汽車檢測用底盤測功機滾筒軸斷裂問題分析與改進

邸建輝 李楊昭 謝鮮明 耿繼明

摘 要：汽車底盤測功機是環(huán)保檢測中的一個重要設備，可以模擬各種加載工況，在規(guī)定工況下測得汽車排放氣體中有害物質含量并進行評價;文章就汽車底盤測功機工作狀況、滾筒的受力情況，分析滾筒支撐軸出現(xiàn)裂紋甚至斷裂的原因，并給出解決方案。

關鍵詞：底盤測功機;滾筒;斷裂

中圖分類號：U472.9 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-72-05

Analysis and Improvement of Fracture of Automobile ChassisDynamometer Roller Shaft

Di Jianhui¹，?Li Yangzhao¹，?Xie Xianming¹，?Geng Jiming²

（?1.Shijiazhuang Huayan Transportation Technology Co. Ltd.， Heibei Shijiazhuang 050227;2.Jiangxi Changyun Motor Vehicle Testing Center Co. Ltd.，?Jiangxi Nanchang 330024 ）

Abstract：?Automobile chassis dynamometer is an important equipment in environmental protection detection. It can simulate various loading conditions， measure and evaluate the contents of harmful substances in automobile exhaust gases under specified conditions. Based on the working condition of the automobile chassis dynamometer and the stress of the roller， this paper analyzes the reason of the crack and even fracture of the supporting shaft of the roller， and gives a solution.

Keywords： Chassis dynamometer; Roller; Fracture

CLC NO.： U472.9 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-72-05

前言

近年來，隨著我國機動車保有量的快速增長，機動車排放已經(jīng)成為很多大中城市空氣質量惡化的主要源頭;打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，是黨的十九大作出的重大決策部署，在三年行動計劃中，明確提出了限制超標車輛排放控制使用的方式;生態(tài)環(huán)境部和國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了GB 3847- 2018《柴油車污染物排放限值及測量方法》和GB 18285-2018《汽油車污染物排放限值及測量方法》強制性國家標準，規(guī)定了對柴油車和汽油車采用工況法檢測的項目和方法。

在標準中對機動車進行工況的檢測設備明確提出了要求，對于重型柴油車使用3軸六滾筒底盤測功機進行加載減速工況法檢測。在汽車底盤測功機中，滾筒是整個設備的核心部件之一，由于測功機滾筒同時承受彎矩和扭矩，是最容易出現(xiàn)故障的部件，本文對滾筒支撐軸部位裂紋形成原因進行分析，并給出解決方案。

1 結構及原理

汽車在進行加載減速工況法污染物檢測時，首先被檢車輛驅動輪駛上測試臺架（即重型測功機），見圖1-圖3，對于雙驅動軸的車輛，前驅動軸輪落在1軸和2軸之間出車舉升機構上，后驅動軸輪落在第三軸滾筒上（單驅動軸的車輛，僅落在1軸和2軸間出車舉升機構上），車輛到位后，出車舉升機構下降，前驅動軸輪與1、2軸滾筒接觸，被檢車輛按照提示驅動測功機滾筒，測功機檢測滾筒表面線速度（即車輛車輪），達到工況設定值，通過電渦流機由滾筒向車輛驅動輪加載阻力，在整個過程中，采集車輛排放的污染物含量，按照國標限值進行評價。

重型底盤測功機的結構包括支撐車輛驅動輪并模擬路況的滾筒、加載的渦流機、測量臺架內部阻力的反拖裝置（電機、同步帶、變頻器）、機械框架、聯(lián)軸器、扭力傳感器、速度傳感器等，其結構如圖3所示，電渦流機與1軸及3軸滾筒連接，在電渦流機的定子部分安裝扭力傳感器，用于測出施加在滾筒上的加載力，速度傳感器安裝在1軸滾筒上，用于檢測滾筒表面線速度，各軸之間用同步帶連接，滾筒兩端由帶座軸承支撐。

汽車底盤測功機反拖裝置測出系統(tǒng)的阻力功率，工況加載時，系統(tǒng)自動計算加載功率（規(guī)定加載功率減去系統(tǒng)阻力功率），由主滾筒支撐軸端連接的電渦流機加載，從整個測試原理可知，測功機主滾筒既承受被測車輛的重量，又傳遞加載扭矩，是一個典型的交變彎扭受力部件。

2 問題導出

底盤測功機臺架在車輛檢測過程中，出現(xiàn)滾筒軸頭與腹板連接部位出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，如圖4所示，導致檢測中斷，嚴重時，出現(xiàn)被檢車輛沖出臺架，存在較大事故風險;出現(xiàn)故障的底盤測功機多出現(xiàn)在一些檢測重型車輛的檢驗機構，斷裂滾筒為前軸臺架的1軸以及后臺架的3軸滾筒，從圖4可以看到，支撐滾筒的支撐軸與腹板之間為焊接結構，先出現(xiàn)整圈均勻的裂紋，后裂紋加深，直至斷裂。

3 問題定位與分析

首先從滾筒結構進行分析，圖5是底盤測功機滾筒結構圖，滾筒由三部分焊接而成，包括支撐軸、筒體以及腹板，問題出在支撐軸與腹板連接處，標記為A和B，出現(xiàn)裂紋甚至斷裂是由多種原因引起的，可能是設計原因，也可能是制造加工的工藝因素造成，下面分項分析原因。

3.1 設計因素

從設計方面著手，是不是設計強度不足，安全系數(shù)不夠引起，我們從滾筒的結構進行彎矩和扭矩的強度分析，是否滿足強度要求。

3.1.1 滾筒強度分析

由底盤測功機的檢測原理可知，滾筒既承受向下的車輪重力，同時承受渦流機加載的扭矩，承載力按照臺架的額定載荷計算，單個滾筒為6500kg（63700N），扭矩為電渦流機能夠產(chǎn)生的最大阻力矩3400Nm，其受力圖如圖6所示，在圖中標注了滾筒的故障點A和B點所處的位置，彎矩圖及扭矩圖如圖7所示，按照第四強度理論對其強度進行分析并且用三維設計軟件中有限元進行強度分析。

（1）彎曲應力計算

按照滾筒承受的極限情況計算A、B兩個位置的彎矩。

式中：

M_max：中心點最大彎矩，Nmm;

M_A、M_B：A、B兩位置彎矩。

A、B兩位置抗彎截面系數(shù)相同

A、B兩位置彎曲應力

（2）扭轉應力計算

A、B兩位置抗扭截面系數(shù)

A、B兩位置扭矩

Mn=3400000Nmm

扭轉應力：

（3）按照第四強度理論

滾筒軸頭材質為45鋼，根據(jù)機械手冊第二卷（表6-1-21）軸的許用彎曲應力，變載荷循環(huán)工況時，其許用應力值為95MPa。

A、B處截面（軸頭與幅板連接處）合成正應力為81.5MPa，小于許用值，設計強度滿足使用要求。

（4）滾筒軸端焊縫強度

滾筒支撐軸與腹板是焊接結構，對焊縫強度進行計算分析，焊縫外形為圖8中（a）所示，按照經(jīng)驗a≈0.7K。

1）焊縫焊腳尺寸：K=10mm;

則計算尺寸：a=7mm;

2）焊縫處主要受渦流機傳遞到滾筒的阻力扭矩：M=3400Nm;

3）設計滾筒與幅板焊接處支撐軸直徑為80mm，R=40mm;

4）焊縫應力按照T型焊縫計算：

參照機械設計手冊，焊縫許用應力按（較弱）母材的許用拉應力σp乘系數(shù)m，系數(shù)m查手冊為0.65，幅板材質為Q235，σp=130MPa

[τ]=130×0.65=84.5MPa>τ

結論：焊縫強度滿足要求。

3.1.2 有限元分析驗證

用三維設計軟件SolidWorks對滾筒結構進行有限元分析，驗證分析結果是否與上述一致，設定最大承重力和扭矩，通過有限元分析，在位置A點最大應力為78.4MPa，滿足強度設計要求，如圖9所示。

通過以上分析，其滾筒設計的結構強度滿足使用要求，但仍然出現(xiàn)上述裂紋，甚至斷裂，因此排除了設計原因。

3.2 工藝因素

工藝因素從使用的材料，熱處理工藝、加工工藝、焊接工藝進行分析。

（1）材料及熱處理

滾筒各組件的材料不同，兩端的支撐軸的作用通過軸承支撐中間筒體，起到承重和傳遞扭矩作用，材料為中碳鋼45#材質，采用調質處理工藝，其硬度為HRC45-55，既有一定的韌性，又有一定的硬度，但焊接性能較差;腹板為熱軋鋼板加工，材質為低碳鋼Q235-A，有較好的焊接性能;筒體為無縫鋼管，材質為低碳鋼20#，切削性能良好。

以上材料及熱處理工藝為常用材料及常規(guī)工藝，無特殊材料和特殊熱處理工藝。

（2）加工工藝

筒體、腹板及支撐軸加工為數(shù)控機床內外圓加工，不會影響整體強度，支撐軸與腹板配合為過渡配合，最小公差為0.02mm，機床精加工能夠滿足要求，對出現(xiàn)故障點無影響。

（3）焊接工藝

滾筒焊接分為兩部分，筒體與腹板的焊接與支撐軸與腹板的焊接;筒體與腹板焊接采用手工電弧焊，J422酸性焊條焊接，由于筒體與腹板為低碳鋼具有較好的焊接性能，無需采用各種焊接保護措施，能夠滿足強度要求。

支撐軸與腹板焊接為中碳鋼與低碳鋼焊接，焊接性能較差，采用手工電弧焊，J507焊條焊接，按照中碳鋼焊接工藝，焊接時焊條應烘干處理（加熱到溫度300℃左右）并保溫，焊接前及焊接后對焊接部位進行預處理，即加熱并保溫，有利于焊縫金屬中氫的逸出，避免氫致裂紋;經(jīng)對出現(xiàn)問題的滾筒加工進行回溯追究，發(fā)現(xiàn)加工生產(chǎn)時未按照以上焊接工藝進行焊接，經(jīng)對焊接后的滾筒檢查，在冬季焊接的滾筒易出現(xiàn)焊縫裂紋，夏季出現(xiàn)裂紋的概率較低。

通過以上檢查分析，導致滾筒支撐軸與腹板出現(xiàn)裂紋主要是加工時未按照焊接工藝加工，焊接后出現(xiàn)焊縫裂紋，并且由于焊接部位受熱不均并快速冷卻，支撐軸為調質處理，從而致使支撐軸在焊接部位出現(xiàn)淬硬層導致裂紋，降低滾筒的強度，造成滾筒使用時斷軸。

4 設計改進

滾筒斷軸可以從兩方面進行解決， 其一嚴格按照焊接工藝進行焊接處理，其二改進滾筒設計，避免中碳鋼焊接，對以上兩種方案進行分析。

按照焊接工藝處理，需要購置烘干，加熱，保溫設備，并且這些設備屬于大耗能設備，不利于節(jié)能減排，另外，底盤測功機的生產(chǎn)屬于小批量生產(chǎn)，年產(chǎn)量為幾十套設備，投入產(chǎn)出比不高，因此從設計方面進行滾筒改進，避免中碳鋼焊接。

如何避免中碳鋼焊接，并保證整個滾筒的強度要求，我們參考了國外轉鼓設計，轉鼓中支撐軸與腹板之間采用漲緊套緊固及傳遞扭矩，支撐軸一般為通軸結構，避免支撐軸與腹板焊接，產(chǎn)生加工缺陷，影響使用，其結構如圖10所示。

在滾筒改進設計中如果采用該結構在本設備中，設計冗余較大，支撐軸需要進行磨削加工，以保證表面粗糙度及尺寸精度，并且漲緊套裝配工藝要求較高，成本較高;汽車底盤測功機滾筒設計時必須考慮其經(jīng)濟性，因此我們重新設計其聯(lián)接結構，在腹板與支撐軸之間增加了一個中間套，避免中碳鋼焊接由于處理不到位出現(xiàn)焊接缺陷，中間套使用Q235-A低碳鋼材料，與腹板過渡配合后焊接，焊接性能較好，無需進行焊接前后處理就能保證質量，支撐軸與中間套采用裝配連接，用單鍵傳遞扭矩，圓柱銷定位，并且圓柱銷安裝后端部滿焊，防止圓柱銷脫落，這樣既保證了扭矩的傳遞和軸向定位;為保證滾筒的同軸度等形位公差，支撐軸、中間套裝配后與腹板焊接，滾筒整體加工兩端軸及筒體表面。具體結構如圖11所示。

對上述滾筒結構進行有限元分析，分析結果如圖12所示，其A點最大應力為71MPa，滿足滾筒使用強度要求，避免了中碳鋼焊接引起的焊接缺陷。

5 試驗驗證

按照上述結構改進后，安裝到底盤測功機上，試制了一臺樣機;在機動車檢驗機構安裝使用，經(jīng)過近6個月多臺次重型車輛測試試驗，未發(fā)生滾筒支撐軸斷裂現(xiàn)象，用戶反饋良好，說明該結構設計合理，設備強度、性能滿足使用要求。

6 結論

綜上所述，通過以上問題定位分析，從發(fā)現(xiàn)問題，到解決問題，既考慮了公司現(xiàn)場實際加工情況，又考慮了產(chǎn)品經(jīng)濟性;底盤測功機滾筒改進后，解決了支撐軸斷裂問題，該結構設計合理，構思巧妙，解決了小批量生產(chǎn)專用設備投入費用大的問題，同時此設計方案可應用到其他滾筒類檢測設備中，為滾筒類產(chǎn)品設計開拓了思路。

參考文獻

[1] 徐灝.機械設計手冊第二版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.6.

[2] GB 3847-2018.柴油車污染物排放限值及測量方法.