差速器是驅動橋結構組成中最重要的部分，其作用是將轉矩傳遞給驅動車輪并保證驅動車輪以不同轉速做純滾動運動，減少輪胎磨損。輪間差速器作用是實現左右車輪的傳扭及差速，軸間差速器作用是實現雙聯驅動橋在行駛中中橋與后橋的傳扭及差速。
差速器工作時，行星齒輪繞著十字軸旋轉，由于重型貨車傳遞的轉矩較大且工況復雜，十字軸與行星齒輪之間的接觸壓力大，磨損相對嚴重，尤其軸間差速器由于結構上處于減速器上方，潤滑效果差，故障率相對較高。十字軸與行星齒輪之間磨損造成行星齒輪與半軸齒輪接觸異常，產生異響，嚴重時產生燒蝕、膠合在一起，甚至造成十字軸斷裂影響車輛行駛功能。
一、故障統計及失效分析
差速器失效的主要原因是載荷大、轉速高，路況惡劣及潤滑不良等，目前隨著差速器殼體及墊片的改進升級，差速器當前主要失效模式是十字軸磨損燒蝕。在統計某年全年驅動橋故障數據時發現，十字軸與行星齒輪故障無論按索賠金額還是索賠次數都排在第二位置，見表1。
通過統計分析數百件失效的十字軸及行星齒輪，軸間差速器十字軸數量與輪間差速器十字軸(或一字軸)數量相當，即軸間差速器十字軸故障率是輪間差速器的2倍。重點針對軸間差速器進行研究，解決辦法同樣適用輪間差速器。故障模式如圖1所示。
二、失效原因分析
失效模式復現
按照QC/T 533標準第5.10條對某輪間差速器橋進行疲勞試驗，試驗條件見表2。
QC/T 533標準中沒有規定軸間差速器的疲勞試驗，規定按照表3參數進行。
選取輪間差速器、軸間差速器各2套進行臺架復驗(見圖2)，結果見表4。
試驗結論：輪間差速器、軸間差速器符合設計要求。差速器十字軸與行星齒輪出現一定磨損但未失效或膠合，故障初步得到復現，但沒有市場反饋損壞得嚴重。
當前行業標準標準對差速器評價的不足
按照標準通過臺架試驗的差速器總成，量產裝車后仍舊故障率很高，說明標準規定的試驗項目驗證的不充分、不全面，存在不足，沒有考慮極端工況的差速器使用情況。
1)冰雪或泥濘路面車輛打滑初期，駕駛人未能及時使用差速器而連續踩油門的工況。該工況應區分中橋打滑和后橋打滑，中橋一側車輪打滑時中橋輪間差速器與軸間差速器同時工作，此時中橋從動錐齒輪高速旋轉形成飛濺潤滑，中橋軸間差速器是處于有潤滑的工況;后橋一側車輪打滑時后橋輪間差速器與中橋軸間差速器同時工作，此時中橋從動錐齒輪靜止，中橋軸間差速器處于無潤滑的工況。這種高速低扭的短時工況及軸間差速器缺少潤滑的工況需要驗證并解決。
2)車輛在附著系數良好的路面重載起步時動力對差速器總成的沖擊，尤其對電驅動車型起步沖擊更大，同時存在驅動與能量回收反拖時的換向沖擊。這種沖擊對十字軸早期沖擊是否產生磨損需要驗證并解決。
3)在中橋做效率臺架試驗時發現，由于阻力的作用中橋輸入轉速與貫通軸轉速始終存在微小差異，說明軸間差速器始終處于工作狀態。在實車運行過程中，即便平直道路行駛可能軸差、輪差也始終處于微動磨損運動中，尤其某個輪胎出現磨損不均勻滾動半徑不一致時或顛簸路況時。這種常規磨損工況當前標準已經能夠充分驗證。
三、改進方案及驗證
假設行星齒輪和半軸齒輪嚙合完美。一些普通的改進方法，諸如提高十字軸精度、升級十字軸材料、采用內孔修行的行星齒輪等，改善程度有限，以軸間差速器總成為研究對象進行改進升級。
軸間差速器產品改進
方案一，在十字軸與行星齒輪之間增加銅套，銅套壁厚2.5mm，參數見表5。
方案二，在十字軸與行星齒輪之間增加滾針軸承，滾針直徑2.5mm，與銅套互換。
在現有產品上改進兩種方案均，需要減小十字軸直徑或加大行星齒輪內孔直徑。通過有限元計算臨時按十字軸直徑減小2.5mm來進行試制樣件，為便于快速測試效果，采用了市場現有的帶保持架的滾針軸承(見圖3)。
臺架試驗方法改進
在充分考慮前述極端工況中前兩種及常規磨損工況，差速器磨損試驗按表6進行改進。
該試驗分為模擬打滑階段、沖擊階段、磨損階段三個階段，試驗條件下當輸入轉矩無故增加15%時，應停止試驗并檢查，否則直至磨損階段做完38h停止。
試驗結果
按改進的試驗方法，現生產產品市場故障得以充分復現，銅套及滾針軸承方案滿足臺架試驗標準，詳見表7。
小結
從試驗結果看，量產產品在較短里程甚至檢車線上軸間差速器燒蝕失效的故障多數是由于車輛打滑，差速器處于高轉速低轉矩狀態下造成的。該狀態轉速過高，發熱量大，潤滑油不能將熱量帶走，造成零件表面發生表面退火產生膠合或早期磨損，早期磨損的擴展導致失效加速。
合金銅套具有自潤滑功能但其表面承壓能力有限，銅對潤滑油會產生腐蝕，因此在重載橋型或長換油周期的橋型應用的比較謹慎。滾針軸承具有其獨特優勢，除了將滑動摩擦變為滾動摩擦降低摩擦系數外，滾針之間的間隙具有儲存潤滑油的功能，保證了潤滑的充分。
滾針軸承沒有大批量應用主要受制于裝配工藝。雖然軸承鋼材料的滾針承載能力強，但帶保持架的滾針軸承由于滾針數量有限，理論計算及臺架測試均無法滿足驅動橋總成靜扭強度不低于1.8的要求，采用滿滾滾針需要在零件結構或裝配工藝上尋找可行的解決方案。
為此作者發明了一種帶有滾針防掉落結構的軸間差速器結構，在行星齒輪一端增加階梯孔過盈壓裝槽形擋圈，滾針軸承涂抹潤滑脂后沿著行星齒輪內孔安裝在槽形擋片的凹槽中，槽形擋片對滾針起限位作用，防止滾針掉落。
在解決滾針裝配前提下，大批量應用之前還需要進行靜扭強度臺架測試，驗證十字軸、滾針、行星齒輪的靜強度(見圖4)。
軸間差速器的改進及驗證方案同樣適用于輪間差速器。
四、探索及展望
1)參照軸間差速器試驗結果，可對輪間差速臺架測試標準補充高速低扭及沖擊測試，更符合實車適用工況，完善后內容見表8。
2)在不改變現有產品結構基礎上可以考慮特殊涂層(見表9)，例如鍍鉻、DLC涂層、ALCrN及納米陶瓷涂層等。主要目的是通過提高十字軸表面硬度，減小表面粗糙度值，降低摩擦系數，減小磨損。目前受成本限制未能在重型貨車差速器十字軸上應用。
3)目前比較前沿的技術是在十字軸表面實施梯度滲硫(見圖5)、滲金屬等材料表面改性工藝，也是提高表面硬度減小摩擦系數的方法。梯度滲硫的優勢見表10。
金屬表面生成的硫化物主要有FeS、CrS、NiS、 MoS2等均屬于六方結構空間群，具有優異的固體潤滑性能，而最新的物態放電技術是蒸汽通過氣體離子轟擊來生成滲硫層，覆蓋納米和超晶格結構變化的多種硫化物，具有更低摩擦系數和更強的耐磨性能。
五、結語
1)重型貨車差速器十字軸磨損問題可以通過在十字軸及行星齒輪配合部位增加銅套或滾針軸承的辦法解決，滾針軸承驗證效果優于銅套，兩者可以做成互換方案，針對滿滾滾針裝配難度大的問題給出了有效的解決方案。
2)本文探索并驗證了軸間差速器臺架試驗方法及判定標準，補充了QC/T 533標準中關于差速器極端工況的驗證方法，為行業標準后續修訂提出了新的方向。
3)在不改變現有孔軸直徑的前提下提出了DLC 涂層、梯度滲硫、滲金屬等特殊的工藝研究方向，作者在后續的工作中會進行驗證并綜合考慮量產解決方案。
4)本文為差速器總成的設計及驗證提供了極具參考價值的設計及驗證方案，為解決行業難題提出獨特思想。
參考文獻略.