双金属垫片在驱动桥差速器中的应用及参数设计研究

刘宏，范春利，李浩亮



双金属垫片在驱动桥差速器中的应用及参数设计研究

刘宏，范春利，李浩亮

（一汽解放汽车有限公司商用车开发院，吉林 长春 130011）

驱动桥差速器在重载工况下经常出现壳体和垫片异常磨损的情况，影响了齿轮啮合甚至造成齿轮打齿、齿根断裂等严重失效。文章对某驱动桥总成进行差速器齿轮垫片耐磨性试验，对比了两种不同材料、工艺的差速器齿轮垫片和壳体的磨损量。通过对试验后的润滑状况和齿轮侧隙的计算对比，指出了双金属垫片-差壳摩擦副低磨损量的优越性，并提出了的垫片的合理厚度公差、金属厚度和油槽方式，为驱动桥差速器技术升级提供了技术支持。

驱动桥；差速器；垫片；双金属

1 前言

驱动桥差速器在重载工况下经常出现壳体和垫片异常磨损、齿轮打齿、齿根断裂及十字轴断裂等严重失效问题。一方面由于垫片处的磨损量影响齿轮啮合位置从而影响齿轮强度；另一方面过多铁屑破坏了润滑油膜，严重时会造成齿轮与十字轴烧死进而导致十字轴断裂。因此对差速器垫片的耐磨性研究成为了一个的热点问题。

本文以某驱动桥总成为载体，采用了双金属垫片和20钢垫片两种差速器总成进行磨损对比台架试验，通过对试验结果的分析计算，指出了采用双金属垫片差速器的优越性能。

2 磨损分析及改进措施

垫片与壳体之间的摩擦属于金属材料之间的一种边界摩擦。影响摩擦磨损的因素复杂，主要有硬度、表面性质（产生摩擦后表面的物理化学反应）、润滑条件、表面粗糙度等等。摩擦力的数学表达式：

式中，F为摩擦力、F为法向载荷(即垫片轴向力)、为摩擦系数。

粘着磨损几乎是磨损失效最普遍最严重的一类磨损方式，当垫片与壳体某些轮廓峰接触点受压发生“冷焊”结点后，在发生两者相对转动时，这些冷焊结点就被剪开，在较硬的轮廓峰上犁出沟槽。当法向压力增大时，真实接触面积也随着增大，应力还是停留在材料的压缩屈服极限。图1所示为单个轮廓峰接触区在高压作用下产生塑性流动，导致真实接触面积A增大到恰好能支承法向载荷为止的模型，则真实接触面积和摩擦力为：

式中，为结点材料的剪切强度极限、Ar为真实接触面积、为材料的压缩屈服极限。

金属的摩擦系数为：

实际上，我们将降低垫片-壳体摩擦副的磨损量转化为减小垫片或者壳体材料比值的问题。目前大多数厂家的驱动桥差速器垫片为纯钢板材料，本次试验用驱动桥差速器垫片采用的是20钢，行星轮和半轴轮均为软氮化处理，硬化层深0.15~0.3mm。如图2所示。20钢-QT450摩擦副的摩擦系数为QT450的计算值约为0.73~1.0。

图3 双金属垫片

3 试验与分析

试验对某后驱动桥总成进行差速器耐久试验，试验条件见下表1。

表1 低速高扭矩试验条件

试验后的拆检情况如图4和图5所示。双金属垫片差速器内部较清洁，但行星垫片内部凹坑被磨屑填满，壳体基本无磨损。软氮化垫片差速器左右半轴齿轮垫片表面被犁刨除很多沟纹，左侧磨屑进入壳体半轴齿轮孔使其严重磨损，磨屑填满垫片油孔，其磨损机制为磨粒磨损，同时也形成了一些冷焊结点；左右半轴齿轮垫片壳体侧磨损严重，壳体行星齿轮垫片部位也存在磨粒磨损。

图5 软氮化垫片差速器拆检

对试验前后样品各个位置垫片厚度和重量进行测量，并对壳体的磨损量测量记录。下表2为计算的磨损量均值。

表2 垫片磨损量均值

4 分析计算

4.1 润滑状态分析

软氮化垫片差速器左右半轴齿轮垫片部位均有大量铁屑，磨屑填满垫片油孔，影响润滑；同时大量的铁屑加在垫片与壳体侧堆积形成磨粒，破坏了油膜润滑，发生磨粒磨损和粘着磨损，在壳体和垫片上形成深沟和粘着铁屑。

双金属垫片差速器行星齿轮垫片内的小储油坑也被铁屑填满，润滑状态不良，使得油膜温度升高垫片表面发黑。磨损下来的金属越多，形成的机械杂质就越多，会恶化油品的抗泡沫性能，进而会影响在齿轮啮合表面有效润滑层的形成，同时加速油品的氧化变质及零部件的磨损，超过一定磨损含量继续使用可能引起严重后果。由此可见，垫片的润滑方式需要再优化。

4.2 齿侧间隙

从试验拆检的情况来看，双金属自身厚度减少较大但对壳体基本无磨损，而软氮化垫片对壳体的磨损是非常大。为了量化齿轮轴向间隙对啮合侧隙的影响，齿轮法向侧隙δ为：

其中，δ为轴向间隙；为齿轮压力角；为齿轮节锥角

表3计算了试验后的差速器齿轮侧隙的增量值。

可以得到：双金属垫片的差速器齿轮齿侧间隙增大值最大0.1mm；软氮化垫片的差速器齿轮轴向间隙过大，使得齿侧间隙可能增大0.6mm，严重影响齿轮啮合接触区不良，齿根应力过大，严重可导致齿根断裂。

表3 齿侧间隙值

注：表中“+”后面的数值表示壳体的磨损量。

5 结论

（1）双金属垫片-差壳摩擦副的摩擦系数小，极大地降低了磨损量，可以解决驱动桥差速器的异常磨损等失效问题，在设计垫片时可优先考虑双金属垫片。

（2）根据试验的磨损量，双金属垫片的铜合金层厚度可以减少至0.2mm，中间采用钢板材料；相比全铜合金材料成本降低约了83%。

（3）为保证垫片工作状态的一致性，在设计垫片时应采用正偏差。

（4）为改善润滑状态，双金属行星轮垫片的储油坑装配时一次涂敷润滑脂，半轴齿轮垫片改用正反面开直线油槽。

[1] 孙家枢.金属的磨损[M].冶金工业出版社,1992,648.

[2] 田其铸等.汽车设计手册[M].长春汽车研究所,1998,296～297.

[3] 陈家瑞.汽车构造[M].机械工业出版社,2011.

Application and Parameter Design of Bimetal Gasket in Driven Bridge Differential

Liu Hong, Fan Chunli, Li Haoliang

( FAW Jiefang Automobile Co., Ltd. Commercial Vehicle Development Institute, Jilin Changchun 130011 )

The abnormal wear of the case and spacers in the heavy load condition is often found in the drive axles differential, which affects the gear meshing and even causes the serious failure of the gear tooth root fracture. In this paper, the wear resistance of differential gear spacers of drive axles assembly is tested and compared with the wear amount of differential gear spacers and case made of two different materials and processes. Through the comparison of the lubrication condition after the test and the calculation of the backlash of the gear, the superiority of the low wear amount of the double metal spacers is pointed out, and the reasonable thickness tolerance and the way of the oil slot for the spacers are put forward to provide the technical support for the technical upgrading of the drive axles differential.

Drive axles; Differential; Spacer; Double metal spacer

U463.2

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1671-7988(2018)20-156-03

刘宏（1984-），女，陕西富平人，硕士，就职于一汽解放商用车开发部。主要从事驱动桥减速器的设计开发及性能计算工作。

U463.2

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.057