汽油發動機臺架試驗傳動軸系可靠性提升的研究

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 前言

在發動機臺架開發試驗中，經常會遇到摩擦片損壞圖1(a)、花鍵軸損壞如圖1(b)、緊固件斷裂如圖1(c)、軸承座損壞如圖1(d)、變速箱懸掛故障如圖1(e)、軸承損壞如圖1(f)。這些故障最終會導致試驗發動機連桿軸瓦、止推片、主軸瓦等零件的非正常損壞，對發動機零部件的故障分析產生干擾，嚴重影響新車型的開發進程。并且伴隨著發動機熱效率的提升，功率扭矩的增加，如何提升汽油發動機臺架試驗傳動軸系的可靠性，減少這些故障發生的頻率是整車發動機開發試驗中的難題。

圖1 汽油發動機臺架試驗傳動軸系部件

1 傳動軸系整體布局的研究

圖2是4缸汽油機臺架試驗的傳動軸系的連接示意圖。相比傳動的連接方式(工藝飛輪+彈性聯軸器)增加了圖2雙質量飛輪離合器總成和第一軸承體總成的部分。優點：采用手動檔整車飛輪離合器系統不安裝工藝飛輪，利用離合器和花鍵軸連接模擬整車狀態，振動較小，適用于耐久和性能開發試驗。

圖2 汽油發動機臺架試驗傳動軸系

等速轉動軸長度設計的計算如式(1)、式(2)所示。

(1)

n允許=0.8*n極限

(2)

其中，n允許表示的是傳動軸允許的轉速，r/min；n極限表示的是傳動軸極限轉速，r/min；l表示的是傳動軸長度，cm；D表示傳動軸外徑，cm；d表示傳動軸內徑，cm。等速傳動軸長度應該控制在50 cm左右范圍以內較為合理。

2 曲軸內部滾針軸承的安裝可以提升花鍵軸運轉的可靠性

發動機臺架耐久和性能試驗中在曲軸內部安裝滾針軸承主要目的是減少花鍵軸徑向跳動保護花鍵軸的使用壽命，降低摩擦片以及曲軸止推片損壞的故障率。為了避免花鍵軸突臺和滾針軸承端蓋接觸，在所有的耐久試驗中選擇了如圖3中的滾針軸承。該滾針軸承往往是安裝在自動變速箱內部，低功率發動機手動檔車型上并沒有安裝，這也是在部分發動機臺架開發試驗中所容易忽略的地方。原因是因為發動機開發試驗往往是最為苛刻的運轉工況，對傳動軸要求特別高。在花鍵軸末端利用滾針軸承給花鍵軸(尤其是過長的花鍵軸)一個支點，降低其振動損壞的風險。

圖3 滾針軸承

3 花鍵軸長度的控制對傳動軸系可靠性提升的研究

花鍵軸長度也是非常重要的參數之一，因為與其配合的是離合器和曲軸，由于該花鍵軸是臺架試驗非標設計的，在使用前必須進行相關長度的檢查確保安裝的可靠性。

圖4 花鍵軸尺寸鏈檢查的質量控制

圖4所展示的是在花鍵軸長度設計的時候尺寸鏈檢查的質量控制。缸體與離合器殼體之間的墊片的厚度為0.75 mm，滾針軸承的長度為22.3 mm，滾針軸承在曲軸內安裝后到曲軸端面的距離為1.5 mm，曲軸端面到缸體端面的距離為30.25 mm。這幾個參數都是確定的，W1表示的是花鍵軸到墊片(缸體與離合器殼體之間)的距離，如圖4計算公式W1<5.7 mm的話，花鍵軸會和曲軸接觸。所以圖5中利用游標卡尺可以測量W1的實際數值，控制花鍵軸的長度不能超過極限值，對此應進行質量控制。利用這種方法可以檢查所有相關類型花鍵軸的長度，避免發生發動機內部止推片及軸瓦的損壞。

圖5 利用游標卡尺測量W1的實際數值

4 軸承座、過度版、離合器殼體中心孔的同軸度的質量控制

圖6 離合器殼體與過度板、軸承座中心孔的偏離

由于花鍵軸是安裝在圖2中第一軸承體總成中的，第一軸軸承體總成包含軸承座、過度板、離合器殼體和花鍵軸軸承體。軸承座、過度板、離合器殼體這三個零件都有1個中心孔，中心孔必須和曲軸在同一條中心線上。圖6所展示的是離合器殼體(圖6中1)、離合器殼體過度板(圖6中2)、軸承座(圖6中3)中心孔發生了偏離，也就是說圖2中第一軸承體總成與曲軸中心線明顯發生了偏離，在發動機高速運轉的時候花鍵軸與曲軸之間產生振動，兩端軸承承受了不應該有的過大的徑向以及軸向振動，這也是造成一系列故障的原因之一。

解決方案：利用三坐標測量儀精確控制孔1、2、3之間的同軸度每個零件之間都有定位銷精確定位，保證在安裝的初始狀態摩擦片是自然狀態。不能出現圖6中摩擦片明顯中心偏離的情況。

5 激光對中在發動機臺架試驗中的應用

發動機臺架試驗中傳統的對中方式有直尺對中和千分表(百分表)對中，見圖7。這兩種方法的對中精度較低，對中時間也較長，而且很難形成有效的質量控制。

圖7 直尺對中和千分表對中

圖8中所展示的是一套利用對中基準、底板精確定位和激光對中儀使所有試驗臺架之間建立精確的對中關系的系統。首先加工制作兩個一模一樣的測功機基準1和測功機基準2(通過激光對中反復加工可以使其同軸度精度控制在0.02 mm之內)。將測功機基準1固定在對中工位上，測功機基準2可以移動到所有試驗室進行測功機的中心調節，測功機基準2可以與試驗室的所有定位底板相連接，通過激光對中使測功機基準1與所示試驗室的測功機之間建立對中關系。這樣每次安裝試驗發動機的時候只需要在安裝工位上與測功機基準1對中即可移動到任意一個試驗室進行試驗。這樣可以大大提升了對中質量和對中效率。當然在測功機維修或者移動之后需要重新校準。

圖8 試驗合架試驗中對中關系的系統

6 汽油機臺架試驗聯軸器和彈性支撐的優化

在發動機開發試驗中，遇到了如圖9所示各種緊固件的損壞，遇到這些問題不得不去分析臺架試驗聯軸器和彈性支撐。從圖9中可以看出在發動機臺架開發試驗中由于傳動軸系振動過大造成了各種損壞，飛輪開裂、增壓器螺栓松動、變速箱螺栓斷裂、排氣管支撐螺栓斷裂等各種問題。

圖9 各類固件的損壞

圖10表示的是優化了聯軸器和動力總成的彈性支撐。使用了等速傳動(CV)軸，其優點主要有如下幾個方面：(1)無振蕩及振動；(2)吸收軸向振動；(3)減少支撐結構負荷；(4)次級力偶恒定；(5)可以達到非常高的轉速，非常適合汽油機臺架試驗。

圖10 優化聯軸器和動力總成的彈性支撐

通過這幾個方面的優化，發動機和變速箱的振動都有了明顯的改善。圖11是優化前后的振動對比試驗?？梢钥闯?，發動機和變速箱各階次的振動都大幅度的降低到了可控范圍之內。

7 過度法蘭的輕量化設計

圖11 優化前后的振動對比試驗

如圖12所示，在保證強度的前提下利用最緊湊原理輕量化設計傳動軸的一些過度法蘭，重新設計CV軸的端蓋能夠輕松的實現其與多種發動機的連接,材料可以選擇304不銹鋼，條件允許的情況下可以選擇鈦合金。同時所有法蘭需要進行動平衡處理，保證轉速5 000 r/min以下的動平衡。

圖12 輕量化設計過度法蘭

8 結論

從傳動軸系整體布局，曲軸內滾針軸承、花鍵軸長度控制，激光對中，軸承座、過度版、離合器殼體中心孔的同軸度，汽油機臺架試驗聯軸器和彈性支撐及過度法蘭輕量化7個方面講述了如何對傳動軸系的可靠性進行質量控制和優化設計，這些方面都是經過實踐檢驗的。無論是發動機試驗臺架、混合動力試驗臺架，還是純電機試驗臺架都需要用到傳動軸系統，希望能給廣大工作人員帶來些啟發。

參 考 文 獻

[1]Kai B. Messungen am motor, abgasanalytik, pruefstaende und medienversorgung [M]. Messtechnik und Pruefstaende fuer Verbrennungsmotoren, 2016.

[2]Anwendungstechnische Hinweise fuer Gelenkwellen[Z].

[3]Rolf G. EUROPA-FACHBUCHREIHE fuer kraftfahrzeugtechnik[M]. Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik, 2010.

[4]毛謙德,李振青. 袖珍機械設計師手冊[M].機械工業出版社.