曹 兵，李 奔，張大磊，張 韜

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

某主減速器總成臺(tái)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(chē)傳動(dòng)及底盤(pán)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(duì)其進(jìn)行失效分析對(duì)提高整車(chē)可靠性和安全性有著重要的意義。通過(guò)對(duì)一款新開(kāi)發(fā)主減速器總成的臺(tái)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(guò)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

主減速器總成；臺(tái)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(chē)動(dòng)力通過(guò)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(lái)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(duì)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(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)速。本文通過(guò)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(lái)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(lái)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(chē)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(lèi)型、減速型式的不同來(lái)進(jìn)行分類(lèi)[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(jiǎn)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(jí)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(duì)安裝精度要求高，運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的場(chǎng)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(duì)于從動(dòng)齒輪軸線向上（下）偏移一距離E，稱(chēng)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(chē)質(zhì)心位置或提高離地間隙，改善汽車(chē)在壞路面上的通過(guò)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(wú)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(jiǎn)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(chǎng)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(jí)減速、雙級(jí)減速、雙速減速、單級(jí)貫通、雙級(jí)貫通。主減速和輪邊減速等。減速型式的選擇與汽車(chē)的類(lèi)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(chē)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(jí)主減速器

單級(jí)主減器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(chē)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(jí)減速器

雙級(jí)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(mǎn)足既定的主減速比和離地間隙要求的重型汽車(chē)上。

雙級(jí)減速器可以分為整體式和分開(kāi)式兩種：

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

（b）分開(kāi)式主減速器。雙級(jí)式主減速器中的第一級(jí)主減速器與第二級(jí)主減速器分開(kāi)，并且各裝在一個(gè)單獨(dú)的殼體內(nèi)，稱(chēng)分開(kāi)式主減速器。當(dāng)?shù)谝患?jí)主減速器安裝在汽車(chē)左、右輪中部時(shí)稱(chēng)中央減速器。

2 主減速器總成疲勞試驗(yàn)

在汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)，主要依據(jù)國(guó)內(nèi)目前汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 534-1999《汽車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》、QC/T 533-1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方案》來(lái)判斷，不過(guò)有的企業(yè)也根據(jù)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)編制自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了節(jié)約開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本，我司汽車(chē)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：?jiǎn)闻_(tái)主減總成的疲勞壽命最低為30萬(wàn)次，三臺(tái)主減平均中值壽命為50萬(wàn)次[2]。

我司試驗(yàn)室驅(qū)動(dòng)橋疲勞壽命試驗(yàn)臺(tái)采用常見(jiàn)的T型布置，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)橋總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)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(cè)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(tái)主要用于檢測(cè)主減速器總成下線的綜合運(yùn)轉(zhuǎn)性能。試驗(yàn)臺(tái)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(tái)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(guò)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(tái)

我司新開(kāi)發(fā)一款客車(chē)主減速器總成，這款主減速器總成主要是配套電動(dòng)客車(chē)后橋。電動(dòng)客車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸直接到主減速器總成；整車(chē)啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)速高，對(duì)齒輪瞬間沖擊力大，對(duì)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(tái)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(jiàn)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(guò)三臺(tái)主減總成失效模式分析發(fā)現(xiàn)，三臺(tái)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(jiàn)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(jí)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(jiàn)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(jiàn)圖4所示。

圖4 主減速器殼總成

新開(kāi)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(duì)客車(chē)后橋?qū)ｉT(mén)開(kāi)發(fā)。我司現(xiàn)有客車(chē)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(tái)上，這款主減總成運(yùn)用到10 000 N·m電動(dòng)客車(chē)上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸直接傳遞到主減速器總成。整車(chē)啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)速高，對(duì)齒輪瞬間沖擊力大；同時(shí)對(duì)齒輪強(qiáng)度和壽命要求高。齒輪在嚙合過(guò)程會(huì)產(chǎn)生X、Y、Z三個(gè)方向分力（具體見(jiàn)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(duì)差速器軸承調(diào)整螺母與軸承蓋間螺紋鎖緊力不足，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)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(wèn)題。具體見(jiàn)圖6所示。為了避免螺紋露牙和螺紋鎖緊力不足問(wèn)題，在加工主減速器殼、軸承蓋時(shí)增加有效螺紋長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)差速器總成和主減速器總成結(jié)構(gòu)改善，沒(méi)有出現(xiàn)調(diào)整螺母露牙問(wèn)題。具體見(jiàn)圖7所示。

圖6 調(diào)整螺母露牙

圖7 調(diào)整螺母沒(méi)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(jiàn)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(guò)第二輪主減速器總成臺(tái)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的中值50萬(wàn)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(méi)有出現(xiàn)差速器軸承調(diào)整螺母被擠出現(xiàn)象。對(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著整車(chē)技術(shù)的發(fā)展，整車(chē)廠對(duì)底盤(pán)零部件的要求也越來(lái)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(duì)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(duì)出現(xiàn)的失效模式來(lái)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(jìng)爭(zhēng)力。

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

[2]王福和.汽車(chē)車(chē)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(mǎn)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(wú)法泄漏，即改進(jìn)后殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足密封要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中利用了FEA軟件對(duì)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(duì)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(chē)車(chē)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(chē)零部件。