差速器是體現汽車性能的關鍵部件之一，通用汽車集團曾因差速器存在安全缺陷，在全球范圍內召回30余萬輛汽車。半軸齒是差速器的核心零件，其具有重合度大、傳動平穩性好及承載能力大等特點。半軸齒因設計、制造及過載等原因，可能出現接觸疲勞、磨損與膠合及斷齒等故障，當這些故障出現時將導致差速器失效，汽車無法正常行駛，甚至出現安全事故。目前對于差速器齒輪的故障的研究較少，特別是結合金相檢測和有限元分析的文獻還未見系統報道。為此，本文結合工廠實例分析半軸齒失效原因并對其改進，提升產品質量，達到用戶使用要求。

1. 半軸齒制造工藝與失效形式

差速器半軸齒輪結構設計如圖1所示，該齒輪零件通過“下料→磨外圓→車錐度→加熱→溫鍛→正火處理→拋丸處理→磷化/皂化處理→冷校→鉆孔→粗車背錐→切邊→精車背錐→精車內孔端面倒角→拉花鍵→滲碳淬火→拋丸處理→精車軸頸平面→產品終驗→清洗涂油→包裝”工藝制造生產。該半軸齒輪材料為20CrMnTiH，符合GB/T 5216—2004標準，其化學成分如表1所示。

通過上述工藝生產出的半軸齒輪如圖2a所示，將其交予用戶使用后，用戶反饋有部分齒輪出現失效，其中較典型的失效齒輪見圖2b、圖2c所示。從圖2b、圖2c中可以判斷該失效形式為斷齒失效，是齒輪最嚴重的失效形式，失效后差速器不能實現差速，容易發生事故造成人員傷害。

2. 失效原因分析

（1）金相分析。本文對失效齒輪進行了熱處理效果檢測，數據如表2所示，該齒輪熱處理符合產品技術要求。

為了準確判斷斷齒原因，本文還對端口進行了金相觀察，如圖3所示，從圖3a、圖3b中可以看出，該斷口未見疲勞破壞。輪齒斷口無宏觀可見的塑性變形，放射區占斷口的很大部分，微觀主要為沿解理面的穿晶斷裂，在圖3c中可以判斷出斷口形貌為準解理+撕裂。上述分析表明，該齒輪未見疲勞斷裂特征，為一次性斷裂，斷齒不是因為疲勞強度不足而斷齒，無初始裂紋，齒面沒有折疊，從而可以判斷斷齒是因為過載造成的，即齒輪強度不足造成斷齒。

（2）故障再現實驗及強度校核。在分析了制造過程與半軸齒輪強度有關的數據都合理的情況下，本文通過故障再現的結果進行分析計算，驗證設計強度是否滿足相關要求。驅動橋總成靜扭實驗的后備系數Kk=2.21；滿足QC/T 534—1999驅動橋總成靜扭強度后備系數Kk＞1.8；實驗結果為半軸齒輪斷裂，而非半軸。根據驅動橋設計原則，驅動橋傳動系統中的薄弱環節應是半軸。實驗結果顯示半軸齒輪破壞時候的輸入轉矩1 670N·m，此時差速器殼的轉矩為1 670×38/9=7 051.11（N·m），半軸齒輪承受的轉矩為7 051.11/2=3 525.56（N·m）。根據設計經驗普通的圓錐行星齒輪式差速器的轉矩分配系數ε=0.55～0.6，取ε=0.6，則半軸齒輪實際能承受最大轉矩為754×38/9×0.6=1 910.33（N·m），那么半軸齒輪的后備系數為3 525.56/1 910.33=1.85。查閱汽車行業標準QC/T 29108—1993，汽車驅動橋差速器行星、半軸齒輪質量分等要求合格品、一等品強度儲備系數應≥2.5，因此，可得出造成半軸齒輪強度不足的根本原因在于設計強度不足。

（3）結構改進及有限元分析。按驅動橋設計原則最薄弱的部件為半軸，根據與該齒輪相配合的半軸的靜扭實驗破壞的最大轉矩后備系數2.63，那么更改結構后的半軸齒輪的后備系數至少要大于2.63，為了保證齒輪強度后備系數有一定的富余量，因此設計優化時半軸齒輪強度后備系數取K=3，半軸齒輪承受轉矩為2 387.676×3=7 162（N·m），此時行星齒輪承受的轉矩為7 162×25/40=4 476.25（N·m）。半軸齒輪有限元分析承受的轉矩為7 162N·m時，最大應力＜980MPa。

本文采用ANSYS分析了半軸齒輪的受力情況，其結果如圖4所示，其有限元分析得到的應力集中點和故障件的破壞點位置相同。結合圖5所示嚙合區位置模擬示意圖和紅丹粉檢測圖可以看出，應力集中點和嚙合區處于同一區域，導致齒輪承載能力差。

為了提高齒輪強度，本文對齒輪結構進行了改進，如圖6所示，在輪齒上下端增加了加強筋結構，并取圖6中所示X、Y為控制尺寸，其有限元分析結果如圖7所示。

當小端加強筋直徑X＜44.2mm，大端加強筋厚度Y＞14.1mm時，應力點集中在大端齒頂和小端平面與面錐相交處；當小端加強筋直徑X=44.2mm、Y=14.1mm時，小端平面與面錐相交處（故障件破壞點）的應力點消失，只存在大端齒頂處的應力點，此時半軸齒輪承受的轉矩值為7 162N·m（按設計優化設定的目標加載的轉矩），這時的最大應力點的應力值為592.9MPa，小于980MPa，有一定的強度富余量，為了保證強度有足夠的富余、便于加工，在材料盡量少的情況下，X取（44.4±0.1）mm， Y取（13.9±0.1）mm。

（4）改進后的齒輪效果驗證。改進后的齒輪產品如圖8所示，經用戶使用后，在服役期內未出現輪齒斷裂失效現象，產品達到用戶使用要求。

3. 結語

（1）建立仿真模型，設定變量，將模型通過有限元分析，分析得到結果與實驗結果基本一致，用于開發新產品時，作強度理論分析，可縮短開發時間，減少實驗浪費，提高一次開發成功率。

（2）采用有限元分析驗證齒輪設計，能有效地保證半軸齒輪設計強度，避免了變速器因此而產生故障，為今后正確設計、制造汽車變速器具有重要意義。