組合式車橋減速器殼蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳田兵，張學(xué)冉，駱強(qiáng)，黃志超

（1.江西江鈴底盤股份有限公司，江西 撫州 344000；2.華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

組合式車橋設(shè)計(jì)會(huì)涉及到車橋減速器殼蓋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師們可能會(huì)借鑒陳文珂等[1—6]的一些成熟經(jīng)驗(yàn)，一般不進(jìn)行設(shè)計(jì)分析或者設(shè)計(jì)預(yù)防。楊文等[7]對(duì)主減速器殼體強(qiáng)度及密封性的分析結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在試驗(yàn)場(chǎng)耐久性試驗(yàn)或者售后均可能出現(xiàn)減速器殼蓋滲漏的質(zhì)量隱患[8]。這種問(wèn)題很棘手，由于牽涉到產(chǎn)品設(shè)計(jì)，很難短時(shí)內(nèi)整改到位。文中對(duì)組合式車橋減速器殼蓋設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，介紹了組合式車橋減速器殼蓋密封失效的機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了CAE 分析[9]，確定了改進(jìn)措施，最終總結(jié)了減速器殼蓋的設(shè)計(jì)思路。

1 組合式車橋簡(jiǎn)介

圖1 為組合式車橋結(jié)構(gòu)示意圖，它由減速器總成、套管總成以及輪邊零部件3 大部分組成。文中所論述的車橋減速器殼蓋是通過(guò)殼蓋螺栓壓緊聯(lián)接在減速器總成上，兩者之間結(jié)合面涂抹平面密封膠，殼蓋螺栓螺紋前幾牙涂有厭氧膠，該厭氧膠具有鎖緊、密封功能。

圖1 組合車橋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined axle structure

2 減速器殼蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上述組合式車橋減速器殼蓋存在多種設(shè)計(jì)方案，下面分別介紹并闡述設(shè)計(jì)思路。常用的減速器殼蓋設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 常用減速器殼蓋結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of commonly used reducer casing cover

如圖3 所示，為加強(qiáng)減速器殼蓋剛性并便于減速器殼蓋拆解，本設(shè)計(jì)在常用減速器殼蓋周邊進(jìn)行翻邊處理，拆解時(shí)可以使用工具側(cè)向敲擊減速器殼蓋翻邊的側(cè)邊進(jìn)行拆解，這也是故障后橋設(shè)計(jì)方案。

圖3 翻邊處理后的減速器殼蓋結(jié)構(gòu)Fig.3 Reducer casing cover structure after flanging

為滿足減速器殼蓋與減速器接觸面的平面度要求，在減速器殼蓋周邊接觸面設(shè)計(jì)凸起壓痕，如圖4所示，凸起壓痕寬度為8～10 mm，高度為0.5 mm。

圖4 設(shè)計(jì)凸起壓痕后的減速器殼蓋結(jié)構(gòu)Fig.4 Reducer casing cover structure after design of raised indentation

3 減速器殼蓋滲漏機(jī)理分析及CAE分析

3.1 滲漏機(jī)理分析

圖5 為某輕型客車雙胎車橋耐久性試驗(yàn)減速器殼蓋滲漏的圖片。在單胎車橋（車橋承載質(zhì)量為2500 g）耐久性試驗(yàn)時(shí)并沒(méi)有發(fā)生滲漏質(zhì)量問(wèn)題，雙胎車橋承載質(zhì)量為3000 g，車橋耐久性試驗(yàn)出現(xiàn)車橋減速器殼蓋有輕微滲油現(xiàn)象。故障發(fā)生時(shí)，完成里程約74%。由此可知，后橋承載增大是泄漏產(chǎn)生的邊界影響因素。

圖5 減速器殼蓋滲漏Fig.5 Leakage diagram of reducer casing cover

對(duì)故障車橋殼蓋螺栓進(jìn)行力矩檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)如圖6所示的漏油處殼蓋螺栓殘余力矩（原始技術(shù)要求為54～68 N·m）檢測(cè)結(jié)果為23.4 N·m（序號(hào)2），其周邊兩個(gè)螺栓殘余力矩為16 N·m（序號(hào)1）和22 N·m（序號(hào)12）。

在耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，車橋承載在復(fù)雜工況下，經(jīng)長(zhǎng)期疲勞，車橋存在變形，減速器殼蓋與減速器接觸面之間產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致殼蓋螺栓擰緊力矩衰減，致使車橋減速器與減速器殼蓋結(jié)合面掙脫密封膠的粘連而松動(dòng)，逐漸發(fā)生滲透。

圖6 減速器殼蓋滲漏處示意圖Fig.6 Schematic diagram of the leakage of the reducer casing cover

3.2 CAE 分析

為分析解決此質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)CAE 分析技術(shù)[10—12]，進(jìn)行了減速器殼蓋強(qiáng)度分析及密封性分析，以探尋減速器殼蓋強(qiáng)度及密封要求是否合理。其中，分析軟件采用ABAQUS，建立模型步驟如下。

3.2.1 建立有限元模型

采用三維建模軟件UG 建立組合車橋的模型，并將其導(dǎo)入分析軟件ABAQUS 中，如圖7 所示。

3.2.2 確定邊界條件

在軟件ABAQUS 的前處理中設(shè)置組合車橋的邊界條件：左輪心約束x，y，z方向位移自由度；右輪心約束y，z方向位移自由度，左、右板簧座約束繞x軸旋轉(zhuǎn)自由度[13—15]。

圖7 組合車橋有限元模型Fig.7 Finite element model of combined axle

圖8 組合車橋有限元模型Fig.8 Finite element model of combined axle

3.3 減速器殼蓋強(qiáng)度分析

分別在左右板簧座施加14 700 N 的力。經(jīng)分析后結(jié)果為：減速器殼蓋最大應(yīng)力為橢圓圈住區(qū)域圓角位置處，最大應(yīng)力為155.4 MPa，位于圓角位置處，小于材料屈服極限，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求[16]。

圖9 減速器殼蓋Fig.9 Reducer casing cover

3.4 減速器殼蓋密封分析

為快捷有效地解決耐久性試驗(yàn)中出現(xiàn)的減速器與減速器殼蓋結(jié)合面滲漏質(zhì)量問(wèn)題，考慮到實(shí)施的繼承性及有效性，從螺栓[15]預(yù)緊力、螺栓個(gè)數(shù)、減速器殼蓋板材厚度以及接觸壓力等方面進(jìn)行了CAE 分析，探討其對(duì)減速器殼與減速器殼蓋工作間隙的影響。制定5 種分析方案并進(jìn)行CAE 對(duì)比密封性分析。

3.4.1 載荷

車橋載荷由2.5 倍后橋軸荷和1.8 倍發(fā)動(dòng)機(jī)向后橋傳遞的扭矩組合而成，分別是：2.5×3000 kg（軸荷）；1.8×355 N·m（發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩）×5.441（Ⅰ檔速比）×3.583（主減速比）。設(shè)定減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙大于0.06 mm 時(shí)顯示為紅色，作為滲漏臨界時(shí)工作間隙判定標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.2 分析計(jì)算

A 狀態(tài)（故障后橋狀態(tài)）使用12 個(gè)螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為2.122 mm，如圖10 所示。

圖10 減速器殼與減速器殼殼蓋A 狀態(tài)Fig.10 State of reducer casing and reducer casing cover A

B 狀態(tài)（螺栓擰緊力矩增大）使用12 個(gè)螺栓，螺栓擰緊力矩為73 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為2.122 mm，如圖11 所示。

圖11 減速器殼與減速器殼殼蓋B 狀態(tài)Fig.11 State of reducer casing and reducer casing cover B

C 狀態(tài)（增加2 個(gè)螺栓）使用14 個(gè)螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為0.076 87 mm，如圖12所示。

圖12 減速器殼與減速器殼殼蓋C 狀態(tài)Fig.12 State of reducer casing and reducer casing cover C

D 狀態(tài)（減速器殼蓋接觸面設(shè)計(jì)凸起壓痕）使用12 個(gè)螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。采用如圖4 減速器殼蓋設(shè)計(jì)，在周邊接觸面設(shè)計(jì)凸起壓痕，在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為0.076 87 mm，如圖13 所示。

圖13 減速器殼與減速器殼殼蓋D 狀態(tài)Fig.13 State of reducer casing and reducer casing cover D

E 狀態(tài)（減速器殼蓋板厚由3 mm 變更為4 mm）使用12 個(gè)螺栓，螺栓擰緊力矩為61 N·m。在外力作用下，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙最大值為2.944 mm，如圖14 所示。

圖14 減速器殼與減速器殼殼蓋E 狀態(tài)Fig.14 State of reducer casing and reducer casing cover E

3.4.3 結(jié)果分析

1）橢圓圈住部位為試驗(yàn)中漏油的部位。A、B 狀態(tài)下，工作間隙全部大于0.06 mm，存在滲漏隱患。

2）螺栓力矩增加后，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙沒(méi)有明顯變化，增大螺栓擰緊力矩不能改善減速器殼蓋滲油現(xiàn)象。

3）C 狀態(tài)，在橢圓圈住部位，上下對(duì)稱增加2個(gè)螺栓，減速器殼與減速器殼殼蓋工作間隙有顯著改善，工作間隙明顯變小，間隙在0.03 mm 之內(nèi)，顯示為綠色、藍(lán)色。以0.06 mm 為泄露指標(biāo)時(shí)，能夠保證原滲漏位置不發(fā)生泄漏。

4）D、E 狀態(tài)，橢圓圈住部位工作間隙存在大于0.06 mm 的部位，有所改善，紅色區(qū)域雖沒(méi)有貫通，但仍存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。5）根據(jù)CAE 分析結(jié)果，對(duì)A，B，C，D，E 這5 種狀態(tài)進(jìn)行了匯總，如表1 所示，其判定標(biāo)準(zhǔn)均為工作間隙小于0.06 mm，未貫通。

表1 減速器殼蓋密封性分析表Tab.1 Sealing property of reducer casing cover

4 總結(jié)

減速器殼蓋與減速器接觸面密封性的設(shè)計(jì)，牽涉方面較多。僅就某輕型客車雙胎車橋耐久性試驗(yàn)出現(xiàn)的減速器殼蓋滲漏問(wèn)題，在其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)減速器殼蓋周邊進(jìn)行翻邊設(shè)計(jì)，用CAE 分析技術(shù)方案，通過(guò)分析和計(jì)算最終得出方便、快捷有效的解決方案。設(shè)計(jì)師們還可以從螺栓的分布位置、接觸面密封膠、殼蓋螺栓的鎖緊密封膠等其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行探索分析，相信也可以找到行之有效的方案，但無(wú)論哪種方案都需進(jìn)行強(qiáng)度及密封性分析，滿足相關(guān)要求，這樣才能確保方案可行。