某型号纯电动变速器差速器耐久试验故障分析

赵清碧，马勇，平康宁，郭秋彦，陈兆欣

（1.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336；
2.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，宁波 315336；
3.西安交通大学 机械工程学院，西安 710049）

变速器作为车辆传动系统的重要核心部件，对车辆的动力性、燃油经济性和驾驶乘用舒适性等都有着显著的影响。汽车零部件的表面不仅要求高的耐磨性、耐蚀性及抗疲劳强度，而且还应保证汽车零部件在高速、高压、载重及强腐蚀介质工况下持续地运行[1]。因此，从表面强化技术的角度出发，进一步提高汽车零部件的使用性能至关重要。近年来新能源乘用车发展迅速，纯电动乘用车更是由于传统燃油车不能比拟的优点，有着更快的发展。纯电动乘用车的核心驱动部件是驱动电机，由于驱动电机有着转速高，扭矩大，加速度快的特点[2]，因此，对于和驱动电机配合使用的变速器，也提出了更高的设计要求和使用要求[3]。

差速器作为变速器的重要部件，其创新性在于通过驱动一个大齿圈，再由大齿圈连接的差速器壳体内部同步公转的行星轮啮合连接左右车轮的半轴齿轮。行星轮公转同步于大齿圈，而自转却同步于两侧半轴齿轮，在将力矩平均分配给两个车轮的同时允许车轮有自由的转速差。这种结构最大优点是是左右两个车轮在转弯及在凹凸路面行驶时，允许两个车轮有一定的转速差，同时又能提供几乎均等分配至左右车轮的推力。

我司在开发某款纯电动乘用车变速器过程中，进行差速耐久试验，试验完成到39 %，发现半轴间隙较大，样机内部轻微异响，拆机发现差速器前壳体磨损，长半轴齿轮磨损，长半轴齿轮垫片磨损。故障图片见图1。

图1 差速器垫片失效图

观察失效图片，可以看出差速器壳体安装垫片面出现磨损，垫片表面出现磨损。初步判断该磨损失效模式为磨粒磨损。以下，就试验过程、失效件分析、QPQ表面处理工艺改进及方案验证几个方面将该失效进行简单阐述。

1.1 差速器耐久试验工况设计

开发阶段的差速器耐久试验工况主要是根据QC/T 1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》中第6.2.4.6条规定制定的，详细的试验工况见表1。

根据表1列出的试验时间，将其分为若干个小循环，按照一定的顺序进行试验。一般需要考虑的是台架能力及相关的实车工况，结合实车差速器的失效模式及差速器其余功能及性能类的试验结果确定差速耐久试验边界条件。

表1 台架测试工况

1.2 失效件分析

对差速耐久试验样机拆解分析后，除了发现差速器垫片失效外，还发现差速器输出半轴轴管发生一定的粘接磨损。具体见图2。

图2 差速器输出半轴失效图

结合差速器垫片失效模式，初步判断为润滑不良导致的异常摩擦问题。

2.1 通过试验确定润滑不良问题

针对润滑不良问题，进行了专门的CAE流体仿真分析及润滑试验，试验结果如图3所示。

图3 润滑试验结果

从润滑试验结果可以看出，输出半轴垫片处（图3中黑色油封外围处）并没有足够的红色润滑油到达及积聚。使用临时方案，使用外接油管为差速器垫片处增加1 L/min的润滑油量，差速耐久试验后进行拆解，各个零件正常，从而证明了初始的润滑不良的推断。因为没有的干摩擦发生，因此没有外接热电偶进行局部温度测试。

2.2 QPQ表面处理技术改进垫片摩擦

虽然通过CAE方法及润滑试验方法确认了润滑不良导致的垫片烧蚀，但是由于变速器结构限制，无法提供更多的润滑油到达此处。至此，准备采用垫片减摩的表面处理技术，进行垫片磨损失效的改进。本次案例中采用了垫片整体QPQ表面处理技术。QPQ盐浴复合处理实现了渗氮工艺与氧化工艺的有效复合，作为一种发展历史较短的金属表面强化技术，它不仅对环境无害，并且金属处理后有高的耐腐蚀性、硬度以及变形较小等优点。从渗层的显微组织看，QPQ复合处理后零件表面还有一层氧化膜，这是其耐蚀性较好的一个重要原因[4]。

QPQ表面处理技术是通过盐浴炉高温融化工业用盐，把需要处理的工件浸入熔盐中，通过控制时间和离子浓度达到增加工件表面硬度、耐磨、防腐蚀的目的，过程中没有三废产生，完全可以替代现有的电镀技术，在欧盟2017年9月停止使用电镀后，工业规模化和复杂尺寸结构的金属加固方面，从产能和经济性上用盐浴来替代的市场采用率很高。国内Xu-dong Chen等研究了QPQ表面处理后TP316H钢在液态钠中不同温度下的微动磨损，结果表明，由于高硬度氮化物层，QPQ处理显著提高了TP316H的耐磨性[5]。Zhen-bing Cai在此基础上进一步得出多层结构可以增强QPQ表面处理后TP316H钢耐磨性和耐腐蚀性[6]。

QPQ表面处理技术基本工艺路线见图4。

图4 QPQ工艺路线

其主要工艺过程为：除污清洗-预热-盐浴氮化-一次氧化-冷却干燥-抛光-二次氧化-冷却干燥-涂油包装[7]。其中，预热、盐浴氮化、盐浴氧化机理是氮碳氧复合处理技术机理。进行QPQ表面处理后的垫片如图5所示。

图5 QPQ工艺后垫片

使用改进后JL-2型湿式双离合变速器进行差速耐久台架试验，台架结构见图6[8]。

图6 台架结构

按照表1工况完成试验，对试验后样机进行拆解分析，结果如图7。

图7 试验后零件

从试验后的拆解结果来看，差壳与半轴垫片对比，未见磨损。至此，整个整改过程闭环。

目前变速器行业很多设计工程师都是从手动变速器设计进入行业的。随着变速器行业的发展，目前已经从手动变速器发展至混动变速器及纯电动变速器，对其性能要求都有着不同的提高。如果继续使用传统的工艺方法，就很难在变速器性能方面有着大的提升。本文中使用的QPQ表面处理技术，仅仅是一个引子，对变速器设计工程师提出了新的要求，在设计的同时必须掌握一定的先进制造及先进工艺方法，例如抗疲劳制造及半固态制造等[9,10]，才能更得心应手的进行设计，适应新式变速器行业的要求[11]。