报废家庭用轿车传动零部件的再生利用

王存伟，顾瑞华，陆永伟，孙锡健，徐益民，卞方良

（江苏华宏科技股份有限公司，江苏 江阴 214400）

随着我国经济的发展，家庭用轿车制造业成为我国制造业中较大的产业。轿车大量进入家庭，为人们的出行提供了方便，也为报废车辆的处理提供了充足的后备资源。根据循环经济的要求，采用资源化技术，可以将报废车辆进行回收处理，并作为原料再利用。但家庭用轿车，由于其特定的使用状况，在整车报废以后，其中一部分传动零部件还未达到其使用寿命极限，还有较长的使用年限，经过相应的检测、处理，还能继续进行使用，延长使用寿命。

1 车辆报废的相关规定

2000年12月18日，国家经济贸易委员会、国家发展计划委员会、公安部、国家环境保护总局联合发布了《关于调整汽车报废标准若干规定的通知》，将1997年制定的汽车报废标准中非营运载客汽车的使用年限及办理延缓的报废标准调整为9座（含9座）以下非营运载客汽车（包括轿车、含越野型）使用15年。车辆达到报废年限后需继续使用的，必须依据国家机动车安全、污染物排放有关规定进行严格检验，检验合格后可延长使用年限。2001年1月6日，公安部又发布了有关通知，在9座（含9座）以下非营运载客汽车达到报废标准后要求继续使用的，不需要审批，每年定期检验2次，超过20年的，从第21年起每年定期检验4次，连续3次检验都不符合国家标准《机动车运行安全技术条件GB7258》规定的，公安交通管理部门收回机动车号牌和《机动车行驶证》，办理注销登记，实行车辆报废。

2 车辆传动零部件的设计

车辆一般动力传递方式为：发动机→液力变矩器（或离合器）→变速器→后桥（减速器、差速器、半轴）→车轮。

发动机将燃料燃烧的化学能转变为曲轴输出端的旋转动能，为车辆提供动力。液力变矩器通过螺栓与发动机曲轴后端相联接，与发动机曲轴同步运转。液力变矩器另一端与变速器相联，其主要起离合器的作用，将发动机输出的动力传递给变速器输入轴，在一定范围内实现无级的变扭变速，增大发动机的转矩。由于发动机输出转矩和转速范围较小，不能适应车辆行驶时车速改变和牵引力变化的需要。所以需采用变速器装置来改变发动机和车轮之间的转速比，使发动机工作在合理的工作范围内，提高车辆的动力性和经济性。发动机不能有载起动，为保证车辆平稳起步，通过变速器空档位置的操作就能实现；发动机只能单向旋转，而车辆需要前进后退双向运动，通过变速器前进、后退档的操纵就能实现车辆的前后运动。后桥是将通过变速器输出的转速进一步减速，并通过差速器、半轴将转矩传递给车轮，实现车辆的前后运动。

2.1 液力变矩器

液力变矩器在车辆上的功用是代替传统手动变速器中的机械式离合器，起到自动离合器的作用。液力变矩器是依靠工作液体动能的变化来传递动力，将发动机输出的动力传给自动变速器的输入轴[1-3]。

目前轿车上广泛采用由泵轮、涡轮、导轮、单向离合器、锁止离合器组成的单级双相三元件闭锁综合式液力变矩器。

其工作原理为：泵轮与发动机输出轴相联，由发动机带动旋转，从发动机吸收机械能，并使之转化为液流在单位时间内动量矩的增量；液流由泵轮进入涡轮，带动涡轮旋转，涡轮与变速器的输入轴相联；将液流在单位时间内的动量矩减少，使液体的动能转化为机械能向变速器输出，从而带动变速器旋转，实现车辆的行驶；导向轮固定在不动的壳体上，它既不吸收也不输出机械能，它通过叶片对液流的作用来改变液流的动量矩，以改变涡轮的力矩，达到“变矩”的目的。液流由泵轮进入涡轮，由涡轮流出后进入导轮，在导轮内液流受导轮叶片的作用使液流方向改变，然后又流回泵轮，如此往复形成不停的循环流动。

液力变矩器的力矩平衡方程式为：

MB+MT+MD=0

式中：MB：泵轮对液流的作用力矩；

MT：涡轮对液流的作用力矩；

MD：导轮对液流的作用力矩。

由上式可知，在稳定工况下，液力变矩器工作腔内工作液体总的动量矩的变化等于零。

也可以写成：

-MT=MB+MD

式中：ρ：工作液体密度；

Q：循环流量；

ΔГB：泵轮增加的速度环量；

ΔГT：涡轮增加或失去的速度环量；

ΔГD：导轮增加或失去的速度环量。

由上式可看出，因导轮的存在，导轮对工作液体有力矩的作用，在一般情况下，使涡轮力矩不等于泵轮力矩，所以液力变矩器具有“变矩”的作用。

液力变矩器属于“软连接”机构，虽然具有许多优点，但也存在明显的缺点。在高速状态时，泵轮和涡轮之间会产生较大的滑转现象，传动效率大幅度下降，为此在液力交矩器中加入锁止离合器，液力变矩器在高速时，直接通过锁止离合器实现机械传动的硬连接，转速比i=1，消除了泵轮和涡轮之间的滑转现象，提高了传动效率，降低了燃油消耗。

通过液力变矩器设计工作原理的分析，可以看到，液力变矩器中的泵轮、涡轮、导轮之间的工作关系是通过液体作为介质来实现，它们相互之间没有直接的摩擦，在实际的使用中，只要注意及时补充液力变矩器工作液和防止泄漏，进而防止产生汽蚀；保持油液清洁度，泵轮、涡轮、导轮损坏和磨损的机率应该是很小，所以它们是可以长期使用的零部件。

2.2 变速器、后桥

变速器、后桥的作用主要是起到变速、换向、传递动力的作用，在它们的结构中常用的零部件有齿轮、轴、轴承等，在齿轮、轴的设计过程中，首先根据受力情况，进行径向力、轴向力、转矩、弯矩的计算，在此基础上，进行主要参数的选择和主要尺寸的初步确定，然后需要进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的校核计算。

2.2.1 齿面接触疲劳强度校核

当σH≤σHP时，齿面接触疲劳强度满足安全要求。其中：σH：计算接触应力；

σHP：许用接触应力。

齿轮计算接触应力公式为：

式中：ZH：齿轮节点区域系数；

ZE：材料弹性系数；

Zεβ：接触强度计算的重合度与螺旋角系数；

Ft：分度圆上的圆周力；

b：齿宽；

d1：小齿轮分度圆直径；

U：齿数比；

KA：使用系数；

KV：动载系数；

KHβ：齿向载荷分布系数；

KHα：齿向载荷分配系数。

齿轮接触强度安全系数校核：

只有当SH≥SHmin时，齿面使用安全。

其中：SHmin：接触强度最小安全系数，其数值的大小由材料和热处理方式决定；

SH：计算接触强度安全系数，

σHlim：齿面接触疲劳极限；

ZLVR：润滑油膜影响系数；

ZW：工作硬化系数；

ZX：接触强度计算尺寸系数；

ZN：接触强度计算寿命系数，其值是根据应力循环次数N和材料不同的金相晶粒结构来进行选择，

N=60rnt

式中：r：齿轮每转一周同侧齿面的接触次数；

n：齿轮的转速；

t：设计满载工作时间。

一般机械设计取t=35 000 h

即：齿轮满载工作时间为35 000 h。

2.2.2 齿轮弯曲疲劳强度校核

当SF≥SFmin时，齿轮弯曲疲劳强度满足安全要求。其中：SF：计算弯曲强度安全系数；SFmin：弯曲强度最小安全系数。

式中：σFE：齿根弯曲疲劳极限基本值；

Yδre1T：相对齿根圆角敏感系数；

YRre1T：相对齿根表面状况系数；

YX：尺寸系数；

σF：计算曲弯应力；

YN：弯曲强度计算的寿命系数，其值是根据应力循环次数N和材料不同的金相晶粒结构来进行选择，N=60rnt。

由此可见，齿轮弯曲疲劳强度与齿面接触疲劳强度的确定，除了与材料性质、尺寸大小、表面金相组织有关系，同样与齿轮满载工作时间的设定有关，也即与齿轮的预期设计使用寿命有关。同样，变速器、后桥中的轴类零部件的设计也遵循这样的设计准则。在车辆传动零部件的设计过程中，如果采用无限寿命设计准则，将零部件或结构的工作应力限制在它的疲劳极限以下，就可以使零部件或结构在理论上具有无限寿命，但这样往往造成零部件或结构尺寸较大，过于笨重。在实际的车辆设计中，基本是采用有限寿命设计准则，也称为安全寿命设计准则，即在确保零部件或结构的使用寿命条件下，采用超过疲劳极限的工作应力来进行疲劳强度设计，这样就能减小零部件或结构的尺寸，减轻质量，使材料的承载能力得到充分的利用[4-7]。

3 家庭用轿车的实际使用情况

随着轿车大量进入家庭，轿车日益成为人们的代步工具。家用轿车的用途，一是上下班用，二是节假日出行。在载重方面基本是无重载，在行驶时间和行驶里程方面，一般日平均行驶时间不会超过2 h，年行驶里程不会超过30 000 km，这种情况是由我国的国情所决定的，因为在我国的城市建设中，工业园区、居住区、行政办公区之间的距离并不很远，所以，一般上下班距离并不很远。此外，随着社会用车、家庭用车车辆的增加，各地都非常重视道路的建设，这为人们的出行提供了很大的便利。同时，随着道路建设等级的提高和完善，车辆行驶的阻力也相应减小，为延长车辆使用寿命打下了基础。

4 车辆传动零部件实际使用时间与设计使用寿命之间的差距

我国虽没有硬性规定家庭用轿车的实际报废年限，但随着车辆发动机等其他部件的磨损和国家对环境要求的日益提高，对车辆的排放提出严格的要求。所以对整车而言，家庭用轿车平均使用年限20 a是综合多方因素考虑的。

由此可计算出车辆零部件的实际使用时间t1：

t1=20×365×2=14 600 h

由上知车辆齿轮的设计满载工作时间t：

t=35 000 h

设计满载工作时间与实际使用时间之间的差值Δt：

Δt=t-t1=35 000-14 600=20 400 h

根据家庭用轿车的日平均使用小时数，可以计算出车辆报废后齿轮还能继续使用的年份数ΔN：

ΔN=27.94 a

由上计算可知，根据齿轮的设计使用寿命，家庭轿车使用20 a报废后，其齿轮还可使用近28 a。

5 车辆传动零件的再生利用

5.1 车辆传动零部件的制造成本

车辆传动零部件材料大都采用合金高强度结构钢，其性能优良，应用广泛，车辆传动零部件需要经过锻、粗车、去应力处理、精车、铣、磨、热处理等多道工序的加工，加工过程繁复，检验质量要求严格，需要花费大量的人力、物力和能源。车辆传动零部件不但材料成本高，制造成本也很高。随着家庭用轿车的大量增加，整车报废后其传动零部件能得到再生利用，在材料和使用功能上也将得到很大的利用，降低了零部件制造上的人力、物力和能源的消耗。

5.2 车辆传动零部件的再处理

在循环载荷作用下，最大应力总是出现在零部件表层的某一范围内。因此，对零部件采用表层强化工艺，改善表层的应力状况和化学成分，可以提高零部件的疲劳强度。疲劳试验表明，表面压应力能够改善零件的抗疲劳能力。激光、电子束、离子束等为代表的三束表面改性的技术受到世界各国的普遍重视。经试验45号钢在激光处理后，表面强度提高，疲劳极限可提高约40％。这可以在不增加零部件尺寸和其他加工工艺的前提下，大大提高零部件的使用寿命。在报废家庭用轿车传动零部件再生利用中，采用这样的表面再处理技术，会进一步提高这些零部件的质量和使用寿命。

5.3 国外实践

日本汽车拥有量达7 500万辆，每年报废汽车500多万辆，100％由汽车经销商回收，除少数经检修后以二手车出口外，其余由5 000多家汽车拆解企业拆解，约占汽车质量75％的材料得到再生利用，其中20％～30％的零部件被再利用。

德国年生产轿车近500万辆，近150万辆旧车报废。欧盟的环保法规要求，从2002年起废旧汽车的可再生利用率要达到85％。到2015年达到95％。德国拆解企业目前约有4 000多家，汽车以逆向制造程序被分解，完好的部件被送到汽车修理厂作为备件使用，其余的作为回收料进行再生处理。

美国汽车报废量居世界首位，根据美国有关法律，只要汽车零部件没有达到彻底报废的年限，不影响正常使用，就可以再利用。经过多年的摸索，特别是采用先进的回收技术和处理设备，美国已能将占汽车质量50％的零部件回收，并重新利用。目前美国大约有1.15万家汽车零部件回收商，从事汽车零部件再制造生产的大小企业有5万多家，产值达360亿美元。美国汽车工程师协会还对诸如启动器线圈、转子、离合器、发动机、转向器、水泵、变速箱等一些具体零部件的再制造制订了标准。

5.4 国内实践

我国自1980年以来，国务院有关部委先后下发一系列文件，指导、规范废旧汽车处理工作。2001年6月16日，国务院颁发了“报废汽车回收管理方法”，将我国报废汽车回收工作逐渐纳入法制化管理的轨道。纵观目前国内的状况，废旧车辆回收企业多、规模小、回收技术手段原始落后、效率低、材料耗损率高，同时能回收再利用的车辆传动零部件也没有得到很好的利用。国家相关部门也没有制定相应的法规、政策。政策、法规的滞后和再生利用技术、设备、手段的落后，都制约了报废家庭用轿车传动零部件再生利用的进展。

6 结论

根据上述家庭用轿车实际使用情况的分析，传动零部件设计准则的确定和使用寿命的校核，可以确定，报废家庭轿车传动零部件的再生利用是有安全质量保证的。

国家相关部门应尽快制定相关的政策、法规，使报废家庭用轿车传动零部件能合理合法进入再生利用的行列，并尽早形成一个体系完善、规模可观的产业链。

各轿车生产厂家应建立相应的回收体系，主动承担零部件的再处理和再生利用工作，并做好再生利用零部件的使用档案记录备案工作，正确掌握其使用寿命，实现安全再利用。

在全社会要大力宣传再生利用光荣的理念，使人们真正形成生产、消费、回收、再生利用是物质循环的观点。报废家用轿车传动零部件的再生利用，将为国家降低资源消耗、绿色环保和低碳经济的发展作出一定的贡献。

[1] 朱径昌，魏辰官，郑慕桥.车辆液力传动[M].北京：国防工业出版社，1982.

[2] 北方交通大学.内燃机车液力传动[M].北京：中国铁道出版社，1980.

[3] 匡 襄.液力传动[M].北京：机械工业出版社，1982.

[4] 徐 灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000.6.

[5] 徐 灏.安全系数和许用应力[M].北京：机械工业出版社，1981.

[6] 长春汽车制造厂.机械工程材料手册[M].北京：机械工业出版社，1990.

[7] 魏文光.金属的力学性能测试[M].北京：科学出版社，1980.