免維護傳動軸在客車上的應用

余 勇, 陳家磊, 陳志龍, 王樂冰, 常 穎

(金龍聯合汽車工業(蘇州)有限公司, 江蘇 蘇州 215026)

現在的客車多采用十字萬向節可伸縮式的非免維護型傳動軸,需要定期補加相應的潤滑脂進行相關保養維護[1-2],導致客戶用車保養維護的成本增加,且保養效果受人為因素影響較大。滾針軸承的潤滑和密封好壞直接影響傳動軸的使用壽命,當維護不當或密封不良時,會大大加劇傳動軸的磨損[3-4]。免維護傳動軸是目前解決上述問題最有效的方法,可一次加注潤滑脂,終身免維護,從而避免了用油損耗、廢油污染,既降低了使用和維護成本,又達到了節能環保的目的。

1 客車免維護傳動軸介紹

客車免維護傳動軸包含免維護萬向節、免維護花鍵副,和普通傳動軸相比采用了封閉式設計,實現了傳動軸整體終生免維護。

1.1 免維護萬向節

非免維護型萬向節為傳統滑脂嘴和潤滑槽結構,外部加潤滑脂進行潤滑,配合精度不高,潤滑脂經常外溢浪費。

免維護與非免維護萬向節對比如圖1所示。前者為自密封結構,采用凸度滾針十字形式,其萬向節的外徑和凸緣叉的內徑使用精磨工藝進行配合裝配。零件自身表面精度和配合精度很高,極大地降低了部件磨損。全新密封結構和防塵結構,內部潤滑槽和儲油坑優化設計,確保油脂不泄漏,污漬不進入,油脂壓力和容量一致性良好,大大降低了潤滑不均勻導致的磨損[5],可實現萬向節終生免維護。

圖1 免維護和非免維護萬向節對比

1.2 免維護花鍵副

非免維護花鍵副由傳統潤滑工藝的花鍵副和滑脂嘴組成,外部加潤滑脂進行潤滑,配合精度不高,潤滑脂經常外溢浪費,潤滑均勻性較差,摩擦系數高。

免維護與非免維護花鍵副對比如圖2所示。前者采用內外花鍵尼龍涂覆工藝,降低花鍵副摩擦系數,制作上的加工精度要求更高,花鍵副整體耐磨性比國標要高3～10倍,尼龍本身具有自潤滑作用,在裝配時只需添加少量合成潤滑劑,可實現軸管花鍵副終身免維護。

圖2 免維護和非免維護花鍵副對比

2 免維護傳動軸壽命分析與試驗

傳動軸是整車安全部件,每天頻繁轉動幾十萬次,必須保證各項使用壽命滿足國標專門性能試驗,避免工作時失效。整車使用場景下,萬向節和免維護花鍵副是售后頻繁更換的部件,常因快速磨損造成整車噪聲、震動,甚至出現斷軸現象。使用壽命增加可大大減小傳動軸故障率,從而大幅降低售后維護成本。

2.1 免維護萬向節壽命分析與試驗

免維護萬向節開發通過靜態強度、扭轉疲勞壽命、軸承接觸應力、滾針凸度的計算[6]。其中CAE仿真分析如圖3所示[7-9],CAE仿真校核其彎曲應力、切應力、萬向節滾針軸承的接觸應力,理論上論證了免維護萬向節使用壽命要高于非免維護萬向節。

圖3 萬向節設計階段CAE仿真

相關靜扭、疲勞和磨損試驗均按照QC/T 29082—2019[10]試驗方法執行,送樣的各類免維護萬向節均通過專業實驗室試驗,其中萬向節的磨損壽命達到150 h,遠高于標準要求的50 h。在極限使用壽命的對比試驗中,免維護萬向節的壽命遠遠高于非免維護型萬向節。

2.2 免維護花鍵副壽命分析與試驗

免維護花鍵副經過理論計算校核、有限元分析優化,降低接觸應力,優化配合精度,尼龍涂覆本身具有很強的耐磨性,理論上保證其磨損壽命大幅提升[11]。

相關滑動花鍵磨損試驗按照QC/T 29082—2019[10]的試驗方法嚴格執行,經過100萬次的滑動花鍵磨損試驗后無失效,遠高于標準要求的15萬次,而非免維護花鍵副的滑動花鍵磨損試驗一般在15萬～25萬次之間。

3 客車免維護傳動軸應用優勢

免維護傳動軸在重量、用材方面和普通傳動軸基本相同,但其在整車應用上優勢很大,主要體現在維護凈成本優勢和可靠性優勢。

3.1 維護凈成本優勢

按照典型客車使用場景,普通傳動軸萬向節每2 500 km,花鍵副每5 000 km均需進行一次維護(維護凈成本包含工時費和材料費),維護非常頻繁。萬向節每輛車終生理論上需維護360次,花鍵副每輛車終生理論上需維護180次。經過計算,免維護傳動軸的終生維護凈成本至少降低5 400元。

3.2 可靠性優勢

作為客車安全性核心部件,免維護萬向節壽命是傳動軸設計的重中之重。目前客戶關注重點由免維護產品的強度轉變為產品使用壽命,以及能否做到真正的免維護,降低因維護不及時導致傳動軸異常磨損現象。

由于免維護傳動軸零部件配合精度更高,加工工藝更先進,大幅降低花鍵和萬向節的磨損,降低使用時的振動和噪聲,使傳動軸整體使用壽命大幅提升,減少客戶維修和更換零部件成本,降低隱性損失,從而提高運營效率,進一步改善客戶運營體驗。普通型傳動軸和免維護傳動軸使用壽命對比見表1。

表1 普通型傳動軸和免維護傳動軸使用壽命對比

4 結束語

本文主要介紹了客車免維護傳動軸的免維護技術,通過分析可知,免維護傳動軸可靠性更高、使用壽命更長、使用成本更低,且在銷往歐洲的高端客車車型上得到大量市場驗證。其在客車上批量應用是未來的趨勢,日后在國內的應用也會越來越普遍。