徐胜军 韩军伟 王志浩

摘  要：弹性挡圈是一种重要的机械紧固件，其在高转速下的工作性能直接影响动力传动系统运行的可靠性。针对某款纯电动汽车路试过程中减速器零部件断裂问题进行原因调查，通过有限元方法调整行星齿轮轴油槽结构降低应力集中风险，理论分析行星齿轮轴与弹性挡圈配合失效模式并改进弹性挡圈结构型式，降低差速器轴承压装力防止弹性挡圈早期脱落失效措施，解决了该问题。

关键词：弹性挡圈  差速器  壳体  行星齿轮轴

中图分类号：V46                               文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（c）-0025-04

Abstract： External circlip is a very important mechanical fastener， its service performance at high rotational speed directly affects the reliability of powertrain system  operation. Investigation is carried out for cause of  an  electric vehicle reducer parts fracture  during the road test. Adjusting the oil groove structure of the planetary gear shaft to reduce the risk of stress concentration by finite element method， analyzing the failure mode of the planetary gear shaft and the circlip to improve the structure of the circlip， reducing the pressure of the differential bearing to prevent the early failure， which solves the problem finaly.

Key Words： Cirolip; differential; Casing; Planetary gear shaft

汽車差速器是驱动桥的重要部件，其功能使左右车轮能以不同的转速滚动行驶，将主减速器传递来的扭矩平均分给两半轴，满足汽车行驶需要。差速器主要由差速器壳体、行星齿轮、半轴齿轮、弹性挡圈、调整垫片、轴承以及行星齿轮轴等组成。行星齿轮轴的作用是将转矩传给行星齿轮，实现转矩分配，从而使车轮实现差速运转，在运行过程中，行星齿轮轴承受扭转力和弯曲力。弹性挡圈又称为轴用卡簧，是一种重要的机械紧固件，其在高转速下的工作性能直接影响动力传动系统运行的可靠性。

某款纯电动汽车在路试进行过程中发生多次减速器断裂故障：行驶到1 301km后，强化试验段时整车有顿挫感，切换到加速工况时，右转有异响，将车开回修理厂进行举升机检查，发现减速器前壳体、差速器行星齿轮轴、行星齿轮弹性挡圈多处断裂，如图1所示。路试工况如下：盐城试验场强化4 680km，城市980km，山坡1 080km，高速8 040km，变速7 080km，分成60个循环试验。

本文通过行星齿轮轴、弹性挡圈材料力学性能检测、行星齿轮轴简化模型受力分析、弹性挡圈配合理论失效模式分析等手段对此故障原因进行逐一排查，并为解决此故障提出最终的改善方案。

1  故障原因分析及改进

1.1 材料力学性能检测

采用维氏硬度计测量断裂行星齿轮轴、弹性挡圈的表面硬度、基体硬度，检测前先用标准试块进行校准。

经过检测，行星齿轮轴化学成分20CrMnTi，芯部硬度HRC值要求30～45，实测HRC值为42，芯部硬度合格;表面硬度要求HRC值58～65，实测值HRC值58.5。行星齿轮弹性挡圈，材料65Mn，硬度要求HRC值47～54，实测硬度值49、48.5、52、51，硬度均满足设计要求，材质因素导致故障的可能排除。

1.2 行星齿轮轴受力分析及改进

按照纯电动汽车电机最大输入扭矩280N·m，速比7.81，传动效率100%计算，差速器端输入扭矩2187N·m。行星齿轮轴在运行过程中，可以简化为一根两端受扭矩的梁，如图2所示，力F1、F2组成一个扭矩M1，力F3与F4组成一个扭矩M2，根据轴长尺寸计算得到两个扭矩大小等于2187N·m，方向相反。

由于力矩M1和M2大小相等方向相反，因此在有限元模型中，将F1、F4处采用固定约束，在F2、F3处加载38531N的力，力平均加载到节点上。有限元结果如图3所示，行星齿轮轴油槽位置明显存在应力集中区域，最大Von Misses应力470MPa，低于行星齿轮轴材料（20CrMnTi）屈服强度835MPa，安全系数1.78，静强度满足设计要求。

为了降低应力集中风险，采用同样的有限元边界条件，行星齿轮轴无油槽结构分析结果如图4所示，应力集中位置Von Misses最大应力值428MPa，相比改进前，降低了42MPa。

行星齿轮轴取消油槽降低应力集中风险，并且同时保证满足润滑条件下，冲击功能力由144J提升到271J，增强了行星齿轮轴抗冲击性能，实物照片如图5所示。