徐工平地机配件之一的差速器，很好的体现了平地机性能，作为差速器核心零件的半轴齿，具有重合度大、传动平稳性好及承载能力大等特点，不过因设计、制造及过载等原因，可能会出现接触疲劳、磨损与胶合及断齿等故障，导致差速器失效，平地机无法正常行驶。天和就来和大家分析一下其失效原因。

1.半轴齿制造工艺与失效形式

差速器半轴齿轮结构设计如图所示

该齿轮零件通过“下料→磨外圆→车锥度→加热→温锻→正火处理→抛丸处理→磷化/皂化处理→冷校→钻孔→粗车背锥→切边→精车背锥→精车内孔端面倒角→拉花键→渗碳淬火→抛丸处理→精车轴颈平面→产品终验→清洗涂油→包装”工艺制造生产。

该半轴齿轮材料为20CrMnTiH，符合GB/T 5216—2004标准，其化学成分如图所示。

通过上述工艺生产出的半轴齿轮如图所示

将其交予用户使用后，用户反馈有部分齿轮出现失效，其中较典型的失效齿轮见图。

从图中可以判断该失效形式为断齿失效，是齿轮严重的失效形式，失效后差速器不能实现差速，容易发生事故造成人员伤害。

2.失效原因

①金相分析

为了准确判断断齿原因，对端口进行了金相观察，从结果看出，该断口未见疲劳破坏。轮齿断口无宏观可见的塑性变形，放射区占断口的很大部分，微观主要为沿解理面的穿晶断裂，可以判断出断口形貌为准解理+撕裂。上述分析表明，该齿轮未见疲劳断裂特征，为一次性断裂，断齿不是因为疲劳强度不足而断齿，无初始裂纹，齿面没有折叠，从而可以判断断齿是因为过载造成的，即齿轮强度不足造成断齿。

②故障再现实验及强度校核

在分析了制造过程与半轴齿轮强度有关的数据都合理的情况下，本文通过故障再现的结果进行分析计算，验证设计强度是否满足相关要求。驱动桥总成静扭实验的后备系数Kk=2.21；满足QC/T 534—1999驱动桥总成静扭强度后备系数Kk＞1.8；实验结果为半轴齿轮断裂，而非半轴。根据驱动桥设计原则，驱动桥传动系统中的薄弱环节应是半轴。实验结果显示半轴齿轮破坏时候的输入转矩1 670N·m，此时差速器壳的转矩为1 670×38/9=7 051.11（N·m），半轴齿轮承受的转矩为7 051.11/2=3 525.56（N·m）。根据设计经验普通的圆锥行星齿轮式差速器的转矩分配系数ε=0.55～0.6，取ε=0.6，则半轴齿轮实际能承受转矩为754×38/9×0.6=1 910.33（N·m），那么半轴齿轮的后备系数为3 525.56/1 910.33=1.85。查阅汽车行业标准QC/T 29108—1993，汽车驱动桥差速器行星、半轴齿轮质量分等要求合格品、一等品强度储备系数应≥2.5，因此，可得出造成半轴齿轮强度不足的根本原因在于设计强度不足。

③结构改进及有限元分析

按驱动桥设计原则薄弱的部件为半轴，根据与该齿轮相配合的半轴的静扭实验破坏的转矩后备系数2.63，那么更改结构后的半轴齿轮的后备系数至少要大于2.63，为了保证齿轮强度后备系数有的富余量，因此设计优化时半轴齿轮强度后备系数取K=3，半轴齿轮承受转矩为2 387.676×3=7 162（N·m），此时行星齿轮承受的转矩为7 162×25/40=4 476.25（N·m）。半轴齿轮有限元分析承受的转矩为7 162N·m时，应力＜980MPa。

本文采用ANSYS分析了半轴齿轮的受力情况，其有限元分析得到的应力集中点和故障件的破坏点位置相同。啮合区位置模拟示意图和红丹粉检测图可以看出，应力集中点和啮合区处于同一区域，导致齿轮承载能力差。

为了提高齿轮强度，本文对齿轮结构进行了改进，如图所示，在轮齿上下端增加了加强筋结构，并取图中所示X、Y为控制尺寸，其有限元分析结果如图所示。

当小端加强筋直径X＜44.2mm，大端加强筋厚度Y＞14.1mm时，应力点集中在大端齿顶和小端平面与面锥相交处；当小端加强筋直径X=44.2mm、Y=14.1mm时，小端平面与面锥相交处（故障件破坏点）的应力点消失，只存在大端齿顶处的应力点，此时半轴齿轮承受的转矩值为7 162N·m（按设计优化设定的目标加载的转矩），这时的应力点的应力值为592.9MPa，小于980MPa，有的强度富余量，为了保证强度有足够的富余、便于加工，在材料尽量少的情况下，X取（44.4±0.1）mm， Y取（13.9±0.1）mm。

④改进后的齿轮效果验证

改进后的齿轮产品经用户使用后，在服役期内未出现轮齿断裂失效现象，产品达到用户使用要求。

通过建立仿真模型，设定变量，将模型通过有限元分析，分析得到结果与实验结果基本一致，用于开发新产品时，作强度理论分析，可缩短开发时间，减少实验浪费，提高一次开发成功率。采用有限元分析验证齿轮设计，能有效地保证半轴齿轮设计强度，避免了变速器因此而产生故障。