重型車驅(qū)動(dòng)橋齒輪油早期乳化的分析與排除

劉　軍銀川能源學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，寧夏銀川　750105

重型車驅(qū)動(dòng)橋齒輪油早期乳化的分析與排除

劉軍
銀川能源學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，寧夏銀川750105

重載下山的重型車，途中在冷卻站每趟至少對(duì)制動(dòng)器澆水急速冷卻一次。發(fā)現(xiàn)僅在一個(gè)二級(jí)維護(hù)里程一半左右時(shí)，橋的齒輪油已有乳化現(xiàn)象產(chǎn)生。本文對(duì)其特有現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，提出了可以臨時(shí)解決此類現(xiàn)象的方法和通過設(shè)計(jì)、制造改進(jìn)而杜絕此類“故障”產(chǎn)生的措施。

制動(dòng)；摩擦；密封；乳化；措施改進(jìn)

我國大多數(shù)商用車公司和驅(qū)動(dòng)橋?qū)I(yè)廠，參考學(xué)習(xí)日本歐盟制橋技術(shù)、使我國的中重型車的車橋研發(fā)制造技術(shù)和質(zhì)量得到大大的提升。并且通過不同噸位平臺(tái)、單雙橋選擇與組合而滿足了不同用戶群的需求，深受大江南北使用者的歡迎和信賴。

但是，在寧夏溝口和內(nèi)蒙古拉本的賀蘭山運(yùn)煤的用戶，逐漸發(fā)現(xiàn)不到齒輪油換油期而驅(qū)動(dòng)橋的油面升高和出現(xiàn)不同程度的白色乳化現(xiàn)象。

通過與整車廠組成“故障”排除組，先在全國范圍進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)也只有我提到的地區(qū)和其他一個(gè)省在山區(qū)使用的有這么特殊情況存在。因此結(jié)論是這種“故障現(xiàn)象”具有一個(gè)特殊的使用條件和用戶群。因此我分步進(jìn)行這種故障現(xiàn)象的剖析和故障診斷，并針對(duì)原因提出解決手段與改進(jìn)措施。

1　道路地域環(huán)境 汽車下山的技術(shù)狀況 輪胎與制動(dòng)鼓高溫形成的機(jī)理 冷卻過程介紹和故障診斷的方式方法

1）為二級(jí)山區(qū)多彎道道路，只有在礦口到上公路處是1～3km的自建路。車輛使用目的是向山下煤場(chǎng)轉(zhuǎn)煤，載重15～30t左右。

2）煤場(chǎng)與山上高處的公路海拔高度差大約有1 200m左右，單程＜50km。每趟至少一次在冷卻站對(duì)輪胎與制動(dòng)器澆水急速冷卻一次。冷卻過程是冷卻員把有一定水壓、膠管內(nèi)徑大約30～50mm的冷水管插在整車鋼圈上，頓時(shí)整個(gè)車籠罩在“呲呲作響”的霧氣騰騰中。

現(xiàn)場(chǎng)冷卻的目的：如果再繼續(xù)行駛，制動(dòng)器升溫與其散熱能力已不能平衡，高溫的制動(dòng)摩擦副其制動(dòng)效能嚴(yán)重衰減使車速不能有效掌控、車輪極大可能爆胎或引起自燃，后果可以想象的惡劣。

3）車型基本是自卸車，輪胎氣壓普遍有“超載”。下山時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率為零，變速箱處于L檔位，輔助制動(dòng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)與排氣制動(dòng)，主制動(dòng)是腳剎氣壓制動(dòng)鼓式，制動(dòng)器的摩擦副直徑大約在Φ400mm，寬度200mm，車速控制在40km/h之內(nèi)。

驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)形式有：鑄造鑲半軸套管式、鋼板組焊焊接半軸套管式以及內(nèi)擴(kuò)張成形焊接半軸套管式。驅(qū)動(dòng)橋減速結(jié)構(gòu)類型有普通中央減速器形式的，有中央減速器加輪邊行星輪減速器形式的。輪轂是依靠?jī)杀P圓錐軸承支撐和安裝在驅(qū)動(dòng)橋左右兩端的半軸套管外圓柱上，輪轂輪輻部位通過10條輪胎螺栓安裝有制動(dòng)鼓和車輪。半軸都是全浮式，半軸法蘭面加密封圓墊與輪轂外側(cè)端面密封連接，外側(cè)端半軸與半軸套管內(nèi)孔之間有個(gè)骨架式油封防止齒輪油漏入輪轂軸承腔；而輪轂內(nèi)側(cè)（剎車底板側(cè)）與半軸套管外圓密封是有兩個(gè)并靠的骨架式油封，防止輪轂潤(rùn)滑脂液化外漏到制動(dòng)鼓與摩擦片的摩擦副之間和防止外界的污物滲進(jìn)輪轂軸承腔。

4）我們對(duì)汽車下山受力進(jìn)行分析，從而剖析車載質(zhì)量、車速控制、制動(dòng)器升溫、坡度對(duì)行駛安全的影響，進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)必須保持熱平衡的道理。而就是這么比較合理的做法，引起驅(qū)動(dòng)橋齒輪油早期乳化現(xiàn)象的發(fā)生。設(shè)：G-車質(zhì)量；Fx-車重在行駛方向的分力；Tf-整車制動(dòng)器的制動(dòng)力（不制動(dòng)時(shí)不存在）；Ff-剎車時(shí)路面對(duì)輪胎（整車）的反作用阻止力即≤靜摩擦力（不制動(dòng)時(shí)不存在）；θ-坡度角；Va-車速及行駛方向；g-重力加速度；t-時(shí)間；f-制動(dòng)器摩擦副的摩擦系數(shù)（與溫度參數(shù)有關(guān)）；f′-輪胎與地面的摩擦系數(shù)。

由此，我們知道：（1）汽車下坡沒有制動(dòng)阻力的話，車速是個(gè)加速度過程（慣性力=Fx），且正比于坡度角和無制動(dòng)的間隔時(shí)間；（2）汽車下坡的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)力Fx來源汽車所受的重力分力，正比于車重和坡度角；（3）汽車制動(dòng)器的制動(dòng)力Tf要大于等于車輪與地面的靜摩擦力Ff。Ff平衡于Fx。制動(dòng)力Tf正比于f，當(dāng)溫度超出臨界溫度后，摩擦系數(shù)將嚴(yán)重下降。由能量守恒定律，汽車下山制動(dòng)器的機(jī)械摩擦能轉(zhuǎn)化成熱能。那么汽車下山為了安全，首先是控制車速，制動(dòng)一次，車速減慢且減慢幅度與每次制動(dòng)時(shí)間有關(guān)，然后又加速，高于目標(biāo)速度又制動(dòng)減速，這樣不斷克服的慣性就不斷變成制動(dòng)熱能的不斷疊加。在散熱能力小于加熱能力后，制動(dòng)器與車輪溫度的上升明顯加快。

制動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)和溫度變化分析。早期摩擦片使用石棉模壓材料為主，然后使用長(zhǎng)纖維石棉與添加銅絲或鋅絲編織滾壓材料為主（現(xiàn)也有在繼續(xù)使用的），它們的高溫使用效能較差。目前主要使用的是冶金摩擦材料，主要以銅粉或鐵粉等為主要成分，加上石墨陶瓷材料，摩擦系數(shù)f為0.3～0.5左右，好的狀況下f可達(dá)0.7左右， 通過試驗(yàn)，制動(dòng)摩擦片材料溫度≤250℃時(shí)，冶金材料的f仍能維持在0.3～0.4左右。溫度＞300℃，f就會(huì)極不穩(wěn)定了。而下山的重載車，行駛到距山下一半的距離左右時(shí)溫度往往超過250℃，常在300℃左右，有時(shí)瞬時(shí)溫度可達(dá)500℃～600℃；另外制動(dòng)器摩擦副溫度大約200℃時(shí)輪轂軸承溫度大約120℃左右，鋰基脂液化溫度大約為130℃～150℃。它們使用的輪胎有尼龍普通斜交胎，大部分使用是鋼絲胎。輪胎氣壓高，承載的裝載能力提高，但輪胎簾線（布）層受到過度的伸張拉應(yīng)力，胎體彈性下降，加之不斷制動(dòng)的慣性力等滾動(dòng)動(dòng)載荷作用，使輪胎“多邊形效應(yīng)”現(xiàn)象不同程度的發(fā)生（即彈性恢復(fù)能力的可能喪失），而變形加劇簾布層脫層和溫度急劇上升，拿普通胎來說，輪胎的臨界溫度為100～121℃。若輪胎強(qiáng)度層溫度超過橡膠硫化點(diǎn)（140℃），輪胎內(nèi)部組織將被破壞而可能爆胎。所以冷卻站的存在很有必要。（這是后話，事實(shí)證明齒輪油早期變色的“間接原因”就是有一定流速和壓力的冷卻水快速地進(jìn)入了制動(dòng)鼓及摩擦副表面，迅疾產(chǎn)生大量的蒸汽并聚集在制動(dòng)鼓這么不大的容積內(nèi)而產(chǎn)生具備一定“沖破力”的熱動(dòng)能。）

另外，我們根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)重載的車停在冷卻站時(shí)，重量和地面對(duì)輪轂的法向反作用力，使輪轂軸承下端一側(cè)無間隙，而整個(gè)運(yùn)動(dòng)間隙全累積在上端一側(cè)，不動(dòng)的內(nèi)外側(cè)油封的下端一側(cè)受壓縮大，油封變形在整個(gè)圓周上的變形就不規(guī)則，加上零部件的熱漲，油封上側(cè)的緊箍力變小或沒有，有可能出現(xiàn)間隙。我們分析這也為冷卻時(shí)產(chǎn)生有一定溫度和動(dòng)能的蒸汽從這里進(jìn)去創(chuàng)造了“有利條件”。（這是后話，事實(shí)證明齒輪油早期變色的“間接原因”是蒸汽就是從這里突破的，同齒輪油蒸汽摻和在橋內(nèi)腔冷凝成液體和下沉，日積月累不斷同齒輪油混合而乳化。）

5）探尋原因和解決措施。（1）找了3個(gè)用戶代表，跟蹤運(yùn)輸全過程。從更換新油后，就隔三差五的檢查油色。（2）同時(shí)我們?cè)隍?qū)動(dòng)橋本身上找可能意外進(jìn)水的地方，比如橋殼有貫通的螺紋口，涂上密封膠去試驗(yàn)、把橋殼上的平衡透氣孔變成有單向閥式的或者暫時(shí)堵死、把圓形的內(nèi)側(cè)裝的制動(dòng)底板裝上還是一半裝、把制動(dòng)鼓的檢視孔檔上等，仍然不行，我們這時(shí)基本確定，“進(jìn)水”通道在油封這個(gè)位置點(diǎn)上。（3）我們挑選制造精度高的油封和油封座圈并仔細(xì)裝配等，效果基本沒有。（4）我們與臺(tái)灣油封專業(yè)廠和它們的技術(shù)人員，更換新型的油封（此種油封本身就能有相對(duì)旋轉(zhuǎn)）有好轉(zhuǎn)但還是不能有效阻止齒輪油早期變色問題。（5）走訪山下修理工，同時(shí)仔細(xì)研究零部件結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)鼓內(nèi)進(jìn)水的“地道”大大存在，即制動(dòng)鼓與制動(dòng)轂在它們安裝連接的法蘭圓平面在貼合形成合件后，自然形成10個(gè)溝槽并在內(nèi)圓側(cè)與制動(dòng)鼓內(nèi)相通。溝槽的形成是制動(dòng)鼓連接圓平面在鑄造和加工時(shí)都是平面，而輪轂連接圓平面在設(shè)計(jì)鑄造時(shí)就不是整圓而是有10個(gè)螺栓孔凸臺(tái)，裝合后形成“10個(gè)地道”。因此我們用石棉板剪成溝槽形狀進(jìn)行填密“地道”。多次檢查和跟蹤，發(fā)現(xiàn)齒輪油在以前變色的里程時(shí)已不再變色。（6）針對(duì)試驗(yàn)得出的排除“乳化現(xiàn)象故障”的手段，我們重新改變輪轂圖紙，加工出無凸臺(tái)輪轂進(jìn)行更換，故障排除。

2　原因分析和設(shè)計(jì)、制造工藝改進(jìn)

綜上所述，驅(qū)動(dòng)橋齒輪油早期乳化的原因是：200℃～300℃（或更高）摩擦副，在冷卻水急速大量進(jìn)入制動(dòng)鼓內(nèi)部并汽化，迅疾產(chǎn)生大量的蒸汽并聚集在制動(dòng)鼓這么不大的容積內(nèi)而形成有一定的“沖破力”的熱動(dòng)能生成，它突破仍然處在熱漲下制動(dòng)器的內(nèi)外側(cè)油封的中上部“縫隙”進(jìn)入到內(nèi)腔同油蒸汽摻和冷凝成液體和下沉，日積月累不斷同齒輪油混合而乳化。如果臨時(shí)和不怕麻煩，采取我上面應(yīng)用的手段即可。永久解決就是更換上是技改后的制動(dòng)輪轂。

［1］GB/12676-1999汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法［S］.

［2］QC/T556-1999汽車制動(dòng)器溫度測(cè)量和熱電偶安裝［S］.

［3］周磊.連續(xù)下坡路段汽車行駛特性與制動(dòng)器制動(dòng)性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué).

［4］紀(jì)王芳.載重汽車行車制動(dòng)器制動(dòng)性能的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué).

U46

A

1674-6708（2015）152-0073-02