(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 前言

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)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(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦、止推片、主軸瓦等零件的非正常損壞，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的故障分析產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響新車型的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。并且伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提升，功率扭矩的增加，如何提升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)傳動(dòng)軸系的可靠性，減少這些故障發(fā)生的頻率是整車發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中的難題。

圖1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)傳動(dòng)軸系部件

1 傳動(dòng)軸系整體布局的研究

圖2是4缸汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的傳動(dòng)軸系的連接示意圖。相比傳動(dòng)的連接方式(工藝飛輪+彈性聯(lián)軸器)增加了圖2雙質(zhì)量飛輪離合器總成和第一軸承體總成的部分。優(yōu)點(diǎn)：采用手動(dòng)檔整車飛輪離合器系統(tǒng)不安裝工藝飛輪，利用離合器和花鍵軸連接模擬整車狀態(tài)，振動(dòng)較小，適用于耐久和性能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。

圖2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)傳動(dòng)軸系

等速轉(zhuǎn)動(dòng)軸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的計(jì)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(dòng)軸允許的轉(zhuǎn)速，r/min；n極限表示的是傳動(dòng)軸極限轉(zhuǎn)速，r/min；l表示的是傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，cm；D表示傳動(dòng)軸外徑，cm；d表示傳動(dòng)軸內(nèi)徑，cm。等速傳動(dòng)軸長(zhǎng)度應(yīng)該控制在50 cm左右范圍以內(nèi)較為合理。

2 曲軸內(nèi)部滾針軸承的安裝可以提升花鍵軸運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久和性能試驗(yàn)中在曲軸內(nèi)部安裝滾針軸承主要目的是減少花鍵軸徑向跳動(dòng)保護(hù)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(tái)和滾針軸承端蓋接觸，在所有的耐久試驗(yàn)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(dòng)變速箱內(nèi)部，低功率發(fā)動(dòng)機(jī)手動(dòng)檔車型上并沒(méi)有安裝，這也是在部分發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中所容易忽略的地方。原因是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)往往是最為苛刻的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，對(duì)傳動(dòng)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(guò)長(zhǎng)的花鍵軸)一個(gè)支點(diǎn)，降低其振動(dòng)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 滾針軸承

3 花鍵軸長(zhǎng)度的控制對(duì)傳動(dòng)軸系可靠性提升的研究

花鍵軸長(zhǎng)度也是非常重要的參數(shù)之一，因?yàn)榕c其配合的是離合器和曲軸，由于該花鍵軸是臺(tái)架試驗(yàn)非標(biāo)設(shè)計(jì)的，在使用前必須進(jìn)行相關(guān)長(zhǎng)度的檢查確保安裝的可靠性。

圖4 花鍵軸尺寸鏈檢查的質(zhì)量控制

圖4所展示的是在花鍵軸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的時(shí)候尺寸鏈檢查的質(zhì)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(zhǎng)度為22.3 mm，滾針軸承在曲軸內(nèi)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(gè)參數(shù)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(jì)算公式W1<5.7 mm的話，花鍵軸會(huì)和曲軸接觸。所以圖5中利用游標(biāo)卡尺可以測(cè)量W1的實(shí)際數(shù)值，控制花鍵軸的長(zhǎng)度不能超過(guò)極限值，對(duì)此應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量控制。利用這種方法可以檢查所有相關(guān)類型花鍵軸的長(zhǎng)度，避免發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部止推片及軸瓦的損壞。

圖5 利用游標(biāo)卡尺測(cè)量W1的實(shí)際數(shù)值

4 軸承座、過(guò)度版、離合器殼體中心孔的同軸度的質(zhì)量控制

圖6 離合器殼體與過(guò)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(guò)度板、離合器殼體和花鍵軸軸承體。軸承座、過(guò)度板、離合器殼體這三個(gè)零件都有1個(gè)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(guò)度板(圖6中2)、軸承座(圖6中3)中心孔發(fā)生了偏離，也就是說(shuō)圖2中第一軸承體總成與曲軸中心線明顯發(fā)生了偏離，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候花鍵軸與曲軸之間產(chǎn)生振動(dòng)，兩端軸承承受了不應(yīng)該有的過(guò)大的徑向以及軸向振動(dòng)，這也是造成一系列故障的原因之一。

解決方案：利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x精確控制孔1、2、3之間的同軸度每個(gè)零件之間都有定位銷精確定位，保證在安裝的初始狀態(tài)摩擦片是自然狀態(tài)。不能出現(xiàn)圖6中摩擦片明顯中心偏離的情況。

5 激光對(duì)中在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中傳統(tǒng)的對(duì)中方式有直尺對(duì)中和千分表(百分表)對(duì)中，見(jiàn)圖7。這兩種方法的對(duì)中精度較低，對(duì)中時(shí)間也較長(zhǎng)，而且很難形成有效的質(zhì)量控制。

圖7 直尺對(duì)中和千分表對(duì)中

圖8中所展示的是一套利用對(duì)中基準(zhǔn)、底板精確定位和激光對(duì)中儀使所有試驗(yàn)臺(tái)架之間建立精確的對(duì)中關(guān)系的系統(tǒng)。首先加工制作兩個(gè)一模一樣的測(cè)功機(jī)基準(zhǔn)1和測(cè)功機(jī)基準(zhǔn)2(通過(guò)激光對(duì)中反復(fù)加工可以使其同軸度精度控制在0.02 mm之內(nèi))。將測(cè)功機(jī)基準(zhǔn)1固定在對(duì)中工位上，測(cè)功機(jī)基準(zhǔn)2可以移動(dòng)到所有試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)功機(jī)的中心調(diào)節(jié)，測(cè)功機(jī)基準(zhǔn)2可以與試驗(yàn)室的所有定位底板相連接，通過(guò)激光對(duì)中使測(cè)功機(jī)基準(zhǔn)1與所示試驗(yàn)室的測(cè)功機(jī)之間建立對(duì)中關(guān)系。這樣每次安裝試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候只需要在安裝工位上與測(cè)功機(jī)基準(zhǔn)1對(duì)中即可移動(dòng)到任意一個(gè)試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。這樣可以大大提升了對(duì)中質(zhì)量和對(duì)中效率。當(dāng)然在測(cè)功機(jī)維修或者移動(dòng)之后需要重新校準(zhǔn)。

圖8 試驗(yàn)合架試驗(yàn)中對(duì)中關(guān)系的系統(tǒng)

6 汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)聯(lián)軸器和彈性支撐的優(yōu)化

在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中，遇到了如圖9所示各種緊固件的損壞，遇到這些問(wèn)題不得不去分析臺(tái)架試驗(yàn)聯(lián)軸器和彈性支撐。從圖9中可以看出在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中由于傳動(dòng)軸系振動(dòng)過(guò)大造成了各種損壞，飛輪開(kāi)裂、增壓器螺栓松動(dòng)、變速箱螺栓斷裂、排氣管支撐螺栓斷裂等各種問(wèn)題。

圖9 各類固件的損壞

圖10表示的是優(yōu)化了聯(lián)軸器和動(dòng)力總成的彈性支撐。使用了等速傳動(dòng)(CV)軸，其優(yōu)點(diǎn)主要有如下幾個(gè)方面：(1)無(wú)振蕩及振動(dòng)；(2)吸收軸向振動(dòng)；(3)減少支撐結(jié)構(gòu)負(fù)荷；(4)次級(jí)力偶恒定；(5)可以達(dá)到非常高的轉(zhuǎn)速，非常適合汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。

圖10 優(yōu)化聯(lián)軸器和動(dòng)力總成的彈性支撐

通過(guò)這幾個(gè)方面的優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的振動(dòng)都有了明顯的改善。圖11是優(yōu)化前后的振動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)?？梢钥闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱各階次的振動(dòng)都大幅度的降低到了可控范圍之內(nèi)。

7 過(guò)度法蘭的輕量化設(shè)計(jì)

圖11 優(yōu)化前后的振動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)

如圖12所示，在保證強(qiáng)度的前提下利用最緊湊原理輕量化設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸的一些過(guò)度法蘭，重新設(shè)計(jì)CV軸的端蓋能夠輕松的實(shí)現(xiàn)其與多種發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)所有法蘭需要進(jìn)行動(dòng)平衡處理，保證轉(zhuǎn)速5 000 r/min以下的動(dòng)平衡。

圖12 輕量化設(shè)計(jì)過(guò)度法蘭

8 結(jié)論

從傳動(dòng)軸系整體布局，曲軸內(nèi)滾針軸承、花鍵軸長(zhǎng)度控制，激光對(duì)中，軸承座、過(guò)度版、離合器殼體中心孔的同軸度，汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)聯(lián)軸器和彈性支撐及過(guò)度法蘭輕量化7個(gè)方面講述了如何對(duì)傳動(dòng)軸系的可靠性進(jìn)行質(zhì)量控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些方面都是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的。無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架、混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)架，還是純電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架都需要用到傳動(dòng)軸系統(tǒng)，希望能給廣大工作人員帶來(lái)些啟發(fā)。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.