为了解决驱动桥总成齿轮弯曲疲劳台架试验中轮边减速器太阳轮失效问题，文章对失效太阳轮的宏观形貌、化学成分、金相组织、硬度及硬化层深度等方面进行综合分析，推测太阳轮失效原因为齿轮受力偏载。基于 MASTA 软件对驱动桥总成进行有限元分析，发现太阳轮的齿轮接触疲劳安全系数小于 1 而且与行星轮之间存在明显的边缘接触。因此，推断出太阳轮失效的原因为齿轮受力偏载导致齿面局部应力过大。针对太阳轮失效原因进行改进，将太阳轮的齿宽增加 10 mm 并进行齿轮修形，失效问题解决。该研究为太阳轮失效原因分析及改进提供了依据。
轮边减速器是驱动桥的核心结构之一，是为了满足整个传动系统驱动力的匹配，在主减速器总成的基础上进一步提高驱动力，而增设的减速增扭装置，可以满足在总传动比相同的条件下，通过减小主减速器总成的尺寸获得更大的离地间隙，广泛应用于自卸车、载重货车以及矿车。由于太阳轮和多个行星轮同时啮合，承受多个行星轮传递的交变载荷，因此太阳轮作为动力输入机构，决定了整个轮边减速器是否能正常工作。当前，驱动桥轻量化是整个重卡行业的发展趋势。为了实现驱动桥轻量化，本文新开发的轮边减速器行星轮数量，由传统的 5 个减为 3 个，在进行驱动桥总成齿轮弯曲疲劳试验验证时，出现太阳轮点蚀剥落现象。为了查找太阳轮失效原因，本文采用理化检验分析和基于 MASTA 软件的有限元分析两种方法，对失效太阳轮进行综合分析，确定失效原因并针对太阳轮失效原因进行改进验证。
理化检验
失效太阳轮材料为 20CrMnTi，热处理方法为齿面渗碳淬火，硬度要求 59～63 HRC，有效硬化层深 0.9～1.2 mm。为了分析失效原因，首先对失效太阳轮和未失效太阳轮进行理化检验，理化检验太阳轮如图 1 所示。
图 1 理化检验太阳轮
宏观形貌：图 2 为失效太阳轮和未失效太阳轮的宏观形貌，失效太阳轮齿面明显可见点蚀剥落以及齿轮啮合留下的压痕，且内外两侧压痕差距明显。这表明齿轮在啮合过程中存在偏载现象，偏载使局部区域接触正应力和摩擦力增大，产生了局部塑性变形。未失效的太阳轮齿面点蚀不明显但同样存在偏载现象。由此推测，太阳轮在运行过程中局部受力偏载，导致一侧超出齿面承受极限，发生点蚀剥落，进而影响到整个齿面。
图 2 太阳轮宏观形貌
化学成分检验：对失效太阳轮和未失效太阳轮进行化学成分检测，结果如表 1 所示，各项化学成分指标均符合《合金结构钢》（GB/T 3077－2015）标准要求。
表 1 化学成分检验结果（质量分数，%）
金相组织检验：对失效太阳轮和未失效太阳轮进行金相组织检测，结果如表 2 所示，各项指标均符合《汽车渗碳齿轮金相检验》（QC/T 262－1999）标准要求。
表 2 金相组织检验结果
硬度及硬化层深度检验：根据《金属材料 洛氏硬度试验 第 1 部分：试验方法》（GB/T 230.1－2018）的要求，使用数显洛氏硬度计分别对失效太阳轮和未失效太阳轮齿面位置测量三次，检测结果如表 3 所示，符合设计要求。根据 LUO 等的研究，在节线附近，齿轮副的摩擦力方向、相对运动方向发生变化，点蚀故障易发生在齿轮啮合节线处。因此，按照《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定与校核》（GB/T 9450－ 2005）检测太阳轮节线处硬化层深度，检测结果为：失效太阳轮硬化层深度最小值为 0.926 mm， 未失效太阳轮硬化层深度最小值为 0.954 mm，同样符合设计要求。
表 3 表面硬度检验结果（HRC）
理化分析结果表明，失效和非失效太阳轮的化学成分、金相组织、硬度以及硬化层深度均合格。通过宏观形貌的分析，推测太阳轮失效原因为齿轮受力偏载导致齿面局部应力过大。
有限元分析
有限元模型建立：MASTA 软件是一款专业用于传动系统设计、仿真和分析的商业软件，对于齿轮-轴-轴承结构的传动系统具有强大的仿真分析能力。本文基于 MASTA 软件建立驱动桥总成动力学模型，对于齿轮部件材料的材料属性、S-N 曲线、表面硬度、热处理等级进行规定。在 HyperMesh 软件中为关键齿轴部件建立有限元网格模型并导入 MASTA 软件 FE Parts 模块中，其中桥壳壳体总成、差速器壳体总成、行星架等部件采用二阶四面体网格单元 C3D10M，网格连接类型选择 tie。内齿圈采用二阶六面体网格单元 C3D20R，如图 3 所示。
图 3 内齿圈网格模型
太阳轮齿面接触强度分析：MASTA 高级齿轮承载接触分析，该计算方法在传统的切片法齿轮接触分析方式的基础上进行了改进，通过在 MASTA 软件中对轮齿表面进行网格划分，采用切片法与有限元法混合的方式进行求解计算，从而保证计算效率的同时提高计算精度。
按照桥总成齿轮弯曲疲劳台架试验的标准进行有限元分析计算，输出 1×105 转。齿轮承载接触分析结果显示：太阳轮的齿面接触安全系数为 0.85，齿面局部压力偏大且存在明显的边缘接触，如图 4 所示。因此，推断太阳轮失效的原因为齿轮受力偏载导致齿面局部应力过大。
图 4 太阳轮应力图
综合太阳轮材料理化分析以及有限元分析结果，推断出太阳轮失效的原因为齿轮受力偏载导致齿面局部应力过大。这是行星轮数量减少导致轮边减速器整体结构均布性变差引起的。
优化方案
齿轮修形分为齿形修形和齿向修形，齿型修形主要是降低啮合冲击、减少噪音，而齿向修形为降低齿面载荷分布系数，减少偏载提高承载能力，齿向修形可以有效避免边缘接触问题。针对太阳轮失效的原因，通过齿轮齿向修形减小偏载，进而解决局部齿面接触压力过大问题。由于增大齿宽可以降低齿面的单位载荷，因此除了齿向修形之外，还将太阳轮的齿宽增大 10 mm，行星轮、内齿圈等零部件同步调整。
MASTA 齿轮计算分析软件可以自动推荐齿轮修形参数且可以实现反复优化修形量获取最佳修形效果。经过计算分析，对行星轮齿向修形采用中间起鼓修形加螺旋线修形，左齿面鼓形量为 15 μm，螺旋形修形量为-50 μm，右齿面鼓形量为 10 μm，螺旋形修形量为 30 μm。
按照桥总成齿轮弯曲疲劳台架试验的标准对优化后的轮边减速器进行有限元分析，齿面接触安全系数为 1，比优化前提高 15%，安全性得以提升。
桥总成齿轮疲劳台架试验验证
有限元分析验证之后，重新进行桥总成试制，然后进行桥总成齿轮弯曲疲劳台架试验，3 根试验桥总成的轮边输出分别为 11.5 万次、10.6 万次和 10.8 万次，符合《商用车驱动桥总成》（QC/T 533 －2020）标准要求（齿轮弯曲疲劳：试验样品中最低寿命应不低于 1×105 次）。
针对行星减速器太阳轮点蚀剥落故障，通过理化检验以及有限元分析确定故障原因，并进行优化改进，最终通过台架试验验证，得出以下结论：1）齿轮受力偏载会造成齿面局部应力增大，超出齿面承受极限，发生点蚀剥落。2）齿轮修形可以改善齿轮受力偏载，后续进行齿轮设计时需要进行必要的修形。3）故障件失效的原因分析，需要通过理化检验和有限元分析综合判定。4）行星轮的数量减少会使轮边减速器整体的均布性变差，导致与太阳轮接触偏载，出现点蚀剥落。
来源：汽车实用技术