在全球气候变暖的大背景下，减少温室气体的排放以应对气候变化，已成为全人类面临的共同挑战。中国在2020年9月22日明确提出“双碳”目标，即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，在2060年前实现碳中和 。基于这一国家政策，这几年汽车领域迎来了新能源车型的发展高速期。2024年以来，在商用车整体销量下行的背景下，新能源商用车逆势增长。根据中国汽车工业协会数据，2024年，我国新能源商用车国内销量为53.2万辆，同比增长28.9%，占商用车国内销量的17.9%。2024年8-12月，新能源商用车国内市场渗透率已连续多月超过20% 。

早期新能源商用车的主要驱动形式为控制器+驱动电机+传动轴+传统后桥的布置。随着技术的发展，逐渐向多合一的电驱桥发展。目前电驱桥按照驱动形式可分为集中驱动和分布驱动；其中集中驱动按照结构布置可分为独立悬挂式、垂直轴式、平行轴式和同轴式；分布驱动可分为轮边式和轮毂式。轻型商用车主要采取的驱动形式为平行轴式和同轴式。平行轴式电驱桥为当前主流的电驱桥方案，如图1所示。设计方案可借用传统后桥部分零部件，技术开发方案相对难度低，开发成本小，开发周期短，承载能力强，结合插管式后桥形式，可实现多种轮距变化。并且平行轴式电驱桥技术较成熟，适用车型广，量产具有较高收益。

图1 平行轴式电驱桥

本文分析的差速器总成结构如图2所示，目前在传统车桥上可应用于整车整备质量为4500~5500kg的4×2后桥。采用分体式的差速器壳与差速器壳盖、左、右半轴齿轮、行星齿轮由长短轴固定在壳体上，长短轴由保持架连接。

图2 差速器总成爆炸图

差速器的主要功用为，将主减速器传递过来的扭矩和转速分别传递给左右车轮，当汽车转弯行驶或在不平路面行驶时，使左右车轮以不同转速滚动，即保证两侧驱动车轮做纯滚动运动。在应用于传统车桥时，针对差速器总成可靠性的考察，主要考察差速工况。通常情况下，大多数企业参照QC/T533《商用车驱动桥总成》标准中第5.10节规定的试验方法和试验参数对差速器总成进行考核。但此标准中对于输入转速的要求相当于汽车前进车速10km/h时的工况，考核强度较低，对于部分车型和路况不能完全覆盖。因此有部分企业根据设计经验和路谱数据设立的企业标准进行考核，本文所研究差速器总成按照某企业标准进行台架试验，试验通过，如表1所示，说明此款差速器总成基本满足传统车桥性能要求。

表1　某企业差速器疲劳试验标准-针对传统车桥

因平行轴式电驱桥除驱动电机、减速器外的桥本体总成可借用传统车桥相关零部件以减少专用件的开发和相关验证费用。因此在产品开发时，按照此款差速器总成的外部接口进行相关连接件的设计选型，可拓展应用此差速器总成到同车型平台的平行轴式电驱桥上。在应用于电驱桥时，针对差速器总成可靠性的考察因为电驱动桥瞬态响应速度快于传统车桥，在汽车行驶时对于差速器总成承扭和转速要求提高，且为了提高传动效率，对减速箱和差速器总成的润滑方式为飞溅润滑，润滑效率降低，因此传统车桥的差速器可靠性试验参数不能覆盖到电驱桥。在新能源商用车领域，目前行业内缺少关于差速器总成的可靠性试验标准。因此，本文所用试验参数基于常用差速工况下新能源商用车辆轮端扭矩和轮毂转速的数据，结合恶劣路况下左右车轮的行驶状态，通过经验公式折合并选取合适的强度系数，得到能考察电驱桥差速器总成的试验参数，如表2所示。

表2　某企业差速器疲劳试验企业标准-针对新能源车桥

按此进行试验，结果为不合格。失效模式为行星齿轮与齿轮轴胶合，保持架有明显的烧蚀痕迹，如图3所示。说明在差速器总成结构不做更改的情况下，无法满足电驱桥的使用要求。

图3 试验后差速器内部状态

2　优化设计

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2.1　失效原因分析

2.1.1　发热量增加，导热性能差

通过对试验参数进行对比分析，可以看出电驱桥试验参数在转速、扭矩和差速上相较于传统车桥均有提高。在相同时间内由齿轮啮合、运动副摩擦产生的热量增大，致使齿轮与齿轮轴间过热，高温导致胶合。如图3所示可以看到高温致使保持架烧蚀的痕迹。

2.1.2　硬度低，耐磨性差

对零件硬度进行分析，行星齿轮与行星齿轮轴选用同种材料20CrMoH，热处理方式均采用渗碳淬火，表面硬度要求为58~63HRC。行星齿轮轴采用表面磷化提高表面质量，齿轮无表面处理。因转速提高，单位时间内行星齿轮内孔与行星齿轮轴的摩擦次数增加，导致磨损加剧，表面磷化层失效，发生胶合。在高倍显微镜下可以直观看出行星齿轮和齿轮轴的胶合状态，如图4所示。

图4 行星齿轮与齿轮轴胶合

2.1.3　润滑不充分

润滑方式改变。在应用于传统车桥时，采用的润滑方式是浸油润滑，差速器内部始终保持有充分的润滑油起到润滑作用；而应用于电驱桥时，采用的是飞溅润滑，如图5所示。现有差速器缺少有效导油结构，无法引导润滑油进入内部，导致润滑不足，在高倍显微镜下可以直观看出因缺少润滑导致的划痕，如图6所示。划痕是因为齿轮啮合产生的微小金属碎屑无法通过润滑油的循环排出内腔，留存在相对旋转的零件之间造成的。良好的润滑具有降低温度、减少摩擦和排屑清洁的作用。 

2.2　设计优化

通过上述对差速器失效样件的分析，可以明确差速器总成的优化方向：（1）优化导油结构，使更多润滑油进入差速器内部；（2）提高零件耐磨性，减小摩擦系数。

图5 差速器总成不接触油液

图6 齿轮与垫片接触面的划痕

2.2.1　优化导油结构

因润滑方式为飞溅润滑，需让更多油液进入差速器内部，因此对差速器壳盖结构进行优化，在非机加工面进行开孔处理，均布6个腰形孔，使飞溅油液可以通过腰形孔进入差速器内部。同时为了保证开孔后差速器壳盖有足够的强度，在腰形孔间增添加强筋，如图7所示。

图7 改进后差速器壳盖示意图

针对差速器壳体结构，有两个改进方案。方案一：思路和差速器壳盖一致，增加导油结构，在齿轮轴安装孔间开孔，并增加凸台提高强度，让油液由此进入，如图8所示。但采用此结构有强度不足的风险，而且会导致制造过程中，内腔加工时无法连续走刀，很难保证内球面加工精度，易出现质量问题，不建议考虑。方案二：在壳体内腔增加储油槽，将更多润滑油保留在内部，加强润滑，如图9所示。综合考虑下，本文采用方案二进行优化。

图8 方案一差速器壳示意图

图9 方案二差速器壳示意图

针对齿轮轴保持架，通过图3可以看出，保持架位于内部中心位置，占据了差速器内部较大空间，不利于润滑油在内部的留存和循环，因此考虑取消保持架，优化行星齿轮轴长、短轴的固定结构，采用卯榫方式进行固定，如图10所示。此结构加大了差速器内腔容积，提高润滑效果，还减少了零件数量和整体重量。针对半齿垫片，通过增加导油槽加强润滑和排屑能力，减小磨损，如图11所示。 

2.2.2 提高耐磨性，减小摩擦

上文中胶合发生的部位主要在齿轮与齿轮轴之间，但齿轮啮合未发生明显失效，说明齿轮承扭能力满足需求。因此主要考虑提高长、短轴的耐磨性。原设计采用渗碳淬火工艺，表面硬度要求为58~63HRC，表面粗糙度要求为Ra0.4。要提高耐磨性需提高表面硬度，又因行星齿轮和齿轮轴采用同种材料更易发生胶合，因此针对齿轮轴选用新材料20CrNi2Mo，此材料经渗碳淬火能达到更高的硬度，并选用耐磨性更好的表面处理工艺，采用镀镍的方式进一步提高表面硬度，最终表面硬度达到67~68HRC。同时粗糙度要求提高到Ra0.2，摩擦阻力更小。

图10 改进后长、短轴示意图

图11 改进后半齿垫片示意图

考虑到行星齿轮与齿轮轴胶合现象，在齿轮轴与齿轮的结合部位对称挖两个键槽，以此增强此区域的润滑效果。最终确定长、短轴的设计如图12所示。

图12 改进后齿轮轴长、短轴示意图

2.2.3 增加润滑油量

润滑不足的问题可通过改变飞溅润滑为浸油润滑，或者适量增加油量得到改善，但是需考虑到齿轮副搅动润滑油会产生搅油损失，影响整车经济性和续航里程。齿轮搅油损失与齿轮转速、齿轮浸油深度呈正相关，且随着齿轮转速与浸油深度的增大，齿轮搅油损失增速明显提高；齿轮在同一浸油深度与转速下，驱动齿轮顺时针旋转产生的搅油损失大于驱动齿轮逆时针旋转时产生的搅油损失。因此在设计优化时，应慎重增加油量，本次优化设计因考虑经济性和续航里程，未增加油量。

最终确定对差速器壳、差速器壳盖、齿轮轴长短轴和差速垫片进行设计优化。差速器总成结构如图13所示。

图13 差速器总成爆炸图

3.1 仿真分析

对优化设计的零件采用CATIA绘制三维数模后，将改进后的差速器壳体和壳盖导入MATLAB软件进行强度校核。差速器壳和差速器壳盖采用QT590材料，材料屈服强度为370MPa，实际最大为181MPa，满足强度要求，如图14所示。将差速器总成数模与减速器数模装配在电驱桥上，导入Fluent流体仿真软件内，对设计优化后的差速器总成进行润滑仿真，可以看到飞溅的油滴可通过优化设计后的腰形孔进入差速器总成内。可初步判定设计有效，如图15所示。

图14　强度仿真

图15　润滑仿真

3.2　试验验证

通过仿真分析本次设计优化的有效性，下一步通过样件试制、总成装配、试验验证来验证仿真结果。按优化设计后状态进行样件试制，按照表2标准进行摸底试验，试验通过。拆解试验后的差速器总成，观察各零部件试验后磨损情况，状态均良好，如图16所示。

图16 试验后拆解示意图

同时对搭载新状态差速器总成的电驱桥通过传感器进行NVH数据采集，数据无异常，证明差速器平顺性良好，如图17所示。后续进行整车的可靠性路试搭载，差速工况下运转平稳，无问题出现。

图17 差速工况下NVH数据截图

本文通过分析差速器总成的结构、性能和试验验证方法，从减小摩擦、增加耐磨性、加强润滑、仿真与验证等维度对该差速器总成进行优化设计方案讨论，最后确定了优化方案，并通过试验验证了优化方案可行。本文展示的结构分析-优化设计-试验验证的优化思路，可为同类企业在传统车型向新能源车型转型开发时提供思路。 

由于个人能力与研究条件的欠缺，本文的研究内容存在不足，需要在后续的研究中加以完善，主要包括： 

（1）在考虑润滑时，未充分考虑油量与润滑效果的对应关系，在后续的研究中应明确； 

（2）未考虑差速器总成外部腔体的结构对润滑的影响，在以后的研究中，通过更改外部腔体结构分析对差速器总成的润滑影响。