姚书涛，关崴，赵彦辉，曹维，张海侠

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

自动变速器差速器烧蚀故障分析

姚书涛，关崴，赵彦辉，曹维，张海侠

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

文章通过研究自动变速器差速器烧蚀故障的故障机理和故障工况，并通过试验手段在试验室环境下再现了差速器烧蚀故障，根据对差速器故障发生的机理制定了行星齿轮轴、球面垫片、差速器壳体等零部件改善和优化的措施和方向。为差速器的设计优化提供借鉴和参考。

行星齿轮轴；行星齿轮；差速器；烧结；差速器保护

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.056

CLC NO.: U463.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-149-03

引言

随着市场上自动变速器客户的不断增加，各种自动变速器的故障也时有发生，因此故障真因的分析对提升产品质量和降低客户抱怨非常重要，差速器故障在自动变速器故障中占有一定的比例，且原因比较复杂，对变速器造成的损坏非常严重，该故障的分析对优化设计和提高产品质量具有指导意义。通过对差速器故障机理的研究，指出了差速器烧蚀故障的原因，为针对性的制定改善措施提供指导依据。

1、故障现象

差速器结构如图1所示，当发生差速器烧蚀故障时有可能会出现以下异常现象：

1、行星齿轮轴与行星轮烧结在一起；

2、差速器锁紧销剪断；

3、行星齿轮轴轴向窜动并与壳体干涉将壳体击穿；

4、行星齿轮、半轴齿轮轮齿断裂

5、行星齿轮轴断裂；

6、异响。

图1　差速器结构示意图

1.1故障机理

上述故障现象中，根据差速器的结构和工作原理判定行星齿轮轴与行星齿轮烧结在一起，是引发一系列故障现象的源头，即行星齿轮与行星齿轮轴烧烧结后，为实现两侧轮胎的差速功能，会整体旋转或承担载荷，该作用力作用于锁紧销上，锁紧销被剪断，锁紧销剪断后行星齿轮轴失去轴向的约束进而可以在轴向上窜动，根据烧结的严重程度不同，后续表现出不同的故障现象，如行星齿轮轴断裂、壳体击穿、半轴齿轮断齿等现象，所以差速器烧蚀故障的分析重点在于行星齿轮轴与行星轮烧蚀的原因。

1.1.1因素分析

为分析差速器行星齿轮轴与行星轮烧蚀的原因，采用因素分析的方法从以下几个方面进行分析：

1）装配因素：差速器的总成装配工艺是比较成熟可靠的，差速器总成装配后需100%进行检查，所以可以排除装配方面的因素；

2）零部件单品质量因素：差速器内装配的零件损坏的比较严重，无法对故障件进行测量，通过对构成零件相近批次的零件检测情况进行分析，各项指标均合格，且对行星齿轮轴及行星齿轮、半轴齿轮分别进行理化分析，硬度、硬化层深度均合格，所以排除零部件单品质量问题；

3）季节因素：根据统计发生故障的时间段来看，以冬季居多占67%，春秋较少占16%，夏季较少占17%，所以相对而言冬季较为突出，分析季节影响的根本因素是环境温度，冬季环境温度相对较低，低温环境下，润滑油的流动性将变差，进而润滑变差，所以因季节变换引起的润滑不良是可能因素之一；

4）地域因素：根据故障发生的地域统计，故障发生地有广州、新疆、甘肃、成都、黑龙江等地域，在中国的北方、南方、中部、西部均有故障发生，且比例无明显突出的地域和规律，所以排除地域因素；

5）行驶里程因素：该类故障变速器出现故障的里程没有一定的规律，里程有3000KM的短里程故障，也有3万公里左右的中长里程故障，所以排除行驶里程的因素；

6）客户使用因素：通过对客户的回访和变速器返厂后分解检查发现该类故障发生前后，车辆有陷入泥坑、泥泞路面、沙漠等非常规路面行驶的经历，在这些路面行驶时，对差速器是一个考验，所以客户使用方面是一个可能的因素；

7）差速器自身结构因素：从上述1～6的因素分析中，可以得出一个初步的结论，差速器烧蚀故障与润滑和使用工况有一定的关系，根据差速器工作的原理，差速器在各种工况下工作时主要受到转速和扭矩载荷的影响，但差速器传递扭矩和载荷的能力受自身结构的限制，当差速器处于较为苛刻的的差速工况下，其自身的综合性能是否足够，因此差速器自身结构也是导致差速器烧蚀故障的一个可能因素 。

1.1.2理论分析

根据差速器运动的规律和原理，载荷分配情况如图2所示。

直行时差速器扭矩分配公式：

M1=M2=M0

左右半轴有转速差时差速器扭矩分配公式：

M1=1/2×(M0-Mr)

M2=1/2×(M0+Mr)

Mr=M1-M2

说明：

M0：减速器经差速器壳体传递的扭矩

M1：左半轴扭矩

M2：右半轴扭矩

Mr：内摩擦力矩

图2　差速器工作原理图

通过2.1.1的因素分析，差速器行星齿轮轴与行星齿轮烧蚀在一起与差速器自身的结构、使用工况、润滑情况有关系，但根本原因是由于差速行驶时行星齿轮绕行星齿轮轴运转时，传递的动力有摩擦损失，在恶劣的差速工况下摩擦生热，ATF油粘度降低，行星轮与轴之间的润滑油膜破坏，产生干摩擦，摩擦损失会增加，表现出内摩擦力矩增加，在试验过程中会表现出扭矩的异常波动。

2、自动变速器差速器烧蚀故障的试验验证

2.1 试验方案

为进一步找到差速器烧蚀故障的真因，通过在变速器性能试验台（图3），在变速器总成状态下进行模拟差速器试验，试验方案如下：

图3　变速器性能测试装备示意图

模拟极端差速器运转，将差速器位置两端与半轴连接，半轴的另一端分别于左右台架的电机连接，以模拟右转弯为例，将其右端固定（图3中所示的低速侧），左端加转速并逐步提升扭矩，按照表1和图3的试验工况进行加载，监测半轴的扭矩变化。试验中，注意声音，振动，油温等的变化，出现异常时立即中断试验，进行分解检查。

图4　试验工况

表1　试验工况

2.2数据分析

1）左半轴200rpm加载试验，逐步提升左半轴的扭矩，台架监测的数据如图5所示，发动机已经超出发动机最大扭矩，通过监测右半轴扭矩Tos未见异常，变速器运转无异常出现，由此在200rpm转速的情况下，差速器性能满足要求。

图5　左半轴200rpm加载监测数据

2）左半轴800rpm加载试验，逐步提升左半轴的扭矩，台架监测的数据如图6所示，发动机扭矩只达到了最大扭矩的50%左右，通过监测右半轴扭矩Tos出现异常的波动,内摩擦力矩也发生波动，变速器运转出现油温升高、振动等异常的现象。

图6　左半轴800rpm加载监测数据

2.3分解检查

在800rpm加载试验中出现了异常，对变速器进行分解检查，重点检查差速器的损伤情况，如图7所示，在分解检查中发现，差速器的行星齿轮与行星齿轮轴烧结在一起无法拆下，故障再现。

图7　差速器烧结试验后分解检查

3、结果与讨论

3.1差速器烧蚀故障的原因

经过差速器烧蚀故障的机理和试验模拟分析可以得出结论，导致差速器烧蚀故障的因素主要是在极端差速工况下，特别是在高速低负荷的工况下导致行星齿轮与行星齿轮轴烧结在一起，进而变速器损坏，在实际的用车工况中如：单侧轮胎陷入泥坑中，在挣扎的过程中造成行星齿轮轴与行星轮烧结，行星齿轮轴烧结损伤后，在后续的运行过程中逐步恶化，进一步导致了锁销断裂，行星齿轮轴窜动，行星齿轮轴与壳体干涉，异响，壳体击穿等异常现象。

3.2预防差速器烧蚀故障的措施

3.2.1差速器润滑结构优化

①因提高差速器自身承载能力需增加差速器构成零件的尺寸规格，占用空间较大，需产品研发初期进行评估和综合考虑；

②从失效的机理分析在变速器本体侧的改善方案可以从改善润滑的角度出发制定改善润滑的方案，确保在极端差速工况下仍能确保行星轮与行星齿轮轴之间有良好的润滑和冷却。如：对行星齿轮轴的润滑油槽进行优化改进（图8），对球面垫片结构进行改进（图9），差速器壳体增加油槽（图10），甚至为差速器运转部位设计强制润滑油路，强制润滑在市场现有的自动变速器中已有较为成熟的运用。

图8　通槽行星齿轮轴

图9　多孔球面垫片

图10 差速器润滑油槽

3.2.2增加差速器保护功能

为防止过度差速的工况发生，建议对变速器增加差速器保护功能当两侧轮胎转速差达到某一数值时开启保护，主要有以下两种方式：

①从变速器侧考虑增加差速器保护功能，需变速器控制系统具有该功能模块，整车CAN信号中包含ABS信号或轮速信号（影响CAN通信协议）；如现有的TCU系统不支持差速器保护功能，需重对底层软件进行开发，开发差速器保护功能模块并进行标定，差速器保护功,涉及到降扭请求，将对ECU系统产生影响，安全诊断需要重新设置。该方式需要再车型项目开发的初期进行考虑。

②如车辆具有ESP功能车型，可间接起到差速保护作用，所以ESP功能也是差速器保护的一种手段。

[1]陈家瑞，《汽车构造》.吉林工业大学 机械工业出版社.

Automatic transmission differential ablation failure analysis

Yao Shutao, Guan Wai, Zhao Yanhui, Cao Wei, Zhang Haixia
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this article, through the automatic transmission differential ablation failure mechanism and failure mode of failureAnd through tests in laboratory environment recreates the differential ablation failure, According to the mechanism of differential failure made the planet gear shaft, such as spherical gasket, differential shell parts improvement and optimization measures and direction. To provide reference for the design of the differential optimization.

planetary gear shaft; Planetary gear; Differential; Sintering; Differential protection

U463.21 文献表示码：A

1671-7988（2016）11-149-03

姚书涛（1980-），男，高级工程师，学历本科，研究方向自动变速器本体方面。