圖

4 結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，對齒輪磷化處理具有改變輪齒齒面形狀的功能，對差速器行星齒輪的磷化，能夠有效解決差速器異響，并可以彌補(bǔ)模具缺陷，延長模具使用壽命。類似的表面處理方法是否具有相同功能，需要進(jìn)一步研究。