商用車動力系統(tǒng)超轉(zhuǎn)矩匹配設計研究及應用推廣

徐世福，李鋒，梁帥，李旭

（1.陜西保利特種車制造有限公司，西安 710200；2.陜汽集團商用車有限公司，陜西寶雞 722405）

0 引言

隨著商用汽車的發(fā)展，自卸車在復雜路況使用過程中，出現(xiàn)后橋主減速器齒輪斷裂、齒輪出現(xiàn)早磨、點蝕、打齒等造成自卸車性能不穩(wěn)定，車輛故障頻繁問題影響正常運營，導致客戶流失，市場占有率不斷減少，進而影響到產(chǎn)品品牌和公司的信譽。

1 傳動系統(tǒng)組成及現(xiàn)狀分析

1.1 汽車傳動組成及原理

汽車傳動系統(tǒng)由發(fā)動機、離合器、變速器、傳動軸、減速器、差速器、半軸等組成。

汽車傳動原理：汽車動力系統(tǒng)是發(fā)動機輸出的動力傳遞給離合器，經(jīng)過變速器通過傳動軸把動力傳遞到主減速器上，再通過差速器和半軸把動力傳遞到驅(qū)動輪。

1.2 某發(fā)動機的技術參數(shù)

某發(fā)動機額定功率為220 kW，額定轉(zhuǎn)速為2100 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為1250 N·m，經(jīng)濟轉(zhuǎn)速為1200～1600 r/min，6個氣缸,排量為7.47 L。

圖1 機械動力系統(tǒng)示意圖

轉(zhuǎn)矩隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關系

功率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速-功率關系

1.3 某變速器基本參數(shù)

某變速器最大輸入轉(zhuǎn)矩為1200 N·m，最大輸入轉(zhuǎn)速為2600 r/min，一擋速比為12.74,10擋速比為0.73。

1.4 離合器分離機構(gòu)尺寸要素

某1#離合器殼長度為193 mm，花鍵尺寸為10-6.85×φ44×φ35.8 mm，軸端尺寸為φ25×31 mm。

1.5 驅(qū)動后橋總成基本參數(shù)

額定軸荷為10 000 kg ，最大輸出轉(zhuǎn)矩為30 000 N·m，輸入突緣聯(lián)接孔尺寸為φ150 mm×70°，法蘭厚度為14 mm，半軸尺寸為φ55×975 mm。

1.6 某發(fā)動機的技術參數(shù)

某發(fā)動機額定功率為162 kW，額定轉(zhuǎn)速為2300 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為850 N·m，經(jīng)濟轉(zhuǎn)速為1200～1600 r/min，排量為6.75 L。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率之間的關系如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩-功率關系

1.7 變速器基本參數(shù)

某變速器最大輸入轉(zhuǎn)矩為700 N·m，最大輸入轉(zhuǎn)速為2600 r/min，一擋速比為12.09,10擋速比為0.78。

1.8 離合器分離機構(gòu)尺寸要素

某2#離合器殼長度為127 mm，花鍵規(guī)格為10 齒,外徑為φ44.32 ,最小直徑為φ35.86 mm ,齒寬為6.83 mm，一軸前端軸徑為φ25 mm，長為25 mm。

1.9 驅(qū)動后橋總成基本參數(shù)

額定軸荷為10 000 kg ，最大輸出轉(zhuǎn)矩為30 000 N·m，輸入突緣聯(lián)接孔尺寸為φ150 mm×70°，法蘭厚度為14 mm，半軸尺寸為φ55×975 mm。

2 理論計算分析

2.1 發(fā)動機理論計算分析

發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩按如下公式計算：

2.2 離合器理論計算分析

離合器傳遞的最大轉(zhuǎn)矩計算公式為

式中，β為離合器的動后備系數(shù)，重型汽車離合器的動后備系數(shù)β取1.25～2.25。

2.3 變速器理論計算分析

變速器的額定輸入轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機的最大輸出轉(zhuǎn)矩應基本相當。

變速器的選擇主要是變速器的最大（?。﹤鲃颖鹊倪x擇。

1）最大傳動比的選擇要考慮最大爬坡度、附著力、最低穩(wěn)定車速這三方面的設計。

a.從最大爬坡度考慮：

2.4 傳動軸理論計算分析

1）傳動比的選擇可以根據(jù)最高車速及其功率平衡來確定整車傳動系最大（?。﹤鲃颖?。

傳動系的最大（小）傳動比=變速器的最大（小）速比×驅(qū)動橋的主減速比×副變速器（或分動器）最大（?。┧俦取?/p>

3）傳動軸轉(zhuǎn)矩的選用。選用不同屈服轉(zhuǎn)矩的傳動軸，計算公式為

式中：T為傳動軸計算轉(zhuǎn)矩，N·m；Temax為發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；ig1、ip1為變速器的一擋傳動比和分動器的低擋傳動比；dk為動載系數(shù)，取1.5；MS為傳動軸屈服轉(zhuǎn)矩，N·m。

2.5 驅(qū)動橋理論計算分析

驅(qū)動橋速比的選擇也很重要，它直接影響汽車的爬坡度、整車最高車速。故可以根據(jù)汽車的爬坡度、整車最高車速來選擇。

從汽車最高車速考慮：

3 分析階段

3.1 樣品現(xiàn)狀分析（如圖5）

圖5 樣件分析

3.2 材質(zhì)元素分析（如表1）

表1 材料元素化學成分分析%

結(jié)論：材料化學成分符合標準要求。

3.3 金相組織、層深、硬度（如表2）

表2 材料金相組織、硬度及硬化層深度分析

結(jié)論：金相組織、層深、硬度符合標準要求。

3.4 超扭分析

3.4.1 整車超扭比

根據(jù)系統(tǒng)整體設計方案，監(jiān)控系統(tǒng)硬件體系主要包括前置服務器、實時服務器、歷史服務器、磁盤陣列、調(diào)度工作站、維護工作站等設備。下面對硬件體系的各個組成部分進行介紹：

整車輸出轉(zhuǎn)矩計算公式：T=Temaxigi0k1k2。

結(jié)論：整車動力系統(tǒng)匹配1～6設計方案，整車超扭百分比為1.25～1.43之間，整車超扭過大，僅適用平坦路，嚴禁超載和在礦區(qū)使用。

圖6 整車動力系統(tǒng)匹配分析

3.4.2 變速器超扭比

結(jié)論：變速器系統(tǒng)匹配2、4設計方案，變速器超扭百分比為1.06、1.09，變速器超扭過小，僅適用于不超載的平坦公路，嚴禁超載和在礦區(qū)使用；變速器系統(tǒng)匹配1、3、5設計方案，變速器超扭百分比分別為1.14、1.14、1.13，變速器超扭較小，僅適用于平坦公路，嚴禁超載和在礦區(qū)使用。

圖7 變速器系統(tǒng)匹配分析

圖8 傳動軸系統(tǒng)匹配分析

3.4.3 傳動軸超扭比

結(jié)論：傳動軸系統(tǒng)匹配1、5設計方案，傳動軸超扭百分比分別為1.02、0.82，傳動軸超扭過小，僅適用不超載的平坦公路，嚴禁超載或在復雜路況和礦區(qū)使用；傳動軸系統(tǒng)匹配2、3、4設計方案，傳動軸超扭百分比分別為1.07、1.11、1.09，傳動軸超扭較小，適用于平坦公路及比較平坦的復雜路況，嚴禁過度超載和在復雜礦區(qū)使用。

結(jié)論：根據(jù)樣件實際分析可知，主要問題是整車設計中動力系統(tǒng)匹配不合適導致主減速器損壞嚴重，動力匹配設計中驅(qū)動橋的轉(zhuǎn)矩太小，變速器一擋速比過大，傳動軸轉(zhuǎn)矩過大，驅(qū)動橋的速比太大才會導致過載或者重車起步的時候出現(xiàn)主減速器齒輪斷裂、早磨、點蝕的問題，主被動齒輪脫皮、點蝕造成脫齒打齒，嚴重影響車輛使用安全的問題。經(jīng)分析可知，整車超扭過大、傳動軸轉(zhuǎn)矩過大、驅(qū)動橋的速比太大，僅適用于平坦路，嚴禁超載和在礦區(qū)使用；整車動力系統(tǒng)后橋最弱，傳動軸次之，最后為變速器。

4 設計階段

4.1 重型商用車設計

通過理論設計計算，利用數(shù)據(jù)表分析多種方案的合理性、可行性、準確性。

4.1.1 重型商用車整車超扭比（如表3和圖9）

表3 重型商用車整車設計

結(jié)論：整車動力系統(tǒng)匹配1～9個設計方案，整車超扭百分比在0.98～1.20之間，整車超扭小，適用于平坦道路及復雜的符合路況，滿足各種不同的工況及區(qū)域，適應性非常強。

4.1.2 重型商用車變速器超扭比（如表4和圖10）

表4 重型商用車變速器設計

圖10 變速器匹配設計

4.1.3 重型商用車傳動軸超扭比（如表5和圖11）

圖11 傳動軸匹配設計

通過以上數(shù)據(jù)分析可知：整車少量超扭，適用任何路況，推薦在礦區(qū)和道路條件差的區(qū)域使用，安全范圍內(nèi)可以適度超載使用；整車動力系統(tǒng)后橋最弱，變速器次之；此車綜合性能好，整車傳動系統(tǒng)損壞主要取決于各個總成的壽命。

4.2 動力系統(tǒng)超扭計算推薦

變速器、離合器、傳動軸、驅(qū)動橋匹配安全系數(shù)原則推薦如表6所示。

表6 傳動匹配安全系數(shù)推薦

5 結(jié)論

本文主要介紹了一種整車動力傳動系統(tǒng)超扭設計方法對主減速器齒輪斷裂、齒輪出現(xiàn)早磨等造成自卸車性能不穩(wěn)定的原因，主要從傳動系統(tǒng)原理及組成、理論分析、原因分析、設計階段、驗證階段對調(diào)研情況進行全面分析，以問題為導向匹配設計傳動系統(tǒng)，提出解決主減速器齒輪斷裂、齒輪出現(xiàn)早磨等造成自卸車性能不穩(wěn)定的辦法，從根本上解決商用車傳動系統(tǒng)匹配設計問題，提高動力總成的使用壽命，提高商用車的安全性，提供一種綜合有效的設計方法理論體系，利用超扭計算的方法對此問題進行充分的分析及詳細參數(shù)設計，從而達到徹底解決此問題，為后期相關問題的處理提供一種良好的解決方法。