車橋嚙合套結(jié)構(gòu)改進

張龍，胡烜華，席飛，趙飛飛，楊樸

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

前言

滑動嚙合套是汽車驅(qū)動橋輪間差速鎖機構(gòu)的重要件，其主要功用是傳力，其內(nèi)花鍵與半軸連接，撥叉撥動其左右移動，使其端面齒與輪間差速器殼體相接合或分離，接合時輪間差速鎖起作用，大大提高整車在惡劣路況下的通過能力，其承載能力決定了輪間差速鎖起作用時所能承受的最大驅(qū)動力矩。隨著整車驅(qū)動性能提升的要求，現(xiàn)有滑動嚙合套斷裂故障時有發(fā)生，在結(jié)構(gòu)強度方面已經(jīng)不能滿足使用要求。

本文通過對售后失效件的分析確定了其失失效模式，針對失效模式進行原因分析，利用有限元仿真對現(xiàn)有嚙合套進行結(jié)構(gòu)強度分析，根據(jù)分析結(jié)果以及失效行駛對現(xiàn)有嚙合套進行了結(jié)構(gòu)改進。通過多輪仿真分析和試驗驗證，確定了嚙合套最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并完成了改進結(jié)構(gòu)的切換。售后統(tǒng)計，切換后輪間差速系統(tǒng)故障索賠降低了50%以上，證明了此次改進的有效性。

1 問題描述

某橋型主減故障時有發(fā)生，通過分析主減故障模式主要有：錐齒輪打齒、導向軸承碎裂、差殼連接螺栓掉頭及磨損、滑動嚙合套碎裂等故障。對舊件主減進行禍首件分析：

（1）根據(jù)各部件在主減總成內(nèi)所處的位置，因嚙合套位置較高，故已經(jīng)損壞的導向軸承、主被動齒輪碎塊不可能越過差速器總成損壞所處位置較高的嚙合套。

（2）嚙合套若損壞后，其碎塊將會掉入主減總成底部，隨著主減被動齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動起來，進而造成主減內(nèi)其他件的損壞。

當嚙合套由于非預(yù)期使用等原因碎裂后，主減速器總成不同程度的伴隨有錐齒輪打齒、差殼連接螺栓掉頭及磨損、導向軸承碎裂等故障發(fā)生。售后反饋有116 起主減速器總成故障，其中注明有嚙合套斷裂的故障共50 起，嚙合套斷裂伴隨有上述故障發(fā)生。

可以看出，失效主減集中表現(xiàn)為嚙套斷裂后所引起的一系列磕碰、斷裂損壞。因而要解決該橋型主減失效問題首要是解決嚙合套的斷裂。

主要失效模式為齒根疲勞斷裂，見圖1，裂紋源位于端面齒根部，距端面齒外側(cè)約1/4 至1/3 齒長，斷口沿齒根側(cè)進行擴展，直至花鍵。

圖1 失效照片

2 原因分析

根據(jù)失效模式，對失效件符合性進行了排查：

（1）斷裂滑動嚙合套端面齒根部無圓角或圓角較小，過渡尖銳，這樣會引起嚴重的應(yīng)力集中，見圖2。

圖2 根部無圓角或圓角小

（2）嚙合齒側(cè)面的接觸印跡不均勻，一般偏向于外側(cè)，從而導致偏載現(xiàn)象，見圖3。

圖3 嚙合偏載

3 改進措施

為了防止滑動嚙合套端面齒早期疲勞斷裂首要是降低根部及其附近的應(yīng)力或者提高材料的強度，其次應(yīng)盡可能防止偏載發(fā)生。

（1）加大端面齒根部圓角，盡可能減小應(yīng)力集中，改善粗糙度，為了增加根部過渡圓角，將齒高適當增加。

（2）鑒于相配對的固定端面齒未斷裂，可將該端面齒厚度適當減薄，盡量做成等強度匹配。

（3）端面齒精鍛成型，保證加工流線完整，側(cè)面按圖紙加工體現(xiàn)凸面修形結(jié)構(gòu)，以改善嚙合接觸印跡，減少嚴重偏載現(xiàn)象。

（4）齒根拋丸強化，并進行位置度、印跡檢查，防止偏載。

4 有限元分析

在有限元分析軟件中劃分好網(wǎng)格，建立滑動嚙合分析模型，根據(jù)實際工況，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行分析計算，根據(jù)分析結(jié)果，提出了改進方案。如圖4 所示，將根部圓角加大，用周圈筋將齒包裹起來，連接成整體式，剛性和強度更好。

圖4 結(jié)構(gòu)改進

如圖5 所示，應(yīng)力最大部位與失效件斷裂起始相符，驗證了分析模型是符合實際工況的。

圖5 分析結(jié)果

通過改進，在校核工況下，關(guān)注區(qū)域應(yīng)力降低15%，見表1，小于材料屈服強度，嚙合套安全系數(shù)大于1.3。

表1 改進前后應(yīng)力對比

5 試驗驗證

根據(jù)嚙合套實際工作狀態(tài)，我們進行了臺架驗證對比，確認改進方案是否有效。

表2 疲勞次數(shù)

通過臺架驗證可以得出，在試驗工況下，改進結(jié)構(gòu)通過臺架驗證。因改進效果顯著，對該結(jié)構(gòu)組織市場驗證，通過售后數(shù)據(jù)對比，故障索賠降幅在50%以上，達到了改進目的。

6 結(jié)論

本文通過對售后失效件的分析確定了其失效模式和失效原因，運用有限元仿真的方法對嚙合套進行了分析和結(jié)構(gòu)改進，經(jīng)過臺架試驗驗證，達到了設(shè)計要求。在后續(xù)的市場驗證中也表現(xiàn)良好。本文的分析結(jié)果對嚙合套及相關(guān)件的改進有一定的指導作用。