某汽车差速器故障原因分析及对策

刘丽新 汤一飞 屠有余 徐占 单华强

（中国第一汽车股份有限公司 研发总院，长春 130013）

主题词：差速器 失效模式 极限差速 试验验证 对策

1 前言

差速器是汽车传动系统的一个重要零部件，它将发动机的扭矩传递给驱动车轮，当汽车在转弯行驶或者不平路面上行驶时，可以使得两侧车轮以不同的角速度滚动，从而保证两侧车轮与地面之间做纯滚动运动，减少轮胎的磨损和动力消耗，提高汽车的通过性。汽车差速器被汽车行业的专家称为“小零件大功用”[1]。

差速器故障的原因一般比较复杂，严重时导致整车无法行驶，甚至会出现安全事故，其故障机理的分析和改进对策的制定对于优化设计、提高产品质量具有重要的意义。

2 故障现象描述

某车辆在冰雪路面行驶了2 h后，次日车辆启动时报变速器故障，整车无法行驶。拆解后发现差速器行星轴与行星齿轮配合处(行星轴外表面)磨损严重，见图1，半轴齿轮垫片、行星齿轮垫片磨损严重，见图2，差速器锁销断裂，见图3。

图1 行星轴外表面

图2 半轴齿轮与行星齿轮垫片

图3 锁销断裂

3 故障原因分析

3.1 故障机理分析

综合分析上述故障表现，根据差速器结构和工作原理可以判定行星齿轮轴与行星齿轮严重磨损，是引发一系列故障现象的源头，即行星齿轮轴与行星齿轮配合面发生粘着磨损后，两者之间的摩擦力变大，行星齿轮轴将转动力矩传递给阻止其转动的锁销，导致锁销所承受的剪切力变大，发生剪切断裂。锁销断裂后行星齿轮轴失去了轴向约束并在摩擦力矩的作用下发生自转，出现了行星齿轮内孔、差速器壳、行星齿轮垫片磨损严重等现象，所以该差速器故障的分析重点在于分析行星齿轮轴与行星轮粘着磨损的原因。

当汽车在正常状态下行驶，汽车左右两侧车轮出现转速差时，行星轴与行星齿轮虽有相对转动，但是由于转速差较小、接触面摩擦力较小，会产生正常的磨粒磨损，在良好的润滑条件下，润滑油会将磨粒及时带走，两表面间的磨损寿命较长。随着转速差变大，润滑条件变差，接触应力增加等外界环境进一步恶化之后，行星轴与行星齿轮接触面就会发生表面擦伤性的粘着磨损，当粘结点的强度高于摩擦副中较软材料的剪切强度时，就会发生材料转移，转移的方向是从软的材料转向硬的材料，也就是撕脱性的粘着磨损[2]，粘着磨损的形成以及破坏过程如图4所示，由于行星轴的心部硬度小于齿轮的心部硬度，所以行星轴表面被撕脱成深沟，如图1所示。

图4 粘着磨损示意

3.2 影响因素排查

为了探究行星齿轮轴与行星齿轮撕脱性粘着磨损的原因，从以下5个方面进行了影响因素的排查工作。

（1）使用环境。对用户使用路况、行驶里程、行驶时间、驾驶习惯、用户感受等方面进行了详细的咨询，提取重点信息见表1。

表1 用户反馈

（2）制件质量。抽取同一批次生产的行星齿轮与行星齿轮轴，对其硬度、金相组织、粗糙度、结构尺寸参数进行了检查，各项指标均合格，排除了制件质量问题。

（3）装配问题。其装配工艺比较成熟，每一台差速器均通过下线检测，故排查装配问题。

（4）结构设计。除行星齿轮轴油槽形式与对标样品不同外，行星齿轮轴与行星齿轮的配合间隙，润滑情况与对标样品相当。

（5）控制策略。通过对标发现，很多汽车厂商在控制程序中增加了差速器保护功能，即设定不同转速差下的扭矩极限值，该汽车差速器未设置保护功能。

综合以上分析，行星齿轮轴与行星齿轮配合面粘着磨损与用户使用工况、结构设计、控制策略因素相关，主要是由于用户长时间行驶于冰雪路面，左右半轴转速差较大，随着应力、润滑等外部条件进一步恶化，行星齿轮轴与行星齿轮配合面因摩擦产生的热量未能及时散出，所以发生粘着磨损。

4 极限差速能力验证

通过以上分析，需要对该差速器的极限差速能力进行验证，即通过台架试验对不同转速差下差速器的扭矩极限进行验证。

4.1 试验方案

根据冰雪路面的特点，结合整车参数，设计极限差速台架试验方法，见表2。

表2 极限差速台架试验方法

按照表2的试验工况进行试验，固定转速差n，逐步提升半轴扭矩进行验证，记录每一个转速差下的扭矩极限。试验过程中实时监测半轴扭矩和转速的变化，若发生半轴扭矩波动、总成振动、油温等异常情况时，立即中断试验，进行停机检查。要求每次试验完成后进行详细的拆解测量，判断差速器是否出现异常。

4.2 数据分析

将试验数据进行处理分析，并与某对标车辆差速器不同转速差下的差速器保护扭矩值进行对比分析，见图5。结果表明，该试验差速器在不同转速差下的验证扭矩值均高于对标车辆差速器的保护值，从而证明其限差速能力满足整车开发使用要求。

图5 差速能力试验数据对比

5 整车试验验证

综合以上故障原因分析以及台架试验结果分析，初步判定该差速器失效与ESP设置相关，为了找出失效真因，开展了整车专项试验验证。

5.1 ESP开启状态

整车ESP功能开启。试验时保证ECU、TCU、ESP的软件数据版本为最新状态，并通过CANape软件采集整车行驶数据，主要包括发动机扭矩、左右车轮速度、油门开度、挡位信息。

5.1.1 对开路面试验

整车停在对开路面起点，如图6所示，左侧车轮在高附路面，右侧车轮在低附路面（喷水），全油门加速至终点时停止试验，共进行10个循环。试验后差速器无任何异常，满足要求。

图6 对开路面示意

试验数据统计结果见表3。试验过程中左右半轴转速差最大为233 r/min，出现在100%油门开度工况下，此时的输出扭矩为1 609 N·m。

表3 对开路面数据统计结果

5.1.2 蛇形路面试验

在综合性能路上，整车以可稳定操控的最高速度和最小的转弯半径顺时针绕行270°后再逆时针绕行270°，具体行车路线参考图7，试验后差速器无任何异常，满足要求。

图7 蛇形路面示意

试验数据统计结果见表4。试验过程中左右半轴转速差最大为343 r/min，出现在54%油门开度工况下，此时的输出扭矩为1 069 N·m。

表4 蛇形路面数据统计结果

5.2 ESP关闭状态

整车ESP功能关闭。按以上工况重复进行对开路面和蛇形路面试验，在对开路面进行第2个循环时，整车出现异响，终止试验并拆解差速器，发现行星齿轮轴与行星齿轮无法相对转动，且两者配合面处变色，存在轻微烧蚀痕迹，如图8所示。初步预测，当车辆出现轻微异响，则差速器已处于非正常的工作状态，若继续行驶，强行差速，将会导致行星齿轮轴与行星齿轮配合处磨损严重、锁止销断裂、行星齿轮轴窜动甚至壳体击穿等现象发生。

通过分析整车采集数据发现，ESP关闭时，对开路面左右半轴的最大转速差为1 719 r/min，见表5，远高于ESP开启时的最大转速差233 r/min，说明ESP在开启状态下可有效限制左右半轴转速差。

图8 整车试验后星齿轮轴轻微烧蚀

表5 ESP关闭状态数据统计结果

综上所述，结合用户行车过程中明显感觉动力不足，可以判定该车辆差速器失效的原因是由于用户误关ESP，且长时间行驶于冰雪路面，在极端工况下左右半轴转速差过大，导致行星齿轮轴与行星齿轮之间因摩擦产生大量热量，且未能及时散出，致使行星齿轮轴与行星齿轮配合面发生粘着磨损，粘结点的强度高于行星齿轮的剪切强度，进而形成撕脱性的粘着磨损。

6 改进建议及对策

6.1 差速器润滑结构优化

通过优化差速器行星齿轮轴与行星齿轮之间的润滑结构，如图9所示，将行星齿轮轴上的螺旋油槽更改为一字槽，增加进油量，改善润滑条件，保证在极端工况下行星齿轮轴与行星齿轮之间依然能够良好润滑，从而避免失效发生。

图9 润滑结构优化

6.2 增加差速器保护措施

车辆的ESP功能，一定程度上能够对差速器起到间接保护作用[3]，但是当用户误关ESP时，为防止极端工况下左右半轴的转速差过大，可额外增加差速器保护功能，设定不同转速差下的扭矩限值，即当两侧齿轮的转速差达到设计定值时，对发动机提出降扭请求，确保差速器工作在极限差速能力范围内。

7 结束语

（1）通过对差速器失效样件的拆解分析，确定了其失效模式为行星齿轮轴与行星齿轮之间的撕脱性粘着磨损，并针对该失效模式的影响因素进行了排查。

（2）设计了台架试验方案，验证了该差速器不同转速差下的极限差速能力高于目标值，满足整车开发使用要求。

（3）开展了整车专项试验验证，同时对ESP开启和关闭状态的试验数据进行了分析，进一步锁定了差速器失效的真因，由于用户误关闭ESP功能并长时间行驶于冰雪路面，左右半轴转速差过大，行星齿轮轴与行星齿轮之间因摩擦产生了大量热量未及时散出，从而发生粘着磨损。

（4）针对该失效模式，提出了避免差速器失效的对策，即优化差速器润滑结构和增加差速器保护措施。