報廢家庭用轎車傳動零部件的再生利用

王存偉，顧瑞華，陸永偉，孫錫健，徐益民，卞方良

（江蘇華宏科技股份有限公司，江蘇 江陰 214400）

隨著我國經濟的發展，家庭用轎車制造業成為我國制造業中較大的產業。轎車大量進入家庭，為人們的出行提供了方便，也為報廢車輛的處理提供了充足的后備資源。根據循環經濟的要求，采用資源化技術，可以將報廢車輛進行回收處理，并作為原料再利用。但家庭用轎車，由于其特定的使用狀況，在整車報廢以后，其中一部分傳動零部件還未達到其使用壽命極限，還有較長的使用年限，經過相應的檢測、處理，還能繼續進行使用，延長使用壽命。

1 車輛報廢的相關規定

2000年12月18日，國家經濟貿易委員會、國家發展計劃委員會、公安部、國家環境保護總局聯合發布了《關于調整汽車報廢標準若干規定的通知》，將1997年制定的汽車報廢標準中非營運載客汽車的使用年限及辦理延緩的報廢標準調整為9座（含9座）以下非營運載客汽車（包括轎車、含越野型）使用15年。車輛達到報廢年限后需繼續使用的，必須依據國家機動車安全、污染物排放有關規定進行嚴格檢驗，檢驗合格后可延長使用年限。2001年1月6日，公安部又發布了有關通知，在9座（含9座）以下非營運載客汽車達到報廢標準后要求繼續使用的，不需要審批，每年定期檢驗2次，超過20年的，從第21年起每年定期檢驗4次，連續3次檢驗都不符合國家標準《機動車運行安全技術條件GB7258》規定的，公安交通管理部門收回機動車號牌和《機動車行駛證》，辦理注銷登記，實行車輛報廢。

2 車輛傳動零部件的設計

車輛一般動力傳遞方式為：發動機→液力變矩器（或離合器）→變速器→后橋（減速器、差速器、半軸）→車輪。

發動機將燃料燃燒的化學能轉變為曲軸輸出端的旋轉動能，為車輛提供動力。液力變矩器通過螺栓與發動機曲軸后端相聯接，與發動機曲軸同步運轉。液力變矩器另一端與變速器相聯，其主要起離合器的作用，將發動機輸出的動力傳遞給變速器輸入軸，在一定范圍內實現無級的變扭變速，增大發動機的轉矩。由于發動機輸出轉矩和轉速范圍較小，不能適應車輛行駛時車速改變和牽引力變化的需要。所以需采用變速器裝置來改變發動機和車輪之間的轉速比，使發動機工作在合理的工作范圍內，提高車輛的動力性和經濟性。發動機不能有載起動，為保證車輛平穩起步，通過變速器空檔位置的操作就能實現；發動機只能單向旋轉，而車輛需要前進后退雙向運動，通過變速器前進、后退檔的操縱就能實現車輛的前后運動。后橋是將通過變速器輸出的轉速進一步減速，并通過差速器、半軸將轉矩傳遞給車輪，實現車輛的前后運動。

2.1 液力變矩器

液力變矩器在車輛上的功用是代替傳統手動變速器中的機械式離合器，起到自動離合器的作用。液力變矩器是依靠工作液體動能的變化來傳遞動力，將發動機輸出的動力傳給自動變速器的輸入軸[1-3]。

目前轎車上廣泛采用由泵輪、渦輪、導輪、單向離合器、鎖止離合器組成的單級雙相三元件閉鎖綜合式液力變矩器。

其工作原理為：泵輪與發動機輸出軸相聯，由發動機帶動旋轉，從發動機吸收機械能，并使之轉化為液流在單位時間內動量矩的增量；液流由泵輪進入渦輪，帶動渦輪旋轉，渦輪與變速器的輸入軸相聯；將液流在單位時間內的動量矩減少，使液體的動能轉化為機械能向變速器輸出，從而帶動變速器旋轉，實現車輛的行駛；導向輪固定在不動的殼體上，它既不吸收也不輸出機械能，它通過葉片對液流的作用來改變液流的動量矩，以改變渦輪的力矩，達到“變矩”的目的。液流由泵輪進入渦輪，由渦輪流出后進入導輪，在導輪內液流受導輪葉片的作用使液流方向改變，然后又流回泵輪，如此往復形成不停的循環流動。

液力變矩器的力矩平衡方程式為：

MB+MT+MD=0

式中：MB：泵輪對液流的作用力矩；

MT：渦輪對液流的作用力矩；

MD：導輪對液流的作用力矩。

由上式可知，在穩定工況下，液力變矩器工作腔內工作液體總的動量矩的變化等于零。

也可以寫成：

-MT=MB+MD

式中：ρ：工作液體密度；

Q：循環流量；

ΔГB：泵輪增加的速度環量；

ΔГT：渦輪增加或失去的速度環量；

ΔГD：導輪增加或失去的速度環量。

由上式可看出，因導輪的存在，導輪對工作液體有力矩的作用，在一般情況下，使渦輪力矩不等于泵輪力矩，所以液力變矩器具有“變矩”的作用。

液力變矩器屬于“軟連接”機構，雖然具有許多優點，但也存在明顯的缺點。在高速狀態時，泵輪和渦輪之間會產生較大的滑轉現象，傳動效率大幅度下降，為此在液力交矩器中加入鎖止離合器，液力變矩器在高速時，直接通過鎖止離合器實現機械傳動的硬連接，轉速比i=1，消除了泵輪和渦輪之間的滑轉現象，提高了傳動效率，降低了燃油消耗。

通過液力變矩器設計工作原理的分析，可以看到，液力變矩器中的泵輪、渦輪、導輪之間的工作關系是通過液體作為介質來實現，它們相互之間沒有直接的摩擦，在實際的使用中，只要注意及時補充液力變矩器工作液和防止泄漏，進而防止產生汽蝕；保持油液清潔度，泵輪、渦輪、導輪損壞和磨損的機率應該是很小，所以它們是可以長期使用的零部件。

2.2 變速器、后橋

變速器、后橋的作用主要是起到變速、換向、傳遞動力的作用，在它們的結構中常用的零部件有齒輪、軸、軸承等，在齒輪、軸的設計過程中，首先根據受力情況，進行徑向力、軸向力、轉矩、彎矩的計算，在此基礎上，進行主要參數的選擇和主要尺寸的初步確定，然后需要進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的校核計算。

2.2.1 齒面接觸疲勞強度校核

當σH≤σHP時，齒面接觸疲勞強度滿足安全要求。其中：σH：計算接觸應力；

σHP：許用接觸應力。

齒輪計算接觸應力公式為：

式中：ZH：齒輪節點區域系數；

ZE：材料彈性系數；

Zεβ：接觸強度計算的重合度與螺旋角系數；

Ft：分度圓上的圓周力；

b：齒寬；

d1：小齒輪分度圓直徑；

U：齒數比；

KA：使用系數；

KV：動載系數；

KHβ：齒向載荷分布系數；

KHα：齒向載荷分配系數。

齒輪接觸強度安全系數校核：

只有當SH≥SHmin時，齒面使用安全。

其中：SHmin：接觸強度最小安全系數，其數值的大小由材料和熱處理方式決定；

SH：計算接觸強度安全系數，

σHlim：齒面接觸疲勞極限；

ZLVR：潤滑油膜影響系數；

ZW：工作硬化系數；

ZX：接觸強度計算尺寸系數；

ZN：接觸強度計算壽命系數，其值是根據應力循環次數N和材料不同的金相晶粒結構來進行選擇，

N=60rnt

式中：r：齒輪每轉一周同側齒面的接觸次數；

n：齒輪的轉速；

t：設計滿載工作時間。

一般機械設計取t=35 000 h

即：齒輪滿載工作時間為35 000 h。

2.2.2 齒輪彎曲疲勞強度校核

當SF≥SFmin時，齒輪彎曲疲勞強度滿足安全要求。其中：SF：計算彎曲強度安全系數；SFmin：彎曲強度最小安全系數。

式中：σFE：齒根彎曲疲勞極限基本值；

Yδre1T：相對齒根圓角敏感系數；

YRre1T：相對齒根表面狀況系數；

YX：尺寸系數；

σF：計算曲彎應力；

YN：彎曲強度計算的壽命系數，其值是根據應力循環次數N和材料不同的金相晶粒結構來進行選擇，N=60rnt。

由此可見，齒輪彎曲疲勞強度與齒面接觸疲勞強度的確定，除了與材料性質、尺寸大小、表面金相組織有關系，同樣與齒輪滿載工作時間的設定有關，也即與齒輪的預期設計使用壽命有關。同樣，變速器、后橋中的軸類零部件的設計也遵循這樣的設計準則。在車輛傳動零部件的設計過程中，如果采用無限壽命設計準則，將零部件或結構的工作應力限制在它的疲勞極限以下，就可以使零部件或結構在理論上具有無限壽命，但這樣往往造成零部件或結構尺寸較大，過于笨重。在實際的車輛設計中，基本是采用有限壽命設計準則，也稱為安全壽命設計準則，即在確保零部件或結構的使用壽命條件下，采用超過疲勞極限的工作應力來進行疲勞強度設計，這樣就能減小零部件或結構的尺寸，減輕質量，使材料的承載能力得到充分的利用[4-7]。

3 家庭用轎車的實際使用情況

隨著轎車大量進入家庭，轎車日益成為人們的代步工具。家用轎車的用途，一是上下班用，二是節假日出行。在載重方面基本是無重載，在行駛時間和行駛里程方面，一般日平均行駛時間不會超過2 h，年行駛里程不會超過30 000 km，這種情況是由我國的國情所決定的，因為在我國的城市建設中，工業園區、居住區、行政辦公區之間的距離并不很遠，所以，一般上下班距離并不很遠。此外，隨著社會用車、家庭用車車輛的增加，各地都非常重視道路的建設，這為人們的出行提供了很大的便利。同時，隨著道路建設等級的提高和完善，車輛行駛的阻力也相應減小，為延長車輛使用壽命打下了基礎。

4 車輛傳動零部件實際使用時間與設計使用壽命之間的差距

我國雖沒有硬性規定家庭用轎車的實際報廢年限，但隨著車輛發動機等其他部件的磨損和國家對環境要求的日益提高，對車輛的排放提出嚴格的要求。所以對整車而言，家庭用轎車平均使用年限20 a是綜合多方因素考慮的。

由此可計算出車輛零部件的實際使用時間t1：

t1=20×365×2=14 600 h

由上知車輛齒輪的設計滿載工作時間t：

t=35 000 h

設計滿載工作時間與實際使用時間之間的差值Δt：

Δt=t-t1=35 000-14 600=20 400 h

根據家庭用轎車的日平均使用小時數，可以計算出車輛報廢后齒輪還能繼續使用的年份數ΔN：

ΔN=27.94 a

由上計算可知，根據齒輪的設計使用壽命，家庭轎車使用20 a報廢后，其齒輪還可使用近28 a。

5 車輛傳動零件的再生利用

5.1 車輛傳動零部件的制造成本

車輛傳動零部件材料大都采用合金高強度結構鋼，其性能優良，應用廣泛，車輛傳動零部件需要經過鍛、粗車、去應力處理、精車、銑、磨、熱處理等多道工序的加工，加工過程繁復，檢驗質量要求嚴格，需要花費大量的人力、物力和能源。車輛傳動零部件不但材料成本高，制造成本也很高。隨著家庭用轎車的大量增加，整車報廢后其傳動零部件能得到再生利用，在材料和使用功能上也將得到很大的利用，降低了零部件制造上的人力、物力和能源的消耗。

5.2 車輛傳動零部件的再處理

在循環載荷作用下，最大應力總是出現在零部件表層的某一范圍內。因此，對零部件采用表層強化工藝，改善表層的應力狀況和化學成分，可以提高零部件的疲勞強度。疲勞試驗表明，表面壓應力能夠改善零件的抗疲勞能力。激光、電子束、離子束等為代表的三束表面改性的技術受到世界各國的普遍重視。經試驗45號鋼在激光處理后，表面強度提高，疲勞極限可提高約40％。這可以在不增加零部件尺寸和其他加工工藝的前提下，大大提高零部件的使用壽命。在報廢家庭用轎車傳動零部件再生利用中，采用這樣的表面再處理技術，會進一步提高這些零部件的質量和使用壽命。

5.3 國外實踐

日本汽車擁有量達7 500萬輛，每年報廢汽車500多萬輛，100％由汽車經銷商回收，除少數經檢修后以二手車出口外，其余由5 000多家汽車拆解企業拆解，約占汽車質量75％的材料得到再生利用，其中20％～30％的零部件被再利用。

德國年生產轎車近500萬輛，近150萬輛舊車報廢。歐盟的環保法規要求，從2002年起廢舊汽車的可再生利用率要達到85％。到2015年達到95％。德國拆解企業目前約有4 000多家，汽車以逆向制造程序被分解，完好的部件被送到汽車修理廠作為備件使用，其余的作為回收料進行再生處理。

美國汽車報廢量居世界首位，根據美國有關法律，只要汽車零部件沒有達到徹底報廢的年限，不影響正常使用，就可以再利用。經過多年的摸索，特別是采用先進的回收技術和處理設備，美國已能將占汽車質量50％的零部件回收，并重新利用。目前美國大約有1.15萬家汽車零部件回收商，從事汽車零部件再制造生產的大小企業有5萬多家，產值達360億美元。美國汽車工程師協會還對諸如啟動器線圈、轉子、離合器、發動機、轉向器、水泵、變速箱等一些具體零部件的再制造制訂了標準。

5.4 國內實踐

我國自1980年以來，國務院有關部委先后下發一系列文件，指導、規范廢舊汽車處理工作。2001年6月16日，國務院頒發了“報廢汽車回收管理方法”，將我國報廢汽車回收工作逐漸納入法制化管理的軌道。縱觀目前國內的狀況，廢舊車輛回收企業多、規模小、回收技術手段原始落后、效率低、材料耗損率高，同時能回收再利用的車輛傳動零部件也沒有得到很好的利用。國家相關部門也沒有制定相應的法規、政策。政策、法規的滯后和再生利用技術、設備、手段的落后，都制約了報廢家庭用轎車傳動零部件再生利用的進展。

6 結論

根據上述家庭用轎車實際使用情況的分析，傳動零部件設計準則的確定和使用壽命的校核，可以確定，報廢家庭轎車傳動零部件的再生利用是有安全質量保證的。

國家相關部門應盡快制定相關的政策、法規，使報廢家庭用轎車傳動零部件能合理合法進入再生利用的行列，并盡早形成一個體系完善、規模可觀的產業鏈。

各轎車生產廠家應建立相應的回收體系，主動承擔零部件的再處理和再生利用工作，并做好再生利用零部件的使用檔案記錄備案工作，正確掌握其使用壽命，實現安全再利用。

在全社會要大力宣傳再生利用光榮的理念，使人們真正形成生產、消費、回收、再生利用是物質循環的觀點。報廢家用轎車傳動零部件的再生利用，將為國家降低資源消耗、綠色環保和低碳經濟的發展作出一定的貢獻。

[1] 朱徑昌，魏辰官，鄭慕橋.車輛液力傳動[M].北京：國防工業出版社，1982.

[2] 北方交通大學.內燃機車液力傳動[M].北京：中國鐵道出版社，1980.

[3] 匡 襄.液力傳動[M].北京：機械工業出版社，1982.

[4] 徐 灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.6.

[5] 徐 灝.安全系數和許用應力[M].北京：機械工業出版社，1981.

[6] 長春汽車制造廠.機械工程材料手冊[M].北京：機械工業出版社，1990.

[7] 魏文光.金屬的力學性能測試[M].北京：科學出版社，1980.