組合式車橋減速器殼蓋設計優化

陳田兵，張學冉，駱強，黃志超

（1.江西江鈴底盤股份有限公司，江西 撫州 344000；2.華東交通大學 載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌 330013）

組合式車橋設計會涉及到車橋減速器殼蓋設計，設計師們可能會借鑒陳文珂等[1—6]的一些成熟經驗，一般不進行設計分析或者設計預防。楊文等[7]對主減速器殼體強度及密封性的分析結果表明，該設計在試驗場耐久性試驗或者售后均可能出現減速器殼蓋滲漏的質量隱患[8]。這種問題很棘手，由于牽涉到產品設計，很難短時內整改到位。文中對組合式車橋減速器殼蓋設計進行了論述，介紹了組合式車橋減速器殼蓋密封失效的機理和結構設計，并進行了CAE 分析[9]，確定了改進措施，最終總結了減速器殼蓋的設計思路。

1 組合式車橋簡介

圖1 為組合式車橋結構示意圖，它由減速器總成、套管總成以及輪邊零部件3 大部分組成。文中所論述的車橋減速器殼蓋是通過殼蓋螺栓壓緊聯接在減速器總成上，兩者之間結合面涂抹平面密封膠，殼蓋螺栓螺紋前幾牙涂有厭氧膠，該厭氧膠具有鎖緊、密封功能。

圖1 組合車橋結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined axle structure

2 減速器殼蓋結構設計

上述組合式車橋減速器殼蓋存在多種設計方案，下面分別介紹并闡述設計思路。常用的減速器殼蓋設計見圖2。

圖2 常用減速器殼蓋結構Fig.2 Structure of commonly used reducer casing cover

如圖3 所示，為加強減速器殼蓋剛性并便于減速器殼蓋拆解，本設計在常用減速器殼蓋周邊進行翻邊處理，拆解時可以使用工具側向敲擊減速器殼蓋翻邊的側邊進行拆解，這也是故障后橋設計方案。

圖3 翻邊處理后的減速器殼蓋結構Fig.3 Reducer casing cover structure after flanging

為滿足減速器殼蓋與減速器接觸面的平面度要求，在減速器殼蓋周邊接觸面設計凸起壓痕，如圖4所示，凸起壓痕寬度為8～10 mm，高度為0.5 mm。

圖4 設計凸起壓痕后的減速器殼蓋結構Fig.4 Reducer casing cover structure after design of raised indentation

3 減速器殼蓋滲漏機理分析及CAE分析

3.1 滲漏機理分析

圖5 為某輕型客車雙胎車橋耐久性試驗減速器殼蓋滲漏的圖片。在單胎車橋（車橋承載質量為2500 g）耐久性試驗時并沒有發生滲漏質量問題，雙胎車橋承載質量為3000 g，車橋耐久性試驗出現車橋減速器殼蓋有輕微滲油現象。故障發生時，完成里程約74%。由此可知，后橋承載增大是泄漏產生的邊界影響因素。

圖5 減速器殼蓋滲漏Fig.5 Leakage diagram of reducer casing cover

對故障車橋殼蓋螺栓進行力矩檢測，發現如圖6所示的漏油處殼蓋螺栓殘余力矩（原始技術要求為54～68 N·m）檢測結果為23.4 N·m（序號2），其周邊兩個螺栓殘余力矩為16 N·m（序號1）和22 N·m（序號12）。

在耐久性試驗過程中，車橋承載在復雜工況下，經長期疲勞，車橋存在變形，減速器殼蓋與減速器接觸面之間產生間隙，導致殼蓋螺栓擰緊力矩衰減，致使車橋減速器與減速器殼蓋結合面掙脫密封膠的粘連而松動，逐漸發生滲透。

圖6 減速器殼蓋滲漏處示意圖Fig.6 Schematic diagram of the leakage of the reducer casing cover

3.2 CAE 分析

為分析解決此質量問題，通過CAE 分析技術[10—12]，進行了減速器殼蓋強度分析及密封性分析，以探尋減速器殼蓋強度及密封要求是否合理。其中，分析軟件采用ABAQUS，建立模型步驟如下。

3.2.1 建立有限元模型

采用三維建模軟件UG 建立組合車橋的模型，并將其導入分析軟件ABAQUS 中，如圖7 所示。

3.2.2 確定邊界條件

在軟件ABAQUS 的前處理中設置組合車橋的邊界條件：左輪心約束x，y，z方向位移自由度；右輪心約束y，z方向位移自由度，左、右板簧座約束繞x軸旋轉自由度[13—15]。

圖7 組合車橋有限元模型Fig.7 Finite element model of combined axle

圖8 組合車橋有限元模型Fig.8 Finite element model of combined axle

3.3 減速器殼蓋強度分析

分別在左右板簧座施加14 700 N 的力。經分析后結果為：減速器殼蓋最大應力為橢圓圈住區域圓角位置處，最大應力為155.4 MPa，位于圓角位置處，小于材料屈服極限，滿足強度設計要求[16]。

圖9 減速器殼蓋Fig.9 Reducer casing cover

3.4 減速器殼蓋密封分析

為快捷有效地解決耐久性試驗中出現的減速器與減速器殼蓋結合面滲漏質量問題，考慮到實施的繼承性及有效性，從螺栓[15]預緊力、螺栓個數、減速器殼蓋板材厚度以及接觸壓力等方面進行了CAE 分析，探討其對減速器殼與減速器殼蓋工作間隙的影響。制定5 種分析方案并進行CAE 對比密封性分析。

3.4.1 載荷

車橋載荷由2.5 倍后橋軸荷和1.8 倍發動機向后橋傳遞的扭矩組合而成，分別是：2.5×3000 kg（軸荷）；1.8×355 N·m（發動機扭矩）×5.441（Ⅰ檔速比）×3.583（主減速比）。設定減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙大于0.06 mm 時顯示為紅色，作為滲漏臨界時工作間隙判定標準要求。

3.4.2 分析計算

A 狀態（故障后橋狀態）使用12 個螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為2.122 mm，如圖10 所示。

圖10 減速器殼與減速器殼殼蓋A 狀態Fig.10 State of reducer casing and reducer casing cover A

B 狀態（螺栓擰緊力矩增大）使用12 個螺栓，螺栓擰緊力矩為73 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為2.122 mm，如圖11 所示。

圖11 減速器殼與減速器殼殼蓋B 狀態Fig.11 State of reducer casing and reducer casing cover B

C 狀態（增加2 個螺栓）使用14 個螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為0.076 87 mm，如圖12所示。

圖12 減速器殼與減速器殼殼蓋C 狀態Fig.12 State of reducer casing and reducer casing cover C

D 狀態（減速器殼蓋接觸面設計凸起壓痕）使用12 個螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。采用如圖4 減速器殼蓋設計，在周邊接觸面設計凸起壓痕，在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為0.076 87 mm，如圖13 所示。

圖13 減速器殼與減速器殼殼蓋D 狀態Fig.13 State of reducer casing and reducer casing cover D

E 狀態（減速器殼蓋板厚由3 mm 變更為4 mm）使用12 個螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為2.944 mm，如圖14 所示。

圖14 減速器殼與減速器殼殼蓋E 狀態Fig.14 State of reducer casing and reducer casing cover E

3.4.3 結果分析

1）橢圓圈住部位為試驗中漏油的部位。A、B 狀態下，工作間隙全部大于0.06 mm，存在滲漏隱患。

2）螺栓力矩增加后，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙沒有明顯變化，增大螺栓擰緊力矩不能改善減速器殼蓋滲油現象。

3）C 狀態，在橢圓圈住部位，上下對稱增加2個螺栓，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙有顯著改善，工作間隙明顯變小，間隙在0.03 mm 之內，顯示為綠色、藍色。以0.06 mm 為泄露指標時，能夠保證原滲漏位置不發生泄漏。

4）D、E 狀態，橢圓圈住部位工作間隙存在大于0.06 mm 的部位，有所改善，紅色區域雖沒有貫通，但仍存在滲漏風險。5）根據CAE 分析結果，對A，B，C，D，E 這5 種狀態進行了匯總，如表1 所示，其判定標準均為工作間隙小于0.06 mm，未貫通。

表1 減速器殼蓋密封性分析表Tab.1 Sealing property of reducer casing cover

4 總結

減速器殼蓋與減速器接觸面密封性的設計，牽涉方面較多。僅就某輕型客車雙胎車橋耐久性試驗出現的減速器殼蓋滲漏問題，在其現有結構的基礎上對減速器殼蓋周邊進行翻邊設計，用CAE 分析技術方案，通過分析和計算最終得出方便、快捷有效的解決方案。設計師們還可以從螺栓的分布位置、接觸面密封膠、殼蓋螺栓的鎖緊密封膠等其他結構設計上進行探索分析，相信也可以找到行之有效的方案，但無論哪種方案都需進行強度及密封性分析，滿足相關要求，這樣才能確保方案可行。