電驅動汽車差速器失效分析及優化研究

中圖分類號：U469 收稿日期：2025-04-14 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.028

Abstract：Withtherapidexpansionofthenewenergyvehiclemarketrepresentedbyelectricdrive，theproblemofdiferentialfailurehasbecomeicreasinglypromient，eriouslyectingveiclereliabilityanduserexperience.Thispaperconductsadetaldanaly sisofthefailurecaseofthediferentialofacertairandofelectricdrivevehiclerevealingtemechanismofthefilureofthedieren tialduetothelackoflubricationunderthecouplingefectofhighrotationalspeeddiferenceandlargetorque.Andbyformulatingan optimizationplanandconductingexperimentalverification，theprobleofderentialfailurewassolved.Tispractcalmethodeffec tivelyimprovesthelubricatioperformanceoftediferentialassemblyandthewearresistanceoftsparts，providingaeferecefor the research and development and optimization of similar products in electric drive vehicles.

Keywords：Electric drive vehicle;Differential;Productoptimization

1前言

差速器是汽車傳動系統的一個重要零部件，它將發動機的扭矩傳遞給驅動車輪，當汽車在轉彎行駛或者不平路面上行駛時，可以使兩側車輪以不同的角速度滾動，從而保證兩側車輪與地面之間做純滾動運動，減少輪胎的磨損和動力消耗，提高汽車的通過性[1]。

在高轉速差、大扭矩工況下，電驅動汽車差速器零件表面易發生因材料撕裂而形成溝紋狀的膠合失效現象，嚴重影響傳動效果。例如，某品牌電驅動汽車售后反饋多例差速器膠合問題。具體表現為車輛行駛時底盤系統發出“咔噠、咔噠”異響。拆解差速器總成可見，行星齒輪與行星輪軸發生膠合，從動齒輪出現崩齒現象，如圖1、圖2所示。因此，亟須深入探究差速器膠合失效機理并解決膠合問題，以提升產品售后品質，從而解決客戶抱怨等問題。

2差速器膠合失效機理與核心控制要素

2.1差速器膠合失效機理

差速器內的零部件工作在非強制潤滑狀態下，若突然高速轉動，這些部位的潤滑油甩出量大于進入量，如圖3所示，此時的潤滑只能靠間隙中原始儲存油量。若配合間隙過小，則儲存的油量不足以形成油膜，此時摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點處由于瞬時的溫升和壓力發生“冷焊”后，在相對運動時，材料便從一個表面遷移到另一個表面，形成膠合現象[2]。差速器內的膠合現象常發生在行星齒輪與行星輪軸配合部位，此時行星輪軸產生的剪切力會剪斷固定其上的定位銷，致使行星輪軸竄動并撞擊從動齒輪，引發崩齒現象，進而導致車輛行駛時底盤系統發出“咔噠咔噠\"的異響。

2.2差速器膠合的核心控制要素

a.零部件材料優化控制。差速器發生膠合的直接原因是潤滑缺失導致行星輪軸承受過大擠壓應力。此前同類產品行星輪軸采用 20Cr 材料，抗拉強度835MPa 。經MASTA軟件計算，行星輪軸最大應力達448.2MPa ，安全系數1.86，擠壓應力已接近極限。故設計更改材料為 20CrMnTi ，抗拉強度為 1080MPa ，安全系數為2.41。行星輪軸應力云圖及材料優化詳情見圖4、表1。通過材料升級優化，解決了差速器膠合失效問題。然而，本次售后故障車輛的行星輪軸已采用20CrMnTi材料，設計富余充足，繼續提升材料強度效果有限，需著重從其他要素推進設計改進。

圖4行星輪軸應力云圖

b.軸齒配合間隙設計控制?；谏鲜瞿z合機理分析，行星齒輪與行星輪軸的配合間隙直接影響差速器運行可靠性。間隙過小，易因潤滑失效引發膠合問題；間隙過大，則導致行星輪軸傳動偏移，降低傳動精度并加劇零件磨損。由此可見，合理設計軸齒配合間隙是解決差速器膠合問題的關鍵要素。

c.表面處理工藝創新控制。電鍍鎳磷合金電鍍技術（Nickel-Phosphorus Alloy Electroplating，Ni-P Electro-plating）是一種在金屬表面沉積均勻鍍層的方法，通過在鍍液中通電，使鎳和磷的化合物沉積在基材表面，以提升其耐磨性和抗腐蝕性[3]。在行星輪軸表面實施鎳磷合金電鍍工藝，可有效降低差速器膠合風險。該工藝形成的高硬度合金鍍層，能在潤滑失效導致行星齒輪與行星輪軸直接接觸時，減緩零件異常磨損，提升差速器在復雜工況下的耐久性。

3差速器優化設計

差速器優化設計方案主要從零部件表面處理工藝與結構參數兩方面進行[4-8]。通過增加行星輪軸表面鎳磷合金電鍍工藝、加大軸齒配合間隙來實現，具體設計方案如下：

a.表面處理工藝優化。對行星輪軸進行電鍍鎳磷合金處理，將鎳磷合金鍍層厚度控制在 8～10μm ，硬度達HRC63以上。該工藝可有效提升零件表面耐磨性與抗腐蝕性，確保零件在潤滑油膜缺失、直接接觸的工況下仍保持高硬度，降低軸齒膠合風險，增強差速器運行可靠性。

b.結構參數優化。通過優化行星齒輪和行星輪軸的公差代號尺寸，將軸齒配合間隙從 0.03～0.08mm 增大至 0.13～0.17mm 。增大后的間隙提升了零件的儲油能力，有利于潤滑油膜的穩定形成，有效避免差速器在高轉速工況下發生潤滑失效的現象。

4整車試驗驗證

基于上述差速器優化設計方案，開展整車對比試驗驗證。試驗車輛分別裝配量產狀態與優化設計狀態的行星齒輪及行星輪軸，通過試驗實現故障復現，并驗證優化設計方案的可行性。試驗方案及試驗結果如下：

a.試驗方案。如圖5所示，試驗車輛的一側后輪保持接地狀態，并放置車輪擋塊進行限位，另一側后輪架設于特制試驗工裝之上，使車輪與工裝內置的滾筒直接接觸。通過驅動單邊車輪打滑，復現瞬時高轉速差與大扭矩輸出工況，模擬車輛急加速轉彎或陷車脫困的實際工作狀態。駕駛員在駕駛室內進行深踩油門后迅速松開的操作，并重復多次。試驗過程中，車輛實測最高時速達 90km/h ，單邊車輪轉速為 780r/min ，扭矩達到70N?m ，電機最高轉速為 8100r/min 。

b.試驗結果。經過上述對比試驗驗證后，開展車輛行駛功能檢測。結果顯示，搭載量產狀態零件的1#、2#車輛在轉彎時底盤系統均有明顯金屬敲擊異響，經拆解差速器總成，行星齒輪與行星輪軸膠合復現，差速器失效。搭載優化設計狀態的3#、4#車輛在轉彎、顛簸、加速滑行等實際使用工況時均未有異響出現。拆解差速器總成，行星齒輪與行星輪軸未發現膠合現象。試驗車輛搭載零件狀態及試驗結果詳見表2。依據驗證結果，下達產品工程變更指令，對量產零部件進行設計變更。目前，售后端未收到類似故障的反饋信息。

圖5整車對比試驗圖

5結語

本文針對電驅動汽車差速器膠合失效案例，系統剖析失效機理與核心控制要素，提出并驗證優化設計方案。研究發現，在瞬時高轉速差與大扭矩耦合工況下，差速器易發生潤滑失效，進而導致零件膠合失效現象。解決該問題的關鍵在于合理設計配合間隙，優化表面處理工藝。基于此，通過新增行星輪軸電鍍鎳磷合金工藝、增大軸齒配合間隙等形成優化方案。試驗表明，優化后的零件有效避免了膠合失效現象，提升了差速器的可靠性，為電驅動汽車同類產品研發與優化提供了參考。

參考文獻：

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作者簡介：覃萬龍，男，1992年生，工程師，研究方向為汽車電驅動系統設計。