某主減速器總成臺架試驗(yàn)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹 兵，李 奔，張大磊，張 韜

（合肥美橋汽車傳動(dòng)及底盤系統(tǒng)有限公司，安徽合肥230000）

某主減速器總成臺架試驗(yàn)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹 兵，李 奔，張大磊，張 韜

（合肥美橋汽車傳動(dòng)及底盤系統(tǒng)有限公司，安徽合肥230000）

主減速器總成是后驅(qū)動(dòng)橋總成的重要組成部分，對其進(jìn)行失效分析對提高整車可靠性和安全性有著重要的意義。通過對一款新開發(fā)主減速器總成的臺架試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)引起主減速器總成早期失效因素。通過改變主減速器殼軸承蓋和差速器軸承調(diào)整螺母的結(jié)構(gòu)和尺寸等優(yōu)化手段，使得主減速器總成的疲勞壽命提高至國家標(biāo)準(zhǔn)。

主減速器總成；臺架試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

主減速器總成是驅(qū)動(dòng)后橋總成中的核心零部件。汽車動(dòng)力通過離合器、變速器和傳動(dòng)軸傳遞到主減速器總成。主減速器總成將傳來的扭矩改變傳動(dòng)方向，傳遞驅(qū)動(dòng)后橋總成的輪端部。在主減速器總成中，存在一對配合圓錐齒輪。在齒輪副中，主動(dòng)齒輪輪齒個(gè)數(shù)少，被動(dòng)齒輪輪齒個(gè)數(shù)多。主動(dòng)齒輪要轉(zhuǎn)幾圈，從動(dòng)齒輪才轉(zhuǎn)一圈，這樣可以明顯降低傳動(dòng)軸傳遞過來的轉(zhuǎn)速。本文通過主減速器總成失效模式分析，提出一種優(yōu)化主減速總成結(jié)構(gòu)方法來提升疲勞壽命。

1 主減速器總成

主減速器總成的傳動(dòng)比數(shù)值是固定的，傳動(dòng)比的大小是由主減速器總成中配合圓錐齒輪輪齒個(gè)數(shù)決定的。動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)出來后，不管變速器在什么檔位上，主減速器總成的傳動(dòng)比是總傳動(dòng)比的一個(gè)因子。由于有減速器總成的傳動(dòng)比存在，可以有效降低變速器的減速能力和減小變速器的尺寸，使車輛的總布置更緊湊。主減速器總成的結(jié)構(gòu)型式，主要是根據(jù)齒輪的類型、減速型式的不同來進(jìn)行分類[1]。

1.1 按齒輪副型式分

按齒輪副結(jié)構(gòu)型式分，可分為圓柱齒輪式、圓錐齒輪、準(zhǔn)雙曲面齒輪和蝸輪蝸桿等型式。

（1）圓柱齒輪。它的結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，常用斜齒圓柱齒輪。圓柱齒輪多用在發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)的主減速器，輪邊減速或者雙級主減速器中。

（2）弧齒錐齒輪。它的傳動(dòng)特點(diǎn)是主動(dòng)齒輪軸線與從動(dòng)齒輪軸線相互垂直交于一點(diǎn)。此外，工作時(shí)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，故工作平穩(wěn)、噪聲小、承載能力大。對安裝精度要求高，運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的場合。

（3）雙曲面齒輪。它的傳動(dòng)特點(diǎn)是主動(dòng)齒輪軸線與從動(dòng)齒輪軸線相互垂直而不相交。主動(dòng)齒輪軸線相對于從動(dòng)齒輪軸線向上（下）偏移一距離E，稱偏移距。相同條件下即傳動(dòng)比一定，從動(dòng)齒輪相同時(shí)雙曲面齒輪有較高的強(qiáng)度，同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，工作平穩(wěn)噪聲小。利用兩齒輪軸線允許偏移的特點(diǎn)可以調(diào)節(jié)汽車質(zhì)心位置或提高離地間隙，改善汽車在壞路面上的通過能力。目前這種齒輪廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)的驅(qū)動(dòng)橋中。

（4）蝸輪蝸桿。它的工作非常平穩(wěn)可靠、無噪聲，輪廓尺寸及質(zhì)量均小，可以得到大些的傳動(dòng)比。還有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是傳動(dòng)效率低。蝸輪蝸桿式減速器適用于發(fā)動(dòng)機(jī)縱置場合，但應(yīng)用較少。

1.2 按主減的減速型式分

主減速器的減速型式分為單級減速、雙級減速、雙速減速、單級貫通、雙級貫通。主減速和輪邊減速等。減速型式的選擇與汽車的類型及使用條件有關(guān)，只要取決于由動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性等整車性能所要求的主減速比的大小以及驅(qū)動(dòng)橋的離地間隙、驅(qū)動(dòng)橋的數(shù)目和布置型式等。

（1）單級主減速器

單級主減器具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、尺寸緊湊及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。一般都是采用一對螺旋錐齒輪或雙曲面齒輪，也有采用蝸輪傳動(dòng)的，廣泛地使用在主減速比小于7.6的各種中、小型汽車上。動(dòng)力從傳動(dòng)軸傳遞到主動(dòng)錐齒輪，由于主動(dòng)錐齒輪輪齒數(shù)少，直徑小，被動(dòng)齒輪輪齒多，直徑大，這樣達(dá)到減速的效果。

（2）雙級減速器

雙級齒輪減速器組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，制造成本也顯著增加，因此僅用于主減速比較大（7.6 ~12之間）且采用減速不能滿足既定的主減速比和離地間隙要求的重型汽車上。

雙級減速器可以分為整體式和分開式兩種：

（a）整體式主減速器。雙級主減速器中的兩級減速機(jī)構(gòu)裝在一個(gè)殼體內(nèi)稱整體式主減速器。

（b）分開式主減速器。雙級式主減速器中的第一級主減速器與第二級主減速器分開，并且各裝在一個(gè)單獨(dú)的殼體內(nèi)，稱分開式主減速器。當(dāng)?shù)谝患壷鳒p速器安裝在汽車左、右輪中部時(shí)稱中央減速器。

2 主減速器總成疲勞試驗(yàn)

在汽車驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)，主要依據(jù)國內(nèi)目前汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 534-1999《汽車臺架試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)》、QC/T 533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺架試驗(yàn)方案》來判斷，不過有的企業(yè)也根據(jù)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來編制自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了節(jié)約開發(fā)周期和開發(fā)成本，我司汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪疲勞主要是完成三件驅(qū)動(dòng)橋總成樣件試驗(yàn)，主要考核指標(biāo)為：單臺主減總成的疲勞壽命最低為30萬次，三臺主減平均中值壽命為50萬次[2]。

我司試驗(yàn)室驅(qū)動(dòng)橋疲勞壽命試驗(yàn)臺采用常見的T型布置，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)橋總成疲勞試驗(yàn)臺是由機(jī)座與夾具系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、兩端加載系統(tǒng)、噪音測量系統(tǒng)、油溫控制系統(tǒng)、定量加油系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電氣控制及能量回饋系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)及安裝基礎(chǔ)系統(tǒng)等部分組成。該試驗(yàn)臺主要用于檢測主減速器總成下線的綜合運(yùn)轉(zhuǎn)性能。試驗(yàn)臺主要完成的試驗(yàn)項(xiàng)目有：主減速器磨合試驗(yàn)；主減速器總成齒輪斑點(diǎn)嚙合試驗(yàn)；主減速器空載阻力矩試驗(yàn)；主減速器加載試驗(yàn)；主減速器差速器性能試驗(yàn)；主減速器噪音試驗(yàn)。試驗(yàn)臺另一個(gè)最大特點(diǎn)是采用的交流變頻電封閉試驗(yàn)方案，即加載電機(jī)可逆使用，當(dāng)作為發(fā)電機(jī)時(shí)，回饋的電能不能送入電網(wǎng)，直接通過變頻器的直流線，返回給驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，已達(dá)到節(jié)能的效果。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋疲勞壽命試驗(yàn)臺

我司新開發(fā)一款客車主減速器總成，這款主減速器總成主要是配套電動(dòng)客車后橋。電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接將動(dòng)力通過傳動(dòng)軸直接到主減速器總成；整車啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)速高，對齒輪瞬間沖擊力大，對主減速器總成可靠性要求高；主減速器總成裝配完成后運(yùn)至試驗(yàn)室，在驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)臺架上按照后橋最大輸出扭矩10 000 N·m，試驗(yàn)主減輸入轉(zhuǎn)速為316 r/min試驗(yàn)條件進(jìn)行總成疲勞試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見表1所示。

表1 主減速器總成第一輪疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過三臺主減總成失效模式分析發(fā)現(xiàn)，三臺主減總都存在差速器軸承調(diào)整螺母被擠出現(xiàn)象（具體見圖2所示）。由于差速器軸承調(diào)整螺母松動(dòng)，主減總成中主從齒輪嚙合位置不固定。在高速高扭情況下，齒輪出現(xiàn)早期疲勞失效。

圖2 主減失效圖片

3 主減速器總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

我司主減速器總成主要是單級減速器總成。主減速器總成主要由主齒凸緣螺母、凸緣總成、主動(dòng)齒輪總成、導(dǎo)向軸承總成、主減速器殼總成、差速器總成構(gòu)成。具體見圖3所示。

圖3 主減速器總成

其中主減速器殼總成主要由減速器殼、軸承蓋、軸承蓋螺栓、差速器軸承調(diào)整螺母、調(diào)整螺母鎖片結(jié)構(gòu)成。具體見圖4所示。

圖4 主減速器殼總成

新開發(fā)的主減速器總成，主減速器殼總成是借用我公司現(xiàn)有產(chǎn)品，主被動(dòng)齒輪是針對客車后橋?qū)ｉT開發(fā)。我司現(xiàn)有客車主減速器總成主要是運(yùn)用在輸出扭矩為8 500 N·m的后橋平臺上，這款主減總成運(yùn)用到10 000 N·m電動(dòng)客車上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接將動(dòng)力通過傳動(dòng)軸直接傳遞到主減速器總成。整車啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)速高，對齒輪瞬間沖擊力大；同時(shí)對齒輪強(qiáng)度和壽命要求高。齒輪在嚙合過程會(huì)產(chǎn)生X、Y、Z三個(gè)方向分力（具體見圖5所示），由于后橋輸出扭矩增加，導(dǎo)致Y方向分力增大；同時(shí)啟動(dòng)瞬間沖擊大，導(dǎo)致差速器軸承調(diào)整螺母要承受沖擊力。差速器軸承調(diào)整螺母與軸承蓋螺紋產(chǎn)生鎖緊力小于齒輪嚙合產(chǎn)生Y方向分力，差速器軸承調(diào)整螺母直接被擠出導(dǎo)致主減速器總成失效。

圖5 齒輪嚙合力分解

針對差速器軸承調(diào)整螺母與軸承蓋間螺紋鎖緊力不足，對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行檢測分析發(fā)現(xiàn)，軸承蓋不能與差速器軸承調(diào)整螺母完全配合，存在調(diào)整螺母露牙問題。具體見圖6所示。為了避免螺紋露牙和螺紋鎖緊力不足問題，在加工主減速器殼、軸承蓋時(shí)增加有效螺紋長度，同時(shí)差速器軸承調(diào)整螺母寬度。為了保證軸承調(diào)整螺母與主減速器殼總成間良好的配合，差速殼上軸承安裝距離向減殼中間減少。增加差速器軸承調(diào)整螺母和軸承蓋螺紋嚙合長度，提高差速器軸承調(diào)整螺母與軸承蓋間螺紋鎖緊力。通過差速器總成和主減速器總成結(jié)構(gòu)改善，沒有出現(xiàn)調(diào)整螺母露牙問題。具體見圖7所示。

圖6 調(diào)整螺母露牙

圖7 調(diào)整螺母沒有露牙

完成主減速器總成、差速器殼和差速器軸承調(diào)整螺母結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，重新裝配主減速器總成；按照后橋最大輸出扭矩：10 000 N·m，試驗(yàn)主減輸入轉(zhuǎn)速為316 r/min試驗(yàn)條件進(jìn)行主減器總成疲勞試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見表2所示。

表2 主減速器總成第二輪疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過第二輪主減速器總成臺架試驗(yàn)可以看出：主減速器總成疲勞壽命得到明顯的提升，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的中值50萬次要求，而且主減速器總成失效模式是主被齒輪失效破壞，沒有出現(xiàn)差速器軸承調(diào)整螺母被擠出現(xiàn)象。對比前后兩輪試驗(yàn)結(jié)果和主減速器總成失效模式，可以得出主減速器總成、差速器殼總成和差速器軸承調(diào)整螺母結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有效果的，主減速器總成疲勞壽命提升到國家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

隨著整車技術(shù)的發(fā)展，整車廠對底盤零部件的要求也越來越高，驅(qū)動(dòng)橋作為核心零部件尤為突出，在保證驅(qū)動(dòng)橋可靠性同時(shí)，也對驅(qū)動(dòng)橋的NVH性能提出更嚴(yán)格要求。主減速器總成作為驅(qū)動(dòng)的的核心組成部分，只有充分主減速器總成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對出現(xiàn)的失效模式來優(yōu)化主減總成的結(jié)構(gòu)，這樣才能提升產(chǎn)品的質(zhì)量和品牌的競爭力。

[1]劉唯信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001：294-308.

[2]王福和.汽車車橋標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：1-10.

圖6 改進(jìn)后密封面法向變形云圖

減速器殼體模型改進(jìn)后，在最大輸入扭矩下主減速器殼體應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。密封面只有邊緣處法向位移超出，范圍較小，齒輪油無法泄漏，即改進(jìn)后殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足密封要求。

6 結(jié)束語

文中利用了FEA軟件對該主減速器殼體的強(qiáng)度和密封性能進(jìn)行了分析，找出了殼體受力薄弱點(diǎn)和密封面的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。以分析結(jié)果為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，對減速器殼體的相關(guān)部位進(jìn)行了加強(qiáng)、改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉惟信.汽車車橋設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004，344-345.

Abstract：Using FEA software to optimize sealing surface between final drive housing and axle housing in phase of product design，provide the design guide to avoid the sealing surface leak oil.

Key words：FEA；final drive housing；sealing；improve

The Fatigue Life analysis and StructuralOptim ization for a Main Reducer

CAO Bing，LIBen，ZHANG Da-lei，ZHANG Tao
（Hefei AAM Automotive Driveline&Chassis System Co.，Ltd.，Hefei Anhui230000，China）

Main reducer assembly is an important part of the rear axle assembly，It is great significance to improve the vehicle reliability and safety by analyzing the failuremode.We found the premature failure causes of the main reducer assembly through a new main reducer assembly fatigue bench test analysis.The fatigue life of main reducer up to national standards by changing the main reducer shell bearing cover and differential bearing adjustment nut optimization such as the structure and size.

themain reducer assembly；test；structure optimization

The Automobile Rear Axle FinalDrive Housing Strength and Sealing Analysis

CHEN Li，CHEN Yan，LIU Song
（HefeiMei Qiao Automobile Transmission and Chassis System Co.，Ltd.，Hefei Anhui230000，China）

U463.3

A

1672-545X（2017）04-0024-04

2017-01-04

曹兵（1987-），男，安徽池州人，助理工程師，本科，研究方向：汽車零部件。