客車底盤少/免維護(hù)技術(shù)分析

陳志龍,王樂冰,常 穎,余 勇,王永明

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司,江蘇 蘇州 215026)

客車作為批量人員運(yùn)載工具,其維護(hù)保養(yǎng)比較嚴(yán)格,維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用最高可以占到TCO[1]的70%以上,這給客運(yùn)企業(yè)造成較大的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)?？蛙嚨妆P部件的少維護(hù)或者免維護(hù)技術(shù)可以降低潤(rùn)滑介質(zhì)更換頻次,從而減少車輛停運(yùn)損失,能夠顯著降低客戶的使用成本?？蛙嚨妆P少/免維護(hù)主要包括驅(qū)動(dòng)橋主減速器、轉(zhuǎn)向橋主銷及橫直拉桿、懸架、車橋輪端、傳動(dòng)軸等部件,其中,驅(qū)動(dòng)橋主減速器的少維護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)客車上應(yīng)用最遲。

1 驅(qū)動(dòng)橋主減速器少維護(hù)技術(shù)

目前,該技術(shù)包括3個(gè)方面：使用長(zhǎng)效齒輪油、提升車橋清潔度、增加集屑裝置。

1.1 長(zhǎng)效齒輪油的使用

目前客車行業(yè)通常使用的主減齒輪油為符合GB 13895—2018[2]的85W/90 API GL-5齒輪油,齒輪油型號(hào)可以根據(jù)使用環(huán)境溫度的高低進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。該標(biāo)準(zhǔn)要求的性能參數(shù)雖然較1992版本有了較大程度的提高,但相較于美國(guó)SAE J2360—2019標(biāo)準(zhǔn)還有一定的差距[3],主要見表1[4]。

表1 SAE J2360—2019與GB 13895—2018的主要差別

齒輪油性能參數(shù)中的抗氧化安定性直接影響齒輪油的使用壽命,而橡膠相容性直接影響車橋密封功能,從而影響車橋可靠性。從表1中可以看出,美國(guó)SAE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒輪油的這兩方面都提出了明確要求;SAE標(biāo)準(zhǔn)要求的道路試驗(yàn)驗(yàn)證里程甚至達(dá)到了客車全生命周期幾乎一半的使用里程,對(duì)客車主減速器的少維護(hù)提供了有力支撐。因此,首先應(yīng)選擇符合更高標(biāo)準(zhǔn)的齒輪油作為少維護(hù)車橋可靠性的重要保障。

1.2 提升車橋清潔程度

現(xiàn)行頻繁維護(hù)保養(yǎng)的主要目的是通過更換齒輪油來(lái)清除客車驅(qū)動(dòng)橋中的鐵屑等雜質(zhì)。如果不及時(shí)維護(hù)保養(yǎng),這些雜質(zhì)將跟隨潤(rùn)滑油一起進(jìn)入齒輪、軸承、螺栓等運(yùn)動(dòng)副內(nèi),在運(yùn)動(dòng)副運(yùn)轉(zhuǎn)中劃傷配合表面,進(jìn)而發(fā)生點(diǎn)蝕、膠合、磨損、卡滯等故障;同時(shí)雜質(zhì)也容易堵塞潤(rùn)滑油道導(dǎo)致潤(rùn)滑不良,縮短主減速器使用壽命[5]。因此少維護(hù)技術(shù)另一個(gè)主攻方向是提升車橋清潔度,即控制車橋內(nèi)表面的異物(毛刺、顆粒物等)[6]。清潔度的提高有助于提升運(yùn)動(dòng)副、齒輪油及密封裝置的使用壽命。國(guó)內(nèi)某知名車橋廠,采用清洗機(jī)、專業(yè)清洗劑、防銹劑、真空壓力罐及噴槍設(shè)備、超聲波清洗、烘烤設(shè)備、稱重天平等設(shè)備和工藝,對(duì)清潔度進(jìn)行檢驗(yàn)全流程管控,橋殼清洗時(shí)關(guān)鍵清潔位置98處(如圖1所示),整橋(包括橋殼、主減、半軸等)關(guān)鍵清潔位置控制超420處,使車橋的清潔度較常規(guī)產(chǎn)品提高一倍,整橋的維護(hù)間隔里程提升50 000 km。

圖1 橋殼清潔度管控關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

提升車橋清潔度的另一個(gè)有效方法是阻止外部雜質(zhì)進(jìn)入。車橋與外部環(huán)境交互的主要通道是通氣塞,在車橋停止工作時(shí)主減速器內(nèi)油溫從100 ℃以上[7]逐漸冷卻至常溫,導(dǎo)致此時(shí)車橋內(nèi)壓力低于大氣壓,空氣中的灰塵等雜質(zhì)[8]在車橋內(nèi)外壓力差的作用下,隨同空氣通過通氣閥被吸入車橋主減腔體內(nèi),造成齒輪油污染,從而導(dǎo)致齒輪油壽命縮短。少維護(hù)主減速器的通氣塞區(qū)別于傳統(tǒng)通氣塞的敞開式彎曲回路的通氣管結(jié)構(gòu)(如圖2(a)所示),通常采用常閉式通氣塞(如圖2(b)所示)。常閉式通氣塞內(nèi)含限壓閥及濾網(wǎng),只有在橋殼內(nèi)外氣壓差值達(dá)到閾值后限壓閥才會(huì)打開。在車橋生命周期內(nèi),常閉式通氣塞限壓閥打開時(shí)間不足傳統(tǒng)敞開式彎曲通氣管結(jié)構(gòu)的1%,有效地阻擋了外部環(huán)境中的雜質(zhì)進(jìn)入車橋內(nèi)部。

(a) 敞開式彎曲回路的通氣管

1.3 增加集屑裝置

驅(qū)動(dòng)橋主減內(nèi)部運(yùn)動(dòng)副的相互摩擦,不可避免地會(huì)產(chǎn)生少量鐵屑。部分廠家在增加油濾的基礎(chǔ)上巧妙地將放油螺栓材料更改為強(qiáng)力磁鐵,或在橋殼底部增加強(qiáng)力磁鐵,流經(jīng)附近的齒輪油中的鐵屑被磁力吸附在放油螺栓或磁鐵上,從而將齒輪油中的鐵屑分離出來(lái),以便保養(yǎng)時(shí)將其清除掉,有效地提高了齒輪油的清潔度,提升主減速器的維護(hù)間隔里程。

2 轉(zhuǎn)向橋主銷及橫直拉桿免維護(hù)技術(shù)

轉(zhuǎn)向橋的主要維護(hù)保養(yǎng)點(diǎn)是主銷和橫直拉桿球頭的潤(rùn)滑油脂添加和磨損更換,免維護(hù)技術(shù)也是在這2個(gè)部件上應(yīng)用。

2.1 主銷免維護(hù)技術(shù)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向橋主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)連接采用上下襯套加止推軸承結(jié)構(gòu),免維護(hù)主銷采用上滾針軸承下組合軸承結(jié)構(gòu),如圖3所示。滾針軸承尤其是組合軸承相對(duì)襯套和止推軸承,密封性能大幅提升,不僅能有效防止?jié)櫥軘D壓外溢,而且能有效防止異物侵入,可以在軸承內(nèi)一次性添加長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑脂,做到客車生命周期內(nèi)無(wú)需再次維護(hù)保養(yǎng)。組合軸承的使用在提高轉(zhuǎn)向橋主銷壽命、節(jié)約裝配成本等方面還有很多其他優(yōu)勢(shì)。

圖3 免維護(hù)主銷結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.2 橫直拉桿免維護(hù)技術(shù)

橫直拉桿的免維護(hù)主要在于拉桿球頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、材料更新和制造工藝提升。免維護(hù)球頭將傳統(tǒng)分離式鋼制球銷座改進(jìn)為橡膠球座,球銷和球殼的配合表面進(jìn)行感應(yīng)淬火硬化處理,以保證使用性能。聚氨酯內(nèi)護(hù)套和氯丁膠防塵罩構(gòu)成的雙層密封結(jié)構(gòu),能有效確保預(yù)先注入的長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑脂持久潤(rùn)滑效果,實(shí)現(xiàn)球頭的終生免維護(hù)。同時(shí)橡膠球座具有靜音性、輕便性等優(yōu)勢(shì),駕駛舒適性得到明顯提升。

3 懸架系統(tǒng)免維護(hù)技術(shù)

國(guó)內(nèi)客車懸架系統(tǒng)最常見的結(jié)構(gòu)有空氣彈簧懸架和板簧懸架,空氣彈簧懸架結(jié)構(gòu)無(wú)需潤(rùn)滑保養(yǎng),板簧懸架板簧銷與板簧卷耳襯套摩擦副(如圖4(a))需要定期補(bǔ)充潤(rùn)滑脂。板簧銷與襯套在懸架跳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如果潤(rùn)滑不到位,板簧銷、卷耳襯套間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損,并伴隨刺耳的摩擦噪聲。免維護(hù)的板簧懸架技術(shù)通過采用復(fù)合襯套結(jié)構(gòu)(如圖4(b)所示),將板簧銷與襯套間外部摩擦轉(zhuǎn)為復(fù)合襯套的橡膠內(nèi)部摩擦從而消除噪聲[9]。由于內(nèi)外襯套與板簧銷、板簧主片卷耳之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),也就沒有了摩擦副,從而無(wú)需添加潤(rùn)滑脂,在提高車輛平順性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了板簧懸架系統(tǒng)的終生免維護(hù)。

(a) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 車橋輪端及傳動(dòng)軸少維護(hù)技術(shù)

4.1 車橋輪端少維護(hù)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)車橋輪端采用脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu),由于輪端的獨(dú)立零件較多(如圖5(a)所示),且各個(gè)零件來(lái)自不同的生產(chǎn)商,零件精度及車橋廠的裝配工藝各異,導(dǎo)致在使用過程中需要頻繁拆卸維護(hù),且安裝調(diào)整要求較高。輪端免維護(hù)技術(shù)打破傳統(tǒng),將內(nèi)外軸承、輪轂、密封圈以及潤(rùn)滑介質(zhì),按軸承預(yù)緊力和密封要求,提前裝配成輪端系統(tǒng),車橋生產(chǎn)和維修時(shí)對(duì)輪端系統(tǒng)整體進(jìn)行安裝或拆卸(如圖5(b)所示),既提高了拆裝效率,又避免了要求較高的調(diào)整程序[10]。

(a) 傳統(tǒng)輪端

由于整體式輪端潤(rùn)滑環(huán)境相對(duì)獨(dú)立、密封良好,不受車橋影響,且軸承和潤(rùn)滑介質(zhì)采用長(zhǎng)壽命材料,輪端維護(hù)里程得以大幅提高,甚至可以做到客車全生命周期內(nèi)免維護(hù)。目前較流行的整體式免維護(hù)輪端主要有油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑兩種,都有各自的優(yōu)點(diǎn)。油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)能夠疏散熱量和細(xì)小的微粒,從而延長(zhǎng)關(guān)鍵部件的使用壽命,同時(shí)便于日常的目視檢查,可盡早發(fā)現(xiàn)零部件潛在致命性的故障;脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)相比油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕,摩擦阻力更小,整車經(jīng)濟(jì)性更好。

4.2 傳動(dòng)軸免維護(hù)技術(shù)

客車多采用十字軸萬(wàn)向節(jié)可伸縮式普通型傳動(dòng)軸,萬(wàn)向節(jié)、花鍵副每10天左右需進(jìn)行一次保養(yǎng)維護(hù)[11]。為解決頻繁保養(yǎng)造成的停運(yùn)損失,傳動(dòng)軸通過采用提高十字軸配合精度、加強(qiáng)外部密封結(jié)構(gòu)、內(nèi)置儲(chǔ)油坑設(shè)計(jì)以及花鍵尼龍涂覆等免維護(hù)技術(shù),使之在全生命周期內(nèi)無(wú)需添加潤(rùn)滑脂,從而實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)軸整體終生免維護(hù),同時(shí)還提升了傳動(dòng)軸整體使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上幾種少維護(hù)或免維護(hù)技術(shù)發(fā)展情況,兼顧客戶的首次購(gòu)車成本,客車底盤可以通過技術(shù)組合形成10萬(wàn)km、30萬(wàn)km、60萬(wàn)km 3種維護(hù)間隔里程的少維護(hù)或免維護(hù)配置包。經(jīng)過10.5 m純電板簧城市客車車型試裝和可靠性試驗(yàn)結(jié)果,配置包在經(jīng)濟(jì)性、可靠性和先進(jìn)性等方面,相較傳統(tǒng)客車都有較大的優(yōu)勢(shì)。尤其是純電動(dòng)車輛沒有發(fā)動(dòng)機(jī)等傳統(tǒng)總成的維護(hù)需求,應(yīng)用少維護(hù)或免維護(hù)技術(shù)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更加顯著,客車全生命周期內(nèi)普遍可以降低相關(guān)維護(hù)費(fèi)用50%以上,少維護(hù)技術(shù)必將隨著新能源車輛的推廣而逐步普及。