劉　軍銀川能源學院機械與汽車工程學院，寧夏銀川　750105

重型車驅(qū)動橋齒輪油早期乳化的分析與排除

劉軍
銀川能源學院機械與汽車工程學院，寧夏銀川750105

重載下山的重型車，途中在冷卻站每趟至少對制動器澆水急速冷卻一次。發(fā)現(xiàn)僅在一個二級維護里程一半左右時，橋的齒輪油已有乳化現(xiàn)象產(chǎn)生。本文對其特有現(xiàn)象進行原因分析，提出了可以臨時解決此類現(xiàn)象的方法和通過設計、制造改進而杜絕此類“故障”產(chǎn)生的措施。

制動；摩擦；密封；乳化；措施改進

我國大多數(shù)商用車公司和驅(qū)動橋?qū)I(yè)廠，參考學習日本歐盟制橋技術(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、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煤的用戶，逐漸發(fā)現(xiàn)不到齒輪油換油期而驅(qū)動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，先在全國范圍進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當時也只有我提到的地區(qū)和其他一個省在山區(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”具有一個特殊的使用條件和用戶群。因此我分步進行這種故障現(xiàn)象的剖析和故障診斷，并針對原因提出解決手段與改進措施。

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

1）為二級山區(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轉(zhuǎn)煤，載重15～30t左右。

2）煤場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輪胎與制動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，頓時整個車籠罩在“呲呲作響”的霧氣騰騰中。

現(xiàn)場冷卻的目的：如果再繼續(xù)行駛，制動器升溫與其散熱能力已不能平衡，高溫的制動摩擦副其制動效能嚴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，發(fā)動機有效功率為零，變速箱處于L檔位，輔助制動是利用發(fā)動機制動與排氣制動，主制動是腳剎氣壓制動鼓式，制動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)擴張成形焊接半軸套管式。驅(qū)動橋減速結(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。輪轂是依靠兩盤圓錐軸承支撐和安裝在驅(qū)動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并靠的骨架式油封，防止輪轂潤滑脂液化外漏到制動鼓與摩擦片的摩擦副之間和防止外界的污物滲進輪轂軸承腔。

4）我們對汽車下山受力進行分析，從而剖析車載質(zhì)量、車速控制、制動器升溫、坡度對行駛安全的影響，進一步領(lǐng)會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)動橋齒輪油早期乳化現(xiàn)象的發(fā)生。設：G-車質(zhì)量；Fx-車重在行駛方向的分力；Tf-整車制動器的制動力（不制動時不存在）；Ff-剎車時路面對輪胎（整車）的反作用阻止力即≤靜摩擦力（不制動時不存在）；θ-坡度角；Va-車速及行駛方向；g-重力加速度；t-時間；f-制動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）汽車下坡沒有制動阻力的話，車速是個加速度過程（慣性力=Fx），且正比于坡度角和無制動的間隔時間；（2）汽車下坡的被動驅(qū)動力Fx來源汽車所受的重力分力，正比于車重和坡度角；（3）汽車制動器的制動力Tf要大于等于車輪與地面的靜摩擦力Ff。Ff平衡于Fx。制動力Tf正比于f，當溫度超出臨界溫度后，摩擦系數(shù)將嚴重下降。由能量守恒定律，汽車下山制動器的機械摩擦能轉(zhuǎn)化成熱能。那么汽車下山為了安全，首先是控制車速，制動一次，車速減慢且減慢幅度與每次制動時間有關(guān)，然后又加速，高于目標速度又制動減速，這樣不斷克服的慣性就不斷變成制動熱能的不斷疊加。在散熱能力小于加熱能力后，制動器與車輪溫度的上升明顯加快。

制動時摩擦系數(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0.7左右， 通過試驗，制動摩擦片材料溫度≤250℃時，冶金材料的f仍能維持在0.3～0.4左右。溫度＞300℃，f就會極不穩(wěn)定了。而下山的重載車，行駛到距山下一半的距離左右時溫度往往超過250℃，常在300℃左右，有時瞬時溫度可達500℃～600℃；另外制動器摩擦副溫度大約200℃時輪轂軸承溫度大約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力，胎體彈性下降，加之不斷制動的慣性力等滾動動載荷作用，使輪胎“多邊形效應”現(xiàn)象不同程度的發(fā)生（即彈性恢復能力的可能喪失），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℃。若輪胎強度層溫度超過橡膠硫化點（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入了制動鼓及摩擦副表面，迅疾產(chǎn)生大量的蒸汽并聚集在制動鼓這么不大的容積內(nèi)而產(chǎn)生具備一定“沖破力”的熱動能。）

另外，我們根據(jù)驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)分析，當重載的車停在冷卻站時，重量和地面對輪轂的法向反作用力，使輪轂軸承下端一側(cè)無間隙，而整個運動間隙全累積在上端一側(cè)，不動的內(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產(chǎn)生有一定溫度和動能的蒸汽從這里進去創(chuàng)造了“有利條件”。（這是后話，事實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個用戶代表，跟蹤運輸全過程。從更換新油后，就隔三差五的檢查油色。（2）同時我們在驅(qū)動橋本身上找可能意外進水的地方，比如橋殼有貫通的螺紋口，涂上密封膠去試驗、把橋殼上的平衡透氣孔變成有單向閥式的或者暫時堵死、把圓形的內(nèi)側(cè)裝的制動底板裝上還是一半裝、把制動鼓的檢視孔檔上等，仍然不行，我們這時基本確定，“進水”通道在油封這個位置點上。（3）我們挑選制造精度高的油封和油封座圈并仔細裝配等，效果基本沒有。（4）我們與臺灣油封專業(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，同時仔細研究零部件結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)制動鼓內(nèi)進水的“地道”大大存在，即制動鼓與制動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個溝槽并在內(nèi)圓側(cè)與制動鼓內(nèi)相通。溝槽的形成是制動鼓連接圓平面在鑄造和加工時都是平面，而輪轂連接圓平面在設計鑄造時就不是整圓而是有10個螺栓孔凸臺，裝合后形成“10個地道”。因此我們用石棉板剪成溝槽形狀進行填密“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已不再變色。（6）針對試驗得出的排除“乳化現(xiàn)象故障”的手段，我們重新改變輪轂圖紙，加工出無凸臺輪轂進行更換，故障排除。

2　原因分析和設計、制造工藝改進

綜上所述，驅(qū)動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入制動鼓內(nèi)部并汽化，迅疾產(chǎn)生大量的蒸汽并聚集在制動鼓這么不大的容積內(nèi)而形成有一定的“沖破力”的熱動能生成，它突破仍然處在熱漲下制動器的內(nèi)外側(cè)油封的中上部“縫隙”進入到內(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。如果臨時和不怕麻煩，采取我上面應用的手段即可。永久解決就是更換上是技改后的制動輪轂。

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

［2］QC/T556-1999汽車制動器溫度測量和熱電偶安裝［S］.

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

［4］紀王芳.載重汽車行車制動器制動性能的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學.

U46

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1674-6708（2015）152-0073-02