重型车驱动桥齿轮油早期乳化的分析与排除

刘　军银川能源学院机械与汽车工程学院，宁夏银川　750105

重型车驱动桥齿轮油早期乳化的分析与排除

刘军
银川能源学院机械与汽车工程学院，宁夏银川750105

重载下山的重型车，途中在冷却站每趟至少对制动器浇水急速冷却一次。发现仅在一个二级维护里程一半左右时，桥的齿轮油已有乳化现象产生。本文对其特有现象进行原因分析，提出了可以临时解决此类现象的方法和通过设计、制造改进而杜绝此类“故障”产生的措施。

制动；摩擦；密封；乳化；措施改进

我国大多数商用车公司和驱动桥专业厂，参考学习日本欧盟制桥技术、使我国的中重型车的车桥研发制造技术和质量得到大大的提升。并且通过不同吨位平台、单双桥选择与组合而满足了不同用户群的需求，深受大江南北使用者的欢迎和信赖。

但是，在宁夏沟口和内蒙古拉本的贺兰山运煤的用户，逐渐发现不到齿轮油换油期而驱动桥的油面升高和出现不同程度的白色乳化现象。

通过与整车厂组成“故障”排除组，先在全国范围进行调查，发现当时也只有我提到的地区和其他一个省在山区使用的有这么特殊情况存在。因此结论是这种“故障现象”具有一个特殊的使用条件和用户群。因此我分步进行这种故障现象的剖析和故障诊断，并针对原因提出解决手段与改进措施。

1　道路地域环境 汽车下山的技术状况 轮胎与制动鼓高温形成的机理 冷却过程介绍和故障诊断的方式方法

1）为二级山区多弯道道路，只有在矿口到上公路处是1～3km的自建路。车辆使用目的是向山下煤场转煤，载重15～30t左右。

2）煤场与山上高处的公路海拔高度差大约有1 200m左右，单程＜50km。每趟至少一次在冷却站对轮胎与制动器浇水急速冷却一次。冷却过程是冷却员把有一定水压、胶管内径大约30～50mm的冷水管插在整车钢圈上，顿时整个车笼罩在“呲呲作响”的雾气腾腾中。

现场冷却的目的：如果再继续行驶，制动器升温与其散热能力已不能平衡，高温的制动摩擦副其制动效能严重衰减使车速不能有效掌控、车轮极大可能爆胎或引起自燃，后果可以想象的恶劣。

3）车型基本是自卸车，轮胎气压普遍有“超载”。下山时，发动机有效功率为零，变速箱处于L档位，辅助制动是利用发动机制动与排气制动，主制动是脚刹气压制动鼓式，制动器的摩擦副直径大约在Φ400mm，宽度200mm，车速控制在40km/h之内。

驱动桥壳结构形式有：铸造镶半轴套管式、钢板组焊焊接半轴套管式以及内扩张成形焊接半轴套管式。驱动桥减速结构类型有普通中央减速器形式的，有中央减速器加轮边行星轮减速器形式的。轮毂是依靠两盘圆锥轴承支撑和安装在驱动桥左右两端的半轴套管外圆柱上，轮毂轮辐部位通过10条轮胎螺栓安装有制动鼓和车轮。半轴都是全浮式，半轴法兰面加密封圆垫与轮毂外侧端面密封连接，外侧端半轴与半轴套管内孔之间有个骨架式油封防止齿轮油漏入轮毂轴承腔；而轮毂内侧（刹车底板侧）与半轴套管外圆密封是有两个并靠的骨架式油封，防止轮毂润滑脂液化外漏到制动鼓与摩擦片的摩擦副之间和防止外界的污物渗进轮毂轴承腔。

4）我们对汽车下山受力进行分析，从而剖析车载质量、车速控制、制动器升温、坡度对行驶安全的影响，进一步领会必须保持热平衡的道理。而就是这么比较合理的做法，引起驱动桥齿轮油早期乳化现象的发生。设：G-车质量；Fx-车重在行驶方向的分力；Tf-整车制动器的制动力（不制动时不存在）；Ff-刹车时路面对轮胎（整车）的反作用阻止力即≤静摩擦力（不制动时不存在）；θ-坡度角；Va-车速及行驶方向；g-重力加速度；t-时间；f-制动器摩擦副的摩擦系数（与温度参数有关）；f′-轮胎与地面的摩擦系数。

由此，我们知道：（1）汽车下坡没有制动阻力的话，车速是个加速度过程（惯性力=Fx），且正比于坡度角和无制动的间隔时间；（2）汽车下坡的被动驱动力Fx来源汽车所受的重力分力，正比于车重和坡度角；（3）汽车制动器的制动力Tf要大于等于车轮与地面的静摩擦力Ff。Ff平衡于Fx。制动力Tf正比于f，当温度超出临界温度后，摩擦系数将严重下降。由能量守恒定律，汽车下山制动器的机械摩擦能转化成热能。那么汽车下山为了安全，首先是控制车速，制动一次，车速减慢且减慢幅度与每次制动时间有关，然后又加速，高于目标速度又制动减速，这样不断克服的惯性就不断变成制动热能的不断叠加。在散热能力小于加热能力后，制动器与车轮温度的上升明显加快。

制动时摩擦系数和温度变化分析。早期摩擦片使用石棉模压材料为主，然后使用长纤维石棉与添加铜丝或锌丝编织滚压材料为主（现也有在继续使用的），它们的高温使用效能较差。目前主要使用的是冶金摩擦材料，主要以铜粉或铁粉等为主要成分，加上石墨陶瓷材料，摩擦系数f为0.3～0.5左右，好的状况下f可达0.7左右， 通过试验，制动摩擦片材料温度≤250℃时，冶金材料的f仍能维持在0.3～0.4左右。温度＞300℃，f就会极不稳定了。而下山的重载车，行驶到距山下一半的距离左右时温度往往超过250℃，常在300℃左右，有时瞬时温度可达500℃～600℃；另外制动器摩擦副温度大约200℃时轮毂轴承温度大约120℃左右，锂基脂液化温度大约为130℃～150℃。它们使用的轮胎有尼龙普通斜交胎，大部分使用是钢丝胎。轮胎气压高，承载的装载能力提高，但轮胎帘线（布）层受到过度的伸张拉应力，胎体弹性下降，加之不断制动的惯性力等滚动动载荷作用，使轮胎“多边形效应”现象不同程度的发生（即弹性恢复能力的可能丧失），而变形加剧帘布层脱层和温度急剧上升，拿普通胎来说，轮胎的临界温度为100～121℃。若轮胎强度层温度超过橡胶硫化点（140℃），轮胎内部组织将被破坏而可能爆胎。所以冷却站的存在很有必要。（这是后话，事实证明齿轮油早期变色的“间接原因”就是有一定流速和压力的冷却水快速地进入了制动鼓及摩擦副表面，迅疾产生大量的蒸汽并聚集在制动鼓这么不大的容积内而产生具备一定“冲破力”的热动能。）

另外，我们根据驱动桥结构分析，当重载的车停在冷却站时，重量和地面对轮毂的法向反作用力，使轮毂轴承下端一侧无间隙，而整个运动间隙全累积在上端一侧，不动的内外侧油封的下端一侧受压缩大，油封变形在整个圆周上的变形就不规则，加上零部件的热涨，油封上侧的紧箍力变小或没有，有可能出现间隙。我们分析这也为冷却时产生有一定温度和动能的蒸汽从这里进去创造了“有利条件”。（这是后话，事实证明齿轮油早期变色的“间接原因”是蒸汽就是从这里突破的，同齿轮油蒸汽掺和在桥内腔冷凝成液体和下沉，日积月累不断同齿轮油混合而乳化。）

5）探寻原因和解决措施。（1）找了3个用户代表，跟踪运输全过程。从更换新油后，就隔三差五的检查油色。（2）同时我们在驱动桥本身上找可能意外进水的地方，比如桥壳有贯通的螺纹口，涂上密封胶去试验、把桥壳上的平衡透气孔变成有单向阀式的或者暂时堵死、把圆形的内侧装的制动底板装上还是一半装、把制动鼓的检视孔档上等，仍然不行，我们这时基本确定，“进水”通道在油封这个位置点上。（3）我们挑选制造精度高的油封和油封座圈并仔细装配等，效果基本没有。（4）我们与台湾油封专业厂和它们的技术人员，更换新型的油封（此种油封本身就能有相对旋转）有好转但还是不能有效阻止齿轮油早期变色问题。（5）走访山下修理工，同时仔细研究零部件结构，发现制动鼓内进水的“地道”大大存在，即制动鼓与制动毂在它们安装连接的法兰圆平面在贴合形成合件后，自然形成10个沟槽并在内圆侧与制动鼓内相通。沟槽的形成是制动鼓连接圆平面在铸造和加工时都是平面，而轮毂连接圆平面在设计铸造时就不是整圆而是有10个螺栓孔凸台，装合后形成“10个地道”。因此我们用石棉板剪成沟槽形状进行填密“地道”。多次检查和跟踪，发现齿轮油在以前变色的里程时已不再变色。（6）针对试验得出的排除“乳化现象故障”的手段，我们重新改变轮毂图纸，加工出无凸台轮毂进行更换，故障排除。

2　原因分析和设计、制造工艺改进

综上所述，驱动桥齿轮油早期乳化的原因是：200℃～300℃（或更高）摩擦副，在冷却水急速大量进入制动鼓内部并汽化，迅疾产生大量的蒸汽并聚集在制动鼓这么不大的容积内而形成有一定的“冲破力”的热动能生成，它突破仍然处在热涨下制动器的内外侧油封的中上部“缝隙”进入到内腔同油蒸汽掺和冷凝成液体和下沉，日积月累不断同齿轮油混合而乳化。如果临时和不怕麻烦，采取我上面应用的手段即可。永久解决就是更换上是技改后的制动轮毂。

［1］GB/12676-1999汽车制动系统结构、性能和试验方法［S］.

［2］QC/T556-1999汽车制动器温度测量和热电偶安装［S］.

［3］周磊.连续下坡路段汽车行驶特性与制动器制动性能研究［D］.西安：长安大学.

［4］纪王芳.载重汽车行车制动器制动性能的研究［D］.合肥：合肥工业大学.

U46

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1674-6708（2015）152-0073-02