變速操縱系統(tǒng)中軟軸阻尼接頭的設(shè)計(jì)改進(jìn)

摘要：橡膠阻尼結(jié)構(gòu)因其可以消耗振動(dòng)能量，在很多地方得到廣泛應(yīng)用，但如果不對(duì)其使用的環(huán)境和條件進(jìn)行前期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和功能的失效，降低產(chǎn)品的可靠性?，F(xiàn)對(duì)上海東風(fēng)康斯博格莫爾斯控制系統(tǒng)有限公司某項(xiàng)目變速系統(tǒng)中橡膠阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并總結(jié)了設(shè)計(jì)改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：橡膠阻尼結(jié)構(gòu);變速操縱系統(tǒng);軟軸;設(shè)計(jì)改進(jìn)

0 ? ?引言

目前大部分卡車的變速操縱系統(tǒng)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(dòng)操縱器手柄推動(dòng)軟軸，軟軸帶動(dòng)變速箱端選換擋搖臂，達(dá)到切換擋位的目的。

某主機(jī)廠某個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的重卡變速操縱系統(tǒng)由我司提供，根據(jù)該主機(jī)廠的要求，我司為其開發(fā)了操縱器和軟軸整套系統(tǒng)并進(jìn)入了量產(chǎn)。但該系列卡車投入市場一段時(shí)間后，市場上產(chǎn)生了大量的索賠案例，主要原因是軟軸功能失效，而且呈現(xiàn)上升的態(tài)勢(shì)。主機(jī)廠及我司對(duì)此均非常重視，我司聯(lián)系主機(jī)廠將市場售后失效件退回我司并進(jìn)行故障分析。經(jīng)過對(duì)所有售后失效件分析發(fā)現(xiàn)，有50%的失效是由于連接變速箱的軟軸球窩中橡膠結(jié)構(gòu)老化及撕裂導(dǎo)致該部分球窩內(nèi)襯脫落引起的。針對(duì)這個(gè)問題，我司建立了專門的項(xiàng)目組，分析失效原因并進(jìn)行改進(jìn)，從而提高產(chǎn)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(yùn)動(dòng)，由于車輛在行駛過程中底盤會(huì)有很大的持續(xù)抖動(dòng)，變速箱由齒輪和軸組成，通過不同的齒輪組合產(chǎn)生變速變矩，齒輪離合和分開過程中會(huì)不斷產(chǎn)生碰撞，引起搖臂端振動(dòng)。車輛抖動(dòng)和變速箱本身等的振動(dòng)將會(huì)傳遞到駕駛員的操縱手柄，為了解決這個(gè)問題，我司開發(fā)了橡膠阻尼球窩，裝配在軟軸的變速箱端，以抵消振動(dòng)引起的操縱器手柄端的抖動(dòng)及駕駛員的不適，從而提高駕駛員的駕駛體驗(yàn)。

圖2結(jié)構(gòu)為我司開發(fā)的橡膠阻尼球窩，其由一個(gè)金屬圈拉桿、中間層橡膠和金屬內(nèi)襯三大部分組成，失效的位置即金屬圈拉桿和內(nèi)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(jī)械強(qiáng)度，滯后損失小，在多次變形時(shí)生熱低，因此其耐屈撓性也很好，利用天然橡膠的這個(gè)性能可以有效抵消金屬間的碰撞，但因?yàn)橛胁伙柡碗p鍵，因此光、熱、臭氧、輻射、屈撓變形和銅、錳等金屬都能促進(jìn)橡膠的老化，不耐老化是天然橡膠的致命弱點(diǎn)，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(nèi)襯脫落，針對(duì)這三種類型的失效模式，我司進(jìn)行了模擬，并做了相關(guān)的耐久實(shí)驗(yàn)，觀察其失效過程。

我司在實(shí)驗(yàn)室對(duì)軟軸進(jìn)行實(shí)車模擬實(shí)驗(yàn)，分別在常溫、高溫及低溫狀態(tài)下進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)常溫狀態(tài)下，軟軸正常負(fù)載600 N的情況下10萬次球頭橡膠便有裂紋，高溫100 ℃時(shí)1萬次便失效。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，我司總結(jié)發(fā)現(xiàn)該橡膠球窩強(qiáng)度不滿足工況要求。

以下是對(duì)失效原因進(jìn)行的詳細(xì)分析：

1.1 ? ?橡膠抗撕裂強(qiáng)度不足

在球頭常溫狀態(tài)下正常工作負(fù)載循環(huán)10萬次左右后，橡膠產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致襯套與橡膠連接脫落，一共做了三個(gè)樣件，均存在同樣的現(xiàn)象，如圖3所示。

橡膠球頭所承受的力是圓周方向的力，會(huì)對(duì)橡膠部分產(chǎn)生反復(fù)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(qiáng)度性能。

1.2 ? ?橡膠耐高溫性能不足

在對(duì)該款軟軸做高溫負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)，我司發(fā)現(xiàn)，在溫度提高到100 ℃左右時(shí)，軟軸除了變速箱端橡膠球頭部分有熱熔現(xiàn)象，其他部位非金屬件完好。我司咨詢了供應(yīng)商所選橡膠的耐溫性，對(duì)方提供報(bào)告顯示其使用的橡膠工作溫度為-40～70 ℃，很明顯低于設(shè)計(jì)要求，這也與前期沒有將球頭工作環(huán)境溫度傳遞到零件圖紙技術(shù)要求中有關(guān)，沒有將實(shí)際車輛該處的溫度可達(dá)100 ℃左右的要求傳遞到圖紙中。我司從主機(jī)廠寄回的失效件中也發(fā)現(xiàn)橡膠有受熱熔化的跡象，如圖4所示。

2 ? ?設(shè)計(jì)改進(jìn)及優(yōu)化

根據(jù)以上對(duì)失效件的分析，我司分別通過橡膠材料和結(jié)構(gòu)對(duì)橡膠阻尼球窩進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

2.1 ? ?材料自身性能優(yōu)化

橡膠材料自身性能優(yōu)化如圖5所示。

2.1.1 ? ?增強(qiáng)橡膠耐溫性

由于現(xiàn)在使用的橡膠耐溫范圍為-40～70 ℃，但實(shí)際環(huán)境的溫度比該范圍要大，因此我司對(duì)橡膠的耐溫性提出新的要求，規(guī)定其耐熱范圍應(yīng)提高到-40～110 ℃。

2.1.2 ? ?增強(qiáng)橡膠抗老化性[3]

由于軟軸一直暴露于環(huán)境中，橡膠的老化是復(fù)雜的自由基反應(yīng)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(yīng)商一起研究，查詢資料，并請(qǐng)教材料工程師，建議供應(yīng)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(xué)問。針對(duì)零件使用的環(huán)境，嘗試不同的添加劑，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇最優(yōu)的一種應(yīng)用于該產(chǎn)品，從而延緩橡膠的老化。

2.1.3 ? ?增強(qiáng)橡膠抗撕裂性

撕裂強(qiáng)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(guān)系。一般隨硫化交聯(lián)密度的增加，撕裂強(qiáng)度增大，并出現(xiàn)一個(gè)極大值;然后隨交聯(lián)密度的增加，撕裂強(qiáng)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(qiáng)度增大。另外，加入軟化劑會(huì)使硫化膠的撕裂強(qiáng)度降低，尤其是石蠟油對(duì)丁苯橡膠硫化膠的撕裂強(qiáng)度極為不利，而芳?xì)溆蛣t可以保證丁苯橡膠硫化膠的撕裂強(qiáng)度。我司與供應(yīng)商一起討論，反復(fù)驗(yàn)證試樣，將撕裂強(qiáng)度參數(shù)化。

2.2 ? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在材料改進(jìn)后，還需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從圖6所示改進(jìn)前結(jié)構(gòu)可以看出，橡膠部分結(jié)構(gòu)用料單薄，在經(jīng)過循環(huán)負(fù)載實(shí)驗(yàn)后，橡膠與內(nèi)襯之間即產(chǎn)生裂紋。橡膠球窩內(nèi)襯的抗拉斷力和橡膠與內(nèi)襯的接觸面積呈正比關(guān)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(jìn)了球窩外金屬圈的結(jié)構(gòu)，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(nèi)襯和外金屬圈與橡膠的接觸面積，同時(shí)我司調(diào)整內(nèi)襯中心位置，讓球窩受力后，球頭拉桿軸心與內(nèi)襯軸心基本重合，減少球頭受力后偏心現(xiàn)象，使其受力均勻。

橡膠球窩的抗拉斷力與接觸面積的關(guān)系[5]：

抗拉斷力=抗張強(qiáng)度×截面積

相同橡膠材料即抗張強(qiáng)度下，截面積越大，抗拉斷力越大。

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

3 ? ?改進(jìn)后驗(yàn)證

我司與主機(jī)廠技術(shù)中心對(duì)實(shí)車的工作環(huán)境和負(fù)載力進(jìn)行了實(shí)際測量，將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總，和對(duì)方確定實(shí)驗(yàn)條件，在我司實(shí)驗(yàn)室對(duì)變速操縱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際模擬，將該改進(jìn)后的球窩制作成軟軸總成樣件，安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。經(jīng)過改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，改進(jìn)后的總成可靠性得到了很大的提升。圖8是改進(jìn)前后的軟軸性能對(duì)比。

4 ? ?結(jié)論

本文介紹了軟軸失效的設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(gè)根本原因著手做改進(jìn)和優(yōu)化，最終得到了很好的結(jié)果。以下是對(duì)本次設(shè)計(jì)改進(jìn)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

（1）每個(gè)產(chǎn)品開發(fā)前期，必須充分了解客戶的需求，并做詳細(xì)的可行性評(píng)估和驗(yàn)證;

（2）對(duì)客戶端工況做詳細(xì)調(diào)查，并實(shí)地查看系統(tǒng)布置及各種工況參數(shù);

（3）設(shè)計(jì)需嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計(jì)圖紙需將關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)標(biāo)注清晰，與零件供應(yīng)商做深入有效的溝通。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 車志平.卡車軟軸式變速操縱性能影響因素分析及改進(jìn)措施[C]//2014中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)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(tǒng)及其設(shè)計(jì)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，35（4）：103-104.

[3] 項(xiàng)璞玉，吳友平.硫化體系對(duì)天然橡膠性能的影響[J].橡膠工業(yè)，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(yè)，2015，42（7）：20-28.

[5] 硬質(zhì)橡膠 拉伸強(qiáng)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(tǒng)開發(fā)。