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車橋嚙合套結構改進

2020-04-16
張龍
(汽車技術研究所)
  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有嚙合套進行結構強度分析,根據分析結果以及失效行駛對現有嚙合套進行了結構改進。通過多輪仿真分析和試驗驗證,確定了嚙合套最終的優化結構,并完成了改進結構的切換。售后統計,切換后輪間差速系統故障索賠降低了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:
 ?。?)根據各部件在主減總成內所處的位置,因嚙合套位置較高,故已經損壞的導向軸承、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。
 ?。?)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帶動起來,進而造成主減內其他件的損壞。
  當嚙合套由于非預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生。
  可以看出,失效主減集中表現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,距端面齒外側約1/4至1/3齒長,斷口沿齒根側進行擴展,直至花鍵。
圖1 失效照片
  2 原因分析
  根據失效模式,對失效件符合性進行了排查:
 ?。?)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力集中,見圖2。
圖2 根部無圓角或圓角小
 ?。?)嚙合齒側面的接觸印跡不均勻,一般偏向于外側,從而導致偏載現象,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力或者提高材料的強度,其次應盡可能防止偏載發生。
 ?。?)加大端面齒根部圓角,盡可能減小應力集中,改善粗糙度,為了增加根部過渡圓角,將齒高適當增加。
 ?。?)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。
 ?。?)端面齒精鍛成型,保證加工流線完整,側面按圖紙加工體現凸面修形結構,以改善嚙合接觸印跡,減少嚴重偏載現象。
 ?。?)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格,建立滑動嚙合分析模型,根據實際工況,對現有結構進行分析計算,根據分析結果,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 結構改進
(左圖現結構,右圖改進結構)
  如圖5所示,應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 分析結果
(左圖現結構,右圖改進結構)
  通過改進,在校核工況下,關注區域應力降低15%,見表1,小于材料屈服強度,嚙合套安全系數大于1.3。
表1 改進前后應力對比
  5 試驗驗證
  根據嚙合套實際工作狀態,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
  通過臺架驗證可以得出,在試驗工況下,改進結構通過臺架驗證。因改進效果顯著,對該結構組織市場驗證,通過售后數據對比,故障索賠降幅在50%以上,達到了改進目的。
  6 結論
  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構改進,經過臺架試驗驗證,達到了設計要求。在后續的市場驗證中也表現良好。本文的分析結果對嚙合套及相關件的改進有一定的指導作用。
  參考文獻
  [1]竺延年.最新車橋設計、制造、質量檢測及國內外標準實用手冊.北京:中國知識出版社,2005.
  [2]賴姆佩爾.懸架元件及底盤力學.吉林:吉林科學技術出版社,1991.