報(bào)廢家庭用轎車傳動(dòng)零部件的再生利用

王存?zhèn)?，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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家庭用轎車制造業(yè)成為我國制造業(yè)中較大的產(chǎn)業(yè)。轎車大量進(jìn)入家庭，為人們的出行提供了方便，也為報(bào)廢車輛的處理提供了充足的后備資源。根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，采用資源化技術(shù)，可以將報(bào)廢車輛進(jìn)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(bào)廢以后，其中一部分傳動(dòng)零部件還未達(dá)到其使用壽命極限，還有較長的使用年限，經(jīng)過相應(yīng)的檢測、處理，還能繼續(xù)進(jìn)行使用，延長使用壽命。

1 車輛報(bào)廢的相關(guān)規(guī)定

2000年12月18日，國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會、國家發(fā)展計(jì)劃委員會、公安部、國家環(huán)境保護(hù)總局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整汽車報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)若干規(guī)定的通知》，將1997年制定的汽車報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)中非營運(yùn)載客汽車的使用年限及辦理延緩的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為9座（含9座）以下非營運(yùn)載客汽車（包括轎車、含越野型）使用15年。車輛達(dá)到報(bào)廢年限后需繼續(xù)使用的，必須依據(jù)國家機(jī)動(dòng)車安全、污染物排放有關(guān)規(guī)定進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后可延長使用年限。2001年1月6日，公安部又發(fā)布了有關(guān)通知，在9座（含9座）以下非營運(yùn)載客汽車達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)后要求繼續(xù)使用的，不需要審批，每年定期檢驗(yàn)2次，超過20年的，從第21年起每年定期檢驗(yàn)4次，連續(xù)3次檢驗(yàn)都不符合國家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件GB7258》規(guī)定的，公安交通管理部門收回機(jī)動(dòng)車號牌和《機(jī)動(dòng)車行駛證》，辦理注銷登記，實(shí)行車輛報(bào)廢。

2 車輛傳動(dòng)零部件的設(shè)計(jì)

車輛一般動(dòng)力傳遞方式為：發(fā)動(dòng)機(jī)→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(fā)動(dòng)機(jī)將燃料燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S輸出端的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，為車輛提供動(dòng)力。液力變矩器通過螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后端相聯(lián)接，與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)。液力變矩器另一端與變速器相聯(lián)，其主要起離合器的作用，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞給變速器輸入軸，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級的變扭變速，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速范圍較小，不能適應(yīng)車輛行駛時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間的轉(zhuǎn)速比，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在合理的工作范圍內(nèi)，提高車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動(dòng)機(jī)不能有載起動(dòng)，為保證車輛平穩(wěn)起步，通過變速器空檔位置的操作就能實(shí)現(xiàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)，而車輛需要前進(jìn)后退雙向運(yùn)動(dòng)，通過變速器前進(jìn)、后退檔的操縱就能實(shí)現(xiàn)車輛的前后運(yùn)動(dòng)。后橋是將通過變速器輸出的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步減速，并通過差速器、半軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給車輪，實(shí)現(xiàn)車輛的前后運(yùn)動(dòng)。

2.1 液力變矩器

液力變矩器在車輛上的功用是代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動(dòng)變速器中的機(jī)械式離合器，起到自動(dòng)離合器的作用。液力變矩器是依靠工作液體動(dòng)能的變化來傳遞動(dòng)力，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳給自動(dòng)變速器的輸入軸[1-3]。

目前轎車上廣泛采用由泵輪、渦輪、導(dǎo)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(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸相聯(lián)，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從發(fā)動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械能，并使之轉(zhuǎn)化為液流在單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)量矩的增量；液流由泵輪進(jìn)入渦輪，帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪與變速器的輸入軸相聯(lián)；將液流在單位時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量矩減少，使液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能向變速器輸出，從而帶動(dòng)變速器旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛的行駛；導(dǎo)向輪固定在不動(dòng)的殼體上，它既不吸收也不輸出機(jī)械能，它通過葉片對液流的作用來改變液流的動(dòng)量矩，以改變渦輪的力矩，達(dá)到“變矩”的目的。液流由泵輪進(jìn)入渦輪，由渦輪流出后進(jìn)入導(dǎo)輪，在導(dǎo)輪內(nèi)液流受導(dǎo)輪葉片的作用使液流方向改變，然后又流回泵輪，如此往復(fù)形成不停的循環(huán)流動(dòng)。

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(dǎo)輪對液流的作用力矩。

由上式可知，在穩(wěn)定工況下，液力變矩器工作腔內(nèi)工作液體總的動(dòng)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(huán)流量；

ΔГB：泵輪增加的速度環(huán)量；

ΔГT：渦輪增加或失去的速度環(huán)量；

ΔГD：導(dǎo)輪增加或失去的速度環(huán)量。

由上式可看出，因?qū)л喌拇嬖?，?dǎo)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(jī)構(gòu)，雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯的缺點(diǎn)。在高速狀態(tài)時(shí)，泵輪和渦輪之間會產(chǎn)生較大的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，傳動(dòng)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(shí)，直接通過鎖止離合器實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)的硬連接，轉(zhuǎn)速比i=1，消除了泵輪和渦輪之間的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，提高了傳動(dòng)效率，降低了燃油消耗。

通過液力變矩器設(shè)計(jì)工作原理的分析，可以看到，液力變矩器中的泵輪、渦輪、導(dǎo)輪之間的工作關(guān)系是通過液體作為介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)，它們相互之間沒有直接的摩擦，在實(shí)際的使用中，只要注意及時(shí)補(bǔ)充液力變矩器工作液和防止泄漏，進(jìn)而防止產(chǎn)生汽蝕；保持油液清潔度，泵輪、渦輪、導(dǎo)輪損壞和磨損的機(jī)率應(yīng)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(dòng)力的作用，在它們的結(jié)構(gòu)中常用的零部件有齒輪、軸、軸承等，在齒輪、軸的設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)受力情況，進(jìn)行徑向力、軸向力、轉(zhuǎn)矩、彎矩的計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行主要參數(shù)的選擇和主要尺寸的初步確定，然后需要進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算。

2.2.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核

當(dāng)σH≤σHP時(shí)，齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足安全要求。其中：σH：計(jì)算接觸應(yīng)力；

σHP：許用接觸應(yīng)力。

齒輪計(jì)算接觸應(yīng)力公式為：

式中：ZH：齒輪節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；

ZE：材料彈性系數(shù)；

Zεβ：接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)；

Ft：分度圓上的圓周力；

b：齒寬；

d1：小齒輪分度圓直徑；

U：齒數(shù)比；

KA：使用系數(shù)；

KV：動(dòng)載系數(shù)；

KHβ：齒向載荷分布系數(shù)；

KHα：齒向載荷分配系數(shù)。

齒輪接觸強(qiáng)度安全系數(shù)校核：

只有當(dāng)SH≥SHmin時(shí)，齒面使用安全。

其中：SHmin：接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)，其數(shù)值的大小由材料和熱處理方式?jīng)Q定；

SH：計(jì)算接觸強(qiáng)度安全系數(shù)，

σHlim：齒面接觸疲勞極限；

ZLVR：潤滑油膜影響系數(shù)；

ZW：工作硬化系數(shù)；

ZX：接觸強(qiáng)度計(jì)算尺寸系數(shù)；

ZN：接觸強(qiáng)度計(jì)算壽命系數(shù)，其值是根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和材料不同的金相晶粒結(jié)構(gòu)來進(jìn)行選擇，

N=60rnt

式中：r：齒輪每轉(zhuǎn)一周同側(cè)齒面的接觸次數(shù)；

n：齒輪的轉(zhuǎn)速；

t：設(shè)計(jì)滿載工作時(shí)間。

一般機(jī)械設(shè)計(jì)取t=35 000 h

即：齒輪滿載工作時(shí)間為35 000 h。

2.2.2 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核

當(dāng)SF≥SFmin時(shí)，齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度滿足安全要求。其中：SF：計(jì)算彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)；SFmin：彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)。

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(shù)；

YRre1T：相對齒根表面狀況系數(shù)；

YX：尺寸系數(shù)；

σF：計(jì)算曲彎應(yīng)力；

YN：彎曲強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)，其值是根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和材料不同的金相晶粒結(jié)構(gòu)來進(jìn)行選擇，N=60rnt。

由此可見，齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度與齒面接觸疲勞強(qiáng)度的確定，除了與材料性質(zhì)、尺寸大小、表面金相組織有關(guān)系，同樣與齒輪滿載工作時(shí)間的設(shè)定有關(guān)，也即與齒輪的預(yù)期設(shè)計(jì)使用壽命有關(guān)。同樣，變速器、后橋中的軸類零部件的設(shè)計(jì)也遵循這樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在車輛傳動(dòng)零部件的設(shè)計(jì)過程中，如果采用無限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將零部件或結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力限制在它的疲勞極限以下，就可以使零部件或結(jié)構(gòu)在理論上具有無限壽命，但這樣往往造成零部件或結(jié)構(gòu)尺寸較大，過于笨重。在實(shí)際的車輛設(shè)計(jì)中，基本是采用有限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，也稱為安全壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即在確保零部件或結(jié)構(gòu)的使用壽命條件下，采用超過疲勞極限的工作應(yīng)力來進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，這樣就能減小零部件或結(jié)構(gòu)的尺寸，減輕質(zhì)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(shí)際使用情況

隨著轎車大量進(jìn)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(jié)假日出行。在載重方面基本是無重載，在行駛時(shí)間和行駛里程方面，一般日平均行駛時(shí)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?yàn)樵谖覈某鞘薪ㄔO(shè)中，工業(yè)園區(qū)、居住區(qū)、行政辦公區(qū)之間的距離并不很遠(yuǎn)，所以，一般上下班距離并不很遠(yuǎn)。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(shè)，這為人們的出行提供了很大的便利。同時(shí)，隨著道路建設(shè)等級的提高和完善，車輛行駛的阻力也相應(yīng)減小，為延長車輛使用壽命打下了基礎(chǔ)。

4 車輛傳動(dòng)零部件實(shí)際使用時(shí)間與設(shè)計(jì)使用壽命之間的差距

我國雖沒有硬性規(guī)定家庭用轎車的實(shí)際報(bào)廢年限，但隨著車輛發(fā)動(dòng)機(jī)等其他部件的磨損和國家對環(huán)境要求的日益提高，對車輛的排放提出嚴(yán)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(jì)算出車輛零部件的實(shí)際使用時(shí)間t1：

t1=20×365×2=14 600 h

由上知車輛齒輪的設(shè)計(jì)滿載工作時(shí)間t：

t=35 000 h

設(shè)計(jì)滿載工作時(shí)間與實(shí)際使用時(shí)間之間的差值Δt：

Δt=t-t1=35 000-14 600=20 400 h

根據(jù)家庭用轎車的日平均使用小時(shí)數(shù)，可以計(jì)算出車輛報(bào)廢后齒輪還能繼續(xù)使用的年份數(shù)ΔN：

ΔN=27.94 a

由上計(jì)算可知，根據(jù)齒輪的設(shè)計(jì)使用壽命，家庭轎車使用20 a報(bào)廢后，其齒輪還可使用近28 a。

5 車輛傳動(dòng)零件的再生利用

5.1 車輛傳動(dòng)零部件的制造成本

車輛傳動(dòng)零部件材料大都采用合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其性能優(yōu)良，應(yīng)用廣泛，車輛傳動(dòng)零部件需要經(jīng)過鍛、粗車、去應(yīng)力處理、精車、銑、磨、熱處理等多道工序的加工，加工過程繁復(fù)，檢驗(yàn)質(zhì)量要求嚴(yán)格，需要花費(fèi)大量的人力、物力和能源。車輛傳動(dòng)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(bào)廢后其傳動(dòng)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(dòng)零部件的再處理

在循環(huán)載荷作用下，最大應(yīng)力總是出現(xiàn)在零部件表層的某一范圍內(nèi)。因此，對零部件采用表層強(qiáng)化工藝，改善表層的應(yīng)力狀況和化學(xué)成分，可以提高零部件的疲勞強(qiáng)度。疲勞試驗(yàn)表明，表面壓應(yīng)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(shù)受到世界各國的普遍重視。經(jīng)試驗(yàn)45號鋼在激光處理后，表面強(qiáng)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(bào)廢家庭用轎車傳動(dòng)零部件再生利用中，采用這樣的表面再處理技術(shù)，會進(jìn)一步提高這些零部件的質(zhì)量和使用壽命。

5.3 國外實(shí)踐

日本汽車擁有量達(dá)7 500萬輛，每年報(bào)廢汽車500多萬輛，100％由汽車經(jīng)銷商回收，除少數(shù)經(jīng)檢修后以二手車出口外，其余由5 000多家汽車拆解企業(yè)拆解，約占汽車質(zhì)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(chǎn)轎車近500萬輛，近150萬輛舊車報(bào)廢。歐盟的環(huán)保法規(guī)要求，從2002年起廢舊汽車的可再生利用率要達(dá)到85％。到2015年達(dá)到95％。德國拆解企業(yè)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(jìn)行再生處理。

美國汽車報(bào)廢量居世界首位，根據(jù)美國有關(guān)法律，只要汽車零部件沒有達(dá)到徹底報(bào)廢的年限，不影響正常使用，就可以再利用。經(jīng)過多年的摸索，特別是采用先進(jìn)的回收技術(shù)和處理設(shè)備，美國已能將占汽車質(zhì)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(chǎn)的大小企業(yè)有5萬多家，產(chǎn)值達(dá)360億美元。美國汽車工程師協(xié)會還對諸如啟動(dòng)器線圈、轉(zhuǎn)子、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向器、水泵、變速箱等一些具體零部件的再制造制訂了標(biāo)準(zhǔn)。

5.4 國內(nèi)實(shí)踐

我國自1980年以來，國務(wù)院有關(guān)部委先后下發(fā)一系列文件，指導(dǎo)、規(guī)范廢舊汽車處理工作。2001年6月16日，國務(wù)院頒發(fā)了“報(bào)廢汽車回收管理方法”，將我國報(bào)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(nèi)的狀況，廢舊車輛回收企業(yè)多、規(guī)模小、回收技術(shù)手段原始落后、效率低、材料耗損率高，同時(shí)能回收再利用的車輛傳動(dòng)零部件也沒有得到很好的利用。國家相關(guān)部門也沒有制定相應(yīng)的法規(guī)、政策。政策、法規(guī)的滯后和再生利用技術(shù)、設(shè)備、手段的落后，都制約了報(bào)廢家庭用轎車傳動(dòng)零部件再生利用的進(jìn)展。

6 結(jié)論

根據(jù)上述家庭用轎車實(shí)際使用情況的分析，傳動(dòng)零部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的確定和使用壽命的校核，可以確定，報(bào)廢家庭轎車傳動(dòng)零部件的再生利用是有安全質(zhì)量保證的。

國家相關(guān)部門應(yīng)盡快制定相關(guān)的政策、法規(guī)，使報(bào)廢家庭用轎車傳動(dòng)零部件能合理合法進(jìn)入再生利用的行列，并盡早形成一個(gè)體系完善、規(guī)模可觀的產(chǎn)業(yè)鏈。

各轎車生產(chǎn)廠家應(yīng)建立相應(yīng)的回收體系，主動(dòng)承擔(dān)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)、消費(fèi)、回收、再生利用是物質(zhì)循環(huán)的觀點(diǎn)。報(bào)廢家用轎車傳動(dòng)零部件的再生利用，將為國家降低資源消耗、綠色環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。

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