變速操縱系統中軟軸阻尼接頭的設計改進

摘要：橡膠阻尼結構因其可以消耗振動能量，在很多地方得到廣泛應用，但如果不對其使用的環境和條件進行前期的風險評估，容易導致結構和功能的失效，降低產品的可靠性。現對上海東風康斯博格莫爾斯控制系統有限公司某項目變速系統中橡膠阻尼結構進行了改進和優化，并總結了設計改進的經驗。

關鍵詞：橡膠阻尼結構;變速操縱系統;軟軸;設計改進

0 ? ?引言

目前大部分卡車的變速操縱系統是軟軸式的[1-2]，它用于連接車輛變速箱，由操縱器和軟軸兩大部分組成。操縱器布置于駕駛室，軟軸一端連接操縱器，一端連接變速箱，駕駛員通過撥動操縱器手柄推動軟軸，軟軸帶動變速箱端選換擋搖臂，達到切換擋位的目的。

某主機廠某個系統平臺的重卡變速操縱系統由我司提供，根據該主機廠的要求，我司為其開發了操縱器和軟軸整套系統并進入了量產。但該系列卡車投入市場一段時間后，市場上產生了大量的索賠案例，主要原因是軟軸功能失效，而且呈現上升的態勢。主機廠及我司對此均非常重視，我司聯系主機廠將市場售后失效件退回我司并進行故障分析。經過對所有售后失效件分析發現，有50%的失效是由于連接變速箱的軟軸球窩中橡膠結構老化及撕裂導致該部分球窩內襯脫落引起的。針對這個問題，我司建立了專門的項目組，分析失效原因并進行改進，從而提高產品可靠性，降低市場索賠率。

1 ? ?問題分析

圖1為失效件所處車輛的位置，該處為車輛變速箱端，軟軸與變速箱搖臂的連接方式為通過軟軸端部橡膠球窩壓入變速箱搖臂端的球頭。橡膠球頭沿著搖臂做軸向和線性運動，由于車輛在行駛過程中底盤會有很大的持續抖動，變速箱由齒輪和軸組成，通過不同的齒輪組合產生變速變矩，齒輪離合和分開過程中會不斷產生碰撞，引起搖臂端振動。車輛抖動和變速箱本身等的振動將會傳遞到駕駛員的操縱手柄，為了解決這個問題，我司開發了橡膠阻尼球窩，裝配在軟軸的變速箱端，以抵消振動引起的操縱器手柄端的抖動及駕駛員的不適，從而提高駕駛員的駕駛體驗。

圖2結構為我司開發的橡膠阻尼球窩，其由一個金屬圈拉桿、中間層橡膠和金屬內襯三大部分組成，失效的位置即金屬圈拉桿和內襯之間的橡膠。橡膠使用的是天然橡膠，天然橡膠在常溫下具有較高的彈性，稍帶塑性，具有非常好的機械強度，滯后損失小，在多次變形時生熱低，因此其耐屈撓性也很好，利用天然橡膠的這個性能可以有效抵消金屬間的碰撞，但因為有不飽和雙鍵，因此光、熱、臭氧、輻射、屈撓變形和銅、錳等金屬都能促進橡膠的老化，不耐老化是天然橡膠的致命弱點，但是添加了防老劑的天然橡膠，又可以很好地避免橡膠的老化。

此處橡膠失效形式大致分為橡膠撕裂、橡膠熱熔及內襯脫落，針對這三種類型的失效模式，我司進行了模擬，并做了相關的耐久實驗，觀察其失效過程。

我司在實驗室對軟軸進行實車模擬實驗，分別在常溫、高溫及低溫狀態下進行測試，發現常溫狀態下，軟軸正常負載600 N的情況下10萬次球頭橡膠便有裂紋，高溫100 ℃時1萬次便失效。經過多次實驗，我司總結發現該橡膠球窩強度不滿足工況要求。

以下是對失效原因進行的詳細分析：

1.1 ? ?橡膠抗撕裂強度不足

在球頭常溫狀態下正常工作負載循環10萬次左右后，橡膠產生裂紋，導致襯套與橡膠連接脫落，一共做了三個樣件，均存在同樣的現象，如圖3所示。

橡膠球頭所承受的力是圓周方向的力，會對橡膠部分產生反復壓縮和拉伸的力，如果橡膠本身的抗撕裂能力不足，將很快在前期失效。因此，需要提高橡膠本身的強度性能。

1.2 ? ?橡膠耐高溫性能不足

在對該款軟軸做高溫負載實驗時，我司發現，在溫度提高到100 ℃左右時，軟軸除了變速箱端橡膠球頭部分有熱熔現象，其他部位非金屬件完好。我司咨詢了供應商所選橡膠的耐溫性，對方提供報告顯示其使用的橡膠工作溫度為-40～70 ℃，很明顯低于設計要求，這也與前期沒有將球頭工作環境溫度傳遞到零件圖紙技術要求中有關，沒有將實際車輛該處的溫度可達100 ℃左右的要求傳遞到圖紙中。我司從主機廠寄回的失效件中也發現橡膠有受熱熔化的跡象，如圖4所示。

2 ? ?設計改進及優化

根據以上對失效件的分析，我司分別通過橡膠材料和結構對橡膠阻尼球窩進行改進和優化。

2.1 ? ?材料自身性能優化

橡膠材料自身性能優化如圖5所示。

2.1.1 ? ?增強橡膠耐溫性

由于現在使用的橡膠耐溫范圍為-40～70 ℃，但實際環境的溫度比該范圍要大，因此我司對橡膠的耐溫性提出新的要求，規定其耐熱范圍應提高到-40～110 ℃。

2.1.2 ? ?增強橡膠抗老化性[3]

由于軟軸一直暴露于環境中，橡膠的老化是復雜的自由基反應過程，要想徹底阻止橡膠的老化是不可能的，因此我司與供應商一起研究，查詢資料，并請教材料工程師，建議供應商在橡膠中添加防老劑。防老劑的種類有很多，如何選擇也是一門很深的學問。針對零件使用的環境，嘗試不同的添加劑，并進行實驗，選擇最優的一種應用于該產品，從而延緩橡膠的老化。

2.1.3 ? ?增強橡膠抗撕裂性

撕裂強度和硫化工藝、硫化劑[4]、填充物以及添加軟化物有著很密切的關系。一般隨硫化交聯密度的增加，撕裂強度增大，并出現一個極大值;然后隨交聯密度的增加，撕裂強度急劇下降。在天然橡膠中增加高耐磨碳黑的用量，可以使撕裂強度增大。另外，加入軟化劑會使硫化膠的撕裂強度降低，尤其是石蠟油對丁苯橡膠硫化膠的撕裂強度極為不利，而芳氫油則可以保證丁苯橡膠硫化膠的撕裂強度。我司與供應商一起討論，反復驗證試樣，將撕裂強度參數化。

2.2 ? ?結構優化

在材料改進后，還需對結構進行優化，從圖6所示改進前結構可以看出，橡膠部分結構用料單薄，在經過循環負載實驗后，橡膠與內襯之間即產生裂紋。橡膠球窩內襯的抗拉斷力和橡膠與內襯的接觸面積呈正比關系，加大接觸面可以有效增加球窩的抗拉斷能力。因此，我司改進了球窩外金屬圈的結構，如圖7所示，將原來金屬圈的高度由10 mm增大為16 mm，這樣就增大了球窩金屬內襯和外金屬圈與橡膠的接觸面積，同時我司調整內襯中心位置，讓球窩受力后，球頭拉桿軸心與內襯軸心基本重合，減少球頭受力后偏心現象，使其受力均勻。

橡膠球窩的抗拉斷力與接觸面積的關系[5]：

抗拉斷力=抗張強度×截面積

相同橡膠材料即抗張強度下，截面積越大，抗拉斷力越大。

抗張強度（tensile strength）即抗拉強度，又稱“拉伸強度”“扯斷強度”，表示單位面積的破碎力，材料或構件受拉力時抵抗破壞的能力，可用強度極限來表示，是金屬和非金屬材料機械性能的一項指標，單位為牛/平方厘米（N/cm2）或MPa。

3 ? ?改進后驗證

我司與主機廠技術中心對實車的工作環境和負載力進行了實際測量，將測量數據進行分析和匯總，和對方確定實驗條件，在我司實驗室對變速操縱系統進行了實際模擬，將該改進后的球窩制作成軟軸總成樣件，安裝在實驗臺上。經過改進前后實驗結果對比可知，改進后的總成可靠性得到了很大的提升。圖8是改進前后的軟軸性能對比。

4 ? ?結論

本文介紹了軟軸失效的設計改進，從故障件分析到失效原因研究，再到工況模擬，最后找到了失效根本原因，然后從每個根本原因著手做改進和優化，最終得到了很好的結果。以下是對本次設計改進的幾點經驗總結：

（1）每個產品開發前期，必須充分了解客戶的需求，并做詳細的可行性評估和驗證;

（2）對客戶端工況做詳細調查，并實地查看系統布置及各種工況參數;

（3）設計需嚴謹，設計圖紙需將關鍵技術參數標注清晰，與零件供應商做深入有效的溝通。

[參考文獻]

[1] 車志平.卡車軟軸式變速操縱性能影響因素分析及改進措施[C]//2014中國汽車工程學會年會論文集，2014：1049-1053.

[2] 郭占正，孫冬梅，苑士華，等.輕型汽車變速操縱系統及其設計[J].拖拉機與農用運輸車，2008，35（4）：103-104.

[3] 項璞玉，吳友平.硫化體系對天然橡膠性能的影響[J].橡膠工業，2014，61（7）：389-393.

[4] 李漢堂.通過硫化劑提高天然橡膠硫化膠的耐久性[J].世界橡膠工業，2015，42（7）：20-28.

[5] 硬質橡膠 拉伸強度和拉斷伸長率的測定：HG/T 3849—2008[S].

收稿日期：2020-02-21

作者簡介：徐小麗（1986—），女，江蘇宿遷人，工程師，研究方向：卡車變速操縱器系統開發。