羅瑞雪，張和平，辛元強(qiáng)

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

驅(qū)動中橋總成疲勞臺架試驗方法分析與改進(jìn)

羅瑞雪，張和平，辛元強(qiáng)

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

介紹了雙聯(lián)驅(qū)動橋中驅(qū)動中橋總成的結(jié)構(gòu)以及動力傳遞方式，對傳統(tǒng)的中橋總成疲勞臺架試驗方法進(jìn)行分析，并提出了新的疲勞臺架試驗方法，在很大程度上優(yōu)化了傳統(tǒng)試驗方法，更好地模擬了中橋各部件特別是軸間差速器在實際道路上的運(yùn)行情況，并通過實例進(jìn)行說明。

驅(qū)動中橋；軸間差速器；臺架試驗方法

0 引言

伴隨著近些年國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，運(yùn)輸行業(yè)扮演著越來越重要的角色。公路運(yùn)輸一直都占據(jù)著運(yùn)輸行業(yè)中極其重要的地位，載重汽車(也稱貨車)在越來越多的地方被投入使用。為提高載重汽車的運(yùn)輸效率，載重汽車通常需要在裝載更多貨物的同時提高車速，驅(qū)動橋?qū)惺茌^大的扭矩，因此越來越多的載重汽車采用6×4、6×6驅(qū)動形式以及8×4等驅(qū)動形式的雙聯(lián)驅(qū)動橋。道路上出現(xiàn)了越來越多的雙聯(lián)驅(qū)動橋，安全行駛成為最重要的因素，因此驅(qū)動中橋總成的壽命和性能逐漸成為重要的檢測項目。

1 驅(qū)動中橋的結(jié)構(gòu)和工作原理

驅(qū)動橋處于傳動系統(tǒng)末端，其基本功能是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的扭矩，將扭矩分配給左、右驅(qū)動車輪，使左、右車輪具有汽車行駛運(yùn)動學(xué)所要求的差速功能。雙聯(lián)驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)較一般單驅(qū)動后橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是由驅(qū)動中橋和驅(qū)動后橋組成的，汽車前進(jìn)時，動力通過傳動軸由發(fā)動機(jī)經(jīng)變速箱輸入給中橋，由中橋的軸間差速器把動力分別傳遞給中橋和后橋，實現(xiàn)中橋和后橋的同時驅(qū)動。驅(qū)動后橋由主減速器、輪間差速器、驅(qū)動車輪的傳動裝置及橋殼等部件構(gòu)成；驅(qū)動中橋在后橋的基礎(chǔ)上增加了貫通軸、軸間差速器、圓柱齒輪傳動箱等部件，因此也將驅(qū)動中橋稱為貫通橋。

汽車實際運(yùn)行中，因輪胎外徑的制造誤差、胎面磨損情況、胎壓和負(fù)荷以及路況等各種問題導(dǎo)致中、后橋各車輪的實際轉(zhuǎn)速并不完全相同，若驅(qū)動橋之間的連接是完全剛性的，則在任何瞬間中、后橋各車輪轉(zhuǎn)速都是絕對一致的，在實際道路上行駛時會產(chǎn)生輪胎滑拖、功率損失，輕則產(chǎn)生輪胎磨損故障，重則造成橋內(nèi)零部件的損壞。為了使汽車能夠在各車輪轉(zhuǎn)速不同的情況下正常前進(jìn)，在雙聯(lián)驅(qū)動橋中需要裝配差速器。雙聯(lián)驅(qū)動橋中、后橋中都裝有輪間差速器，中橋中還裝配有軸間差速器(也成橋間差速器)。輪間差速器是為了保證兩側(cè)車輪在行程不等時能以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，軸間差速器是為了保證中、后橋之間能以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

驅(qū)動中橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，現(xiàn)在越來越多的中橋生產(chǎn)企業(yè)都傾向于將軸間差速器置于主動圓柱齒輪之后，這樣可以在很大程度上節(jié)省中橋整體的空間。軸間差速器殼體內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽車前進(jìn)時，動力由輸入法蘭經(jīng)輸入軸傳遞給軸間差速器十字軸再傳給行星齒輪，經(jīng)軸間差速器行星齒輪的分配后，將動力分為兩部分，一部分傳遞給主動圓柱齒輪，再經(jīng)從動圓柱齒輪傳給主、從動錐齒輪，分配到中橋兩車輪上；另一部分動力直接傳遞給后半軸齒輪，再經(jīng)貫通軸傳遞給后橋，同樣的方式再分配到后橋兩車輪。這兩部分動力在理論上應(yīng)該是相等的，才能使汽車正常前進(jìn)，但汽車實際行駛中會由于路況等的原因，導(dǎo)致這兩部分動力不相等，中、后橋之間的轉(zhuǎn)速也將不相等，這時就需要用到軸間差速器。

圖1 驅(qū)動中橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 軸間差速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

軸間差速鎖的位置在輸入軸承之后，當(dāng)軸間差速鎖不鎖止時，差速器十字軸行星齒輪與后半軸輪嚙合，此時允許中、后橋之間產(chǎn)生差速，并且共同驅(qū)動使汽車正常向前行駛；當(dāng)鎖上該差速鎖后，軸間差速器內(nèi)部不起作用，輸入端與貫通軸為剛性連接，整個軸間差速器隨著輸入軸一起轉(zhuǎn)動，中、后橋剛性連接將以相同的轉(zhuǎn)速前進(jìn)。輸入軸承后有一個滑動齒套，滑動齒套上面帶有撥叉，軸間差速器前端有固定齒套，當(dāng)差速鎖機(jī)構(gòu)開關(guān)打開后，撥叉把滑動齒套向右推，與固定齒套嚙合，此時軸間差速鎖鎖上。一般狀態(tài)下，軸間差速鎖處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)遇到特殊路面(如泥濘等故障路面)時，某車輪失去動力，差速器將中、后橋強(qiáng)制剛性連在一起，使該車輪得到動力后汽車向前運(yùn)行，當(dāng)汽車駛出故障路面后應(yīng)立即將差速鎖摘除。

2 驅(qū)動中橋總成疲勞臺架試驗方法

2.1 傳統(tǒng)的驅(qū)動中橋總成疲勞臺架試驗方法

由于驅(qū)動中橋總成是載重汽車底盤上很重要的一個部件，為了提前發(fā)現(xiàn)各部件有沒有明顯的設(shè)計與制造缺陷，在投入生產(chǎn)之前企業(yè)都會對其生產(chǎn)的中橋進(jìn)行各種加強(qiáng)試驗檢測，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的薄弱以及不合理的部位，以避免在行駛過程中因質(zhì)量問題出現(xiàn)意外。目前最有效也最簡單的方法就是進(jìn)行驅(qū)動中橋總成疲勞壽命的臺架試驗。

目前較為常見的驅(qū)動中橋的總成疲勞壽命臺架如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架

該傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動中橋總成疲勞壽命試驗臺架是通常3個電機(jī)(或加上一些相關(guān)的齒輪箱)根據(jù)實際工況最大限度地模擬汽車實際運(yùn)行情況，利用輸入電機(jī)對中橋進(jìn)行驅(qū)動，輸出電機(jī)進(jìn)行加載來進(jìn)行驅(qū)動中橋總成疲勞壽命的試驗檢測。試驗中需要利用某些機(jī)械的方式將軸間差速器鎖上，將中橋近似等效于相對應(yīng)的后橋進(jìn)行試驗，因此中橋臺架試驗方法和后橋大致相同。

以某一驅(qū)動中橋為例，該橋的速比i0，輪端輸出扭矩為M0，輸出轉(zhuǎn)速為n0，疲勞試驗中各相關(guān)試驗理論數(shù)據(jù)有如下關(guān)系：

兩車輪端的輸出扭矩應(yīng)相等：

貫通軸輸出端扭矩：M后=0

輸入轉(zhuǎn)速：n入=n0×i0

貫通軸輸出端轉(zhuǎn)速：i后=n0×i0

由上可知，用傳統(tǒng)方法進(jìn)行驅(qū)動中橋總成疲勞，其試驗工況與后橋試驗無異，主、從動圓柱齒輪以及主、從動錐齒輪上所承受的扭矩和實際情況相符合，這種試驗方法基本能夠完成對于齒輪的考核與檢驗，因此這是最常見的臺架試驗方法。

傳統(tǒng)試驗忽略了驅(qū)動中橋總成中一個很重要的零部件——軸間差速器，軸間差速器中的十字軸和行星齒輪在很多時候都是中橋中比較薄弱的部位。在重載工況時，由于路面情況等一系列因素帶來的沖擊會造成軸間差速器中的十字軸和行星齒輪先于中橋中的其他零部件產(chǎn)生失效，常見的失效狀態(tài)如圖4所示。因此軸間差速器十字軸和行星齒輪是驅(qū)動中橋總成壽命試驗中很重要的一個環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)試驗中，對于與以上樣品參數(shù)相同的中橋而言，十字軸和行星齒輪所承受的輸入扭矩有如下關(guān)系：

然而，在實際工況中(不考慮差速狀態(tài))，中橋和后橋是共同驅(qū)動的，因此有如下關(guān)系：

兩車輪端的輸出扭矩應(yīng)相等：

輸入轉(zhuǎn)速：n入=n0×i0

貫通軸輸出端轉(zhuǎn)速：i后=n0×i0

軸間差速器十字軸和行星齒輪所承受的扭矩：

圖4 軸間差速器十字軸以及行星輪的失效

可得知，在實際工況中，中橋的實際輸入扭矩是后橋輸入扭矩的2倍，因此傳統(tǒng)的臺架試驗方法并不能夠完全驗證中橋中軸間差速器十字軸和行星齒輪的壽命。若強(qiáng)行將施加在軸間差速器十字軸和行星齒輪上的扭矩增加至要求值，那么作用在主、從動圓柱齒輪和錐齒輪上的扭矩將成倍增加，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生非正常失效。另一方面，傳統(tǒng)試驗臺中軸間差速鎖長期處于鎖止的使用狀態(tài)，但實際工況中軸間差速鎖的使用頻率并不高，因此企業(yè)為了節(jié)約成本，在設(shè)計生產(chǎn)時軸間差速鎖的壽命應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他部件，因此試驗中軸間差速鎖中零件的提前失效會造成整個試驗的停止從而影響整個中橋總成疲勞的試驗結(jié)果。綜上所述，傳統(tǒng)的試驗方法需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。

2.2 改進(jìn)后的驅(qū)動中橋總成疲勞臺架試驗方法

在對傳統(tǒng)的驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行分析之后，再結(jié)合驅(qū)動中橋總成的實際工況，作者提出了以下兩個方案。新的試驗臺應(yīng)在中橋貫通軸輸出端之后連接一個相應(yīng)的后橋作為陪試件形成雙聯(lián)后橋，后橋的壽命通常都會優(yōu)于對應(yīng)的中橋?；蚴窃谪炌ㄝS之后加一個電機(jī)模擬后橋工況進(jìn)行檢測，臺架結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。改進(jìn)后的試驗臺，加載電機(jī)由之前的2個增加至3～4個，能夠更合理地模擬驅(qū)動中橋總成在實際運(yùn)行中較為復(fù)雜的工況，使每個零部件所承受的扭矩都更合理，更有效地找出驅(qū)動中橋中最薄弱的部件。

圖5 改進(jìn)后驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架一

圖6 改進(jìn)后驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架二

驅(qū)動中橋總成在改進(jìn)后的試驗臺架試驗進(jìn)行疲勞試驗時，不用再強(qiáng)制鎖上軸間差速鎖，中橋中的每一個零部件的運(yùn)行狀態(tài)都與實際運(yùn)行工況相符合，能夠更有效地進(jìn)行驅(qū)動中橋總成疲勞試驗。

2.3 改進(jìn)前后的驅(qū)動中橋總成疲勞臺架試驗結(jié)果比較

改進(jìn)的驅(qū)動總成疲勞臺架試驗方法在控制上較傳統(tǒng)試驗臺架復(fù)雜，需要多考慮1～2個加載電機(jī)的工況，使之符合中橋的實際動力傳遞情況。為驗證改進(jìn)前后的驅(qū)動中橋總成試驗臺是否與預(yù)期的推論一致，對若干組驅(qū)動中橋樣品進(jìn)行了試驗，整理后得到了以下3種有代表性的不同試驗結(jié)果。

(1)選取2件同一批次的驅(qū)動中橋總成，1號中橋選用傳統(tǒng)驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行疲勞試驗，2號中橋用改進(jìn)后驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架二進(jìn)行疲勞試驗。該樣品的試驗參數(shù)如下：

主減速比：i0=5.933；

最大輸出扭矩：M0=40 000 N·m。

在不考慮差速和效率損失的情況下，輸入轉(zhuǎn)速n入為160 r/min，分別開始對兩件樣品進(jìn)行試驗?？芍?號樣品的輸入扭矩M入1為6 742 N·m，2號樣品的輸入扭矩M入2為13 483 N·m。在進(jìn)行了一段時間的疲勞試驗后，可得出表1所示試驗結(jié)果，樣品的失效狀態(tài)分別如圖7、8所示。

表1 第一組樣品試驗結(jié)果

圖7 1號樣品失效狀態(tài) 圖8 2號樣品失效狀態(tài)

由此可知：該組驅(qū)動中橋總成樣品最薄弱的部位是軸間差速器十字軸，十字軸會先于圓柱齒輪以及其他零部件發(fā)生斷裂產(chǎn)生失效。若試驗是為考核中橋中最薄弱的部位，應(yīng)選用改進(jìn)后驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行試驗。

(2)選取2件同一批次的驅(qū)動中橋總成，3號中橋選用傳統(tǒng)驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行疲勞試驗，4號中橋用改進(jìn)后驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架二進(jìn)行疲勞試驗。該樣品的試驗參數(shù)如下：

主減速比：i0=4.769；

最大輸出扭矩：M0=50 000 N·m。

在不考慮差速和效率損失的情況下，輸入轉(zhuǎn)速n入為160 r/min，分別開始對兩件樣品進(jìn)行試驗?？芍?號樣品的輸入扭矩M入1為10 484 N·m，4號樣品的輸入扭矩M入2為20 969 N·m。在進(jìn)行了一段時間的疲勞試驗后，可得出表2所示試驗結(jié)果，樣品的失效狀態(tài)分別如圖9、10所示。

表2 第二組樣品試驗結(jié)果

圖9 3號樣品失效狀態(tài)

圖10 4號樣品失效狀態(tài)

由此可知：該驅(qū)動中橋總成最薄弱的部位是差速鎖滑動齒套，但該部件在汽車上的使用頻率不高，該部位提前失效導(dǎo)致了整個試驗的終止，無法得出預(yù)期的結(jié)果。該若試驗是為考核中橋中最薄弱的部位，應(yīng)選用改進(jìn)后驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行試驗。

(3)選取2件同一批次的驅(qū)動中橋總成，5號中橋選用傳統(tǒng)驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行疲勞試驗，6號中橋用改進(jìn)后驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架二進(jìn)行疲勞試驗。該樣品的試驗參數(shù)如下：

主減速比：i0=6.83；

最大輸出扭矩：M0=30 000 N·m。

在不考慮差速和效率損失的情況下，輸入轉(zhuǎn)速n入為160 r/min，分別開始對兩件樣品進(jìn)行試驗?？芍?號樣品的輸入扭矩M入1為4 392 N·m，6號樣品的輸入扭矩M入2為8 785 N·m。在進(jìn)行了一段時間的疲勞試驗后，可得出表2所示試驗結(jié)果，樣品失效狀態(tài)分別如圖11、12所示。

表3 第三組樣品試驗結(jié)果

圖11 5號樣品失效狀態(tài)

由此可知：該驅(qū)動中橋總成最薄弱的部位是從動圓錐齒輪，用改進(jìn)前、后的驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行試驗所得到的結(jié)果較為一致。若是為了考核中橋中齒輪的壽命，選用改進(jìn)前、后的驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺架進(jìn)行試驗都可。

3 結(jié)論

用改進(jìn)前、后的驅(qū)動中橋總成疲勞試驗臺進(jìn)行試驗，會得到不同的試驗結(jié)果。在試驗中因根據(jù)實際需求與側(cè)重點(diǎn)合理地選擇試驗臺架的結(jié)構(gòu)形式，準(zhǔn)確地判斷出所考核的試驗部件的壽命，使試驗結(jié)果能夠達(dá)到預(yù)期的效果，以便在今后的設(shè)計與制造中更好地改進(jìn)與提升。

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AnalysisandImprovementofFatigueTestMethodforDriveIntermediateAxleAssembly

LUO Ruixue, ZHANG Heping，XIN Yuanqiang

(China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China)

The structure and power transfer way of the drive intermediate axle assembly were introduced. The traditional fatigue test method for drive intermediate axle assembly was analyzed and a new fatigue method was proposed to optimize the traditional method which could simulate the true running ways on the real road of the different parts of intermediate axle especial for interaxial differential. Some examples were used to explain the method.

Drive intermediate axle; Interaxial differential; Test method

U463.218

B

1674-1986(2017)09-023-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.005

2017-04-23

羅瑞雪(1989—)，女，本科學(xué)歷，初級工程師，從事底盤傳動系統(tǒng)零部件檢測工作。E-mail：luoruixue@caeri.com.cn。