驅動中橋總成疲勞臺架試驗方法分析與改進

羅瑞雪，張和平，辛元強

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

驅動中橋總成疲勞臺架試驗方法分析與改進

羅瑞雪，張和平，辛元強

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

介紹了雙聯驅動橋中驅動中橋總成的結構以及動力傳遞方式，對傳統的中橋總成疲勞臺架試驗方法進行分析，并提出了新的疲勞臺架試驗方法，在很大程度上優化了傳統試驗方法，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行情況，并通過實例進行說明。

驅動中橋；軸間差速器；臺架試驗方法

0 引言

伴隨著近些年國內經濟的飛速發展，運輸行業扮演著越來越重要的角色。公路運輸一直都占據著運輸行業中極其重要的地位，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，驅動橋將會承受較大的扭矩，因此越來越多的載重汽車采用6×4、6×6驅動形式以及8×4等驅動形式的雙聯驅動橋。道路上出現了越來越多的雙聯驅動橋，安全行駛成為最重要的因素，因此驅動中橋總成的壽命和性能逐漸成為重要的檢測項目。

1 驅動中橋的結構和工作原理

驅動橋處于傳動系統末端，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、右驅動車輪，使左、右車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能。雙聯驅動橋的結構較一般單驅動后橋結構復雜，是由驅動中橋和驅動后橋組成的，汽車前進時，動力通過傳動軸由發動機經變速箱輸入給中橋，由中橋的軸間差速器把動力分別傳遞給中橋和后橋，實現中橋和后橋的同時驅動。驅動后橋由主減速器、輪間差速器、驅動車輪的傳動裝置及橋殼等部件構成；驅動中橋在后橋的基礎上增加了貫通軸、軸間差速器、圓柱齒輪傳動箱等部件，因此也將驅動中橋稱為貫通橋。

汽車實際運行中，因輪胎外徑的制造誤差、胎面磨損情況、胎壓和負荷以及路況等各種問題導致中、后橋各車輪的實際轉速并不完全相同，若驅動橋之間的連接是完全剛性的，則在任何瞬間中、后橋各車輪轉速都是絕對一致的，在實際道路上行駛時會產生輪胎滑拖、功率損失，輕則產生輪胎磨損故障，重則造成橋內零部件的損壞。為了使汽車能夠在各車輪轉速不同的情況下正常前進，在雙聯驅動橋中需要裝配差速器。雙聯驅動橋中、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車輪在行程不等時能以不同的轉速旋轉，軸間差速器是為了保證中、后橋之間能以不同的轉速旋轉。

驅動中橋的內部結構如圖1所示，現在越來越多的中橋生產企業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省中橋整體的空間。軸間差速器殼體內的主要結構如圖2所示。汽車前進時，動力由輸入法蘭經輸入軸傳遞給軸間差速器十字軸再傳給行星齒輪，經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該是相等的，才能使汽車正常前進，但汽車實際行駛中會由于路況等的原因，導致這兩部分動力不相等，中、后橋之間的轉速也將不相等，這時就需要用到軸間差速器。

圖1 驅動中橋內部結構圖

圖2 軸間差速器內部結構圖

軸間差速鎖的位置在輸入軸承之后，當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、后橋之間產生差速，并且共同驅動使汽車正常向前行駛；當鎖上該差速鎖后，軸間差速器內部不起作用，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動，中、后橋剛性連接將以相同的轉速前進。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，當差速鎖機構開關打開后，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。一般狀態下，軸間差速鎖處于關閉狀態，只有當遇到特殊路面(如泥濘等故障路面)時，某車輪失去動力，差速器將中、后橋強制剛性連在一起，使該車輪得到動力后汽車向前運行，當汽車駛出故障路面后應立即將差速鎖摘除。

2 驅動中橋總成疲勞臺架試驗方法

2.1 傳統的驅動中橋總成疲勞臺架試驗方法

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

目前較為常見的驅動中橋的總成疲勞壽命臺架如圖3所示。

圖3 傳統驅動中橋總成疲勞試驗臺架

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

以某一驅動中橋為例，該橋的速比i0，輪端輸出扭矩為M0，輸出轉速為n0，疲勞試驗中各相關試驗理論數據有如下關系：

兩車輪端的輸出扭矩應相等：

貫通軸輸出端扭矩：M后=0

輸入轉速：n入=n0×i0

貫通軸輸出端轉速：i后=n0×i0

由上可知，用傳統方法進行驅動中橋總成疲勞，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。

傳統試驗忽略了驅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生失效，常見的失效狀態如圖4所示。因此軸間差速器十字軸和行星齒輪是驅動中橋總成壽命試驗中很重要的一個環節。在傳統試驗中，對于與以上樣品參數相同的中橋而言，十字軸和行星齒輪所承受的輸入扭矩有如下關系：

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

兩車輪端的輸出扭矩應相等：

輸入轉速：n入=n0×i0

貫通軸輸出端轉速：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，導致齒輪產生非正常失效。另一方面，傳統試驗臺中軸間差速鎖長期處于鎖止的使用狀態，但實際工況中軸間差速鎖的使用頻率并不高，因此企業為了節約成本，在設計生產時軸間差速鎖的壽命應遠遠低于其他部件，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果。綜上所述，傳統的試驗方法需要進行一定的改進。

2.2 改進后的驅動中橋總成疲勞臺架試驗方法

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

圖5 改進后驅動中橋總成疲勞試驗臺架一

圖6 改進后驅動中橋總成疲勞試驗臺架二

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

2.3 改進前后的驅動中橋總成疲勞臺架試驗結果比較

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

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

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，輸入轉速n入為160 r/min，分別開始對兩件樣品進行試驗?？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。在進行了一段時間的疲勞試驗后，可得出表1所示試驗結果，樣品的失效狀態分別如圖7、8所示。

表1 第一組樣品試驗結果

圖7 1號樣品失效狀態 圖8 2號樣品失效狀態

由此可知：該組驅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生斷裂產生失效。若試驗是為考核中橋中最薄弱的部位，應選用改進后驅動中橋總成疲勞試驗臺架進行試驗。

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

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，輸入轉速n入為160 r/min，分別開始對兩件樣品進行試驗?？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。在進行了一段時間的疲勞試驗后，可得出表2所示試驗結果，樣品的失效狀態分別如圖9、10所示。

表2 第二組樣品試驗結果

圖9 3號樣品失效狀態

圖10 4號樣品失效狀態

由此可知：該驅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，該部位提前失效導致了整個試驗的終止，無法得出預期的結果。該若試驗是為考核中橋中最薄弱的部位，應選用改進后驅動中橋總成疲勞試驗臺架進行試驗。

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

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，輸入轉速n入為160 r/min，分別開始對兩件樣品進行試驗?？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。在進行了一段時間的疲勞試驗后，可得出表2所示試驗結果，樣品失效狀態分別如圖11、12所示。

表3 第三組樣品試驗結果

圖11 5號樣品失效狀態

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

3 結論

用改進前、后的驅動中橋總成疲勞試驗臺進行試驗，會得到不同的試驗結果。在試驗中因根據實際需求與側重點合理地選擇試驗臺架的結構形式，準確地判斷出所考核的試驗部件的壽命，使試驗結果能夠達到預期的效果，以便在今后的設計與制造中更好地改進與提升。

[1]劉惟信.汽車車橋設計[M].北京:清華大學出版社,2004.

[2]陳家瑞.汽車構造:下冊[M].5版.北京:人民交通出版社,2006.

[3]宋開勛.軸間差速器十字軸的疲勞斷裂分析與改進[J].中國重型裝備,2013(2):16-18. SONG K X.Analysis and Innovation of Fatigue Fracture for Interaxial Differential Cross Shaft[J].China Heavy Equipment,2013(2):16-18.

[4]周樺林.載重汽車雙聯驅動橋的結構特點及使用故障分析[J].機電工程技術,2005,34(8):103-105. ZHOU H L.Structure Features and Using Failure Analysis of Camion Double Drive Axle[J].Mechanical & Electrical Engineering Technology,2005,34(8):103-105.

[5]朱則則.陜汽斯太爾重卡雙聯驅動橋及其使用維修[J].重型汽車,2010(4):43-46.

[6]陳純敏.日野載貨汽車雙聯驅動橋的結構及其使用[J].汽車維護與修理,2005(3):26-28.

[7]張正欣.日野載重汽車橋間差速器的特點及其使用保養[J].交通世界,2006(8):61.

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，本科學歷，初級工程師，從事底盤傳動系統零部件檢測工作。E-mail：luoruixue@caeri.com.cn。