汽车检测用底盘测功机滚筒轴断裂问题分析与改进

邸建辉 李杨昭 谢鲜明 耿继明

摘 要：汽车底盘测功机是环保检测中的一个重要设备，可以模拟各种加载工况，在规定工况下测得汽车排放气体中有害物质含量并进行评价;文章就汽车底盘测功机工作状况、滚筒的受力情况，分析滚筒支撑轴出现裂纹甚至断裂的原因，并给出解决方案。

关键词：底盘测功机;滚筒;断裂

中图分类号：U472.9  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-72-05

Analysis and Improvement of Fracture of Automobile ChassisDynamometer Roller Shaft

Di Jianhui¹， Li Yangzhao¹， Xie Xianming¹， Geng Jiming²

（ 1.Shijiazhuang Huayan Transportation Technology Co. Ltd.， Heibei Shijiazhuang 050227;2.Jiangxi Changyun Motor Vehicle Testing Center Co. Ltd.， Jiangxi Nanchang 330024 ）

Abstract： Automobile chassis dynamometer is an important equipment in environmental protection detection. It can simulate various loading conditions， measure and evaluate the contents of harmful substances in automobile exhaust gases under specified conditions. Based on the working condition of the automobile chassis dynamometer and the stress of the roller， this paper analyzes the reason of the crack and even fracture of the supporting shaft of the roller， and gives a solution.

Keywords： Chassis dynamometer; Roller; Fracture

CLC NO.： U472.9  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-72-05

前言

近年來，随着我国机动车保有量的快速增长，机动车排放已经成为很多大中城市空气质量恶化的主要源头;打赢蓝天保卫战，是党的十九大作出的重大决策部署，在三年行动计划中，明确提出了限制超标车辆排放控制使用的方式;生态环境部和国家市场监督管理总局联合发布了GB 3847- 2018《柴油车污染物排放限值及测量方法》和GB 18285-2018《汽油车污染物排放限值及测量方法》强制性国家标准，规定了对柴油车和汽油车采用工况法检测的项目和方法。

在标准中对机动车进行工况的检测设备明确提出了要求，对于重型柴油车使用3轴六滚筒底盘测功机进行加载减速工况法检测。在汽车底盘测功机中，滚筒是整个设备的核心部件之一，由于测功机滚筒同时承受弯矩和扭矩，是最容易出现故障的部件，本文对滚筒支撑轴部位裂纹形成原因进行分析，并给出解决方案。

1 结构及原理

汽车在进行加载减速工况法污染物检测时，首先被检车辆驱动轮驶上测试台架（即重型测功机），见图1-图3，对于双驱动轴的车辆，前驱动轴轮落在1轴和2轴之间出车举升机构上，后驱动轴轮落在第三轴滚筒上（单驱动轴的车辆，仅落在1轴和2轴间出车举升机构上），车辆到位后，出车举升机构下降，前驱动轴轮与1、2轴滚筒接触，被检车辆按照提示驱动测功机滚筒，测功机检测滚筒表面线速度（即车辆车轮），达到工况设定值，通过电涡流机由滚筒向车辆驱动轮加载阻力，在整个过程中，采集车辆排放的污染物含量，按照国标限值进行评价。

重型底盘测功机的结构包括支撑车辆驱动轮并模拟路况的滚筒、加载的涡流机、测量台架内部阻力的反拖装置（电机、同步带、变频器）、机械框架、联轴器、扭力传感器、速度传感器等，其结构如图3所示，电涡流机与1轴及3轴滚筒连接，在电涡流机的定子部分安装扭力传感器，用于测出施加在滚筒上的加载力，速度传感器安装在1轴滚筒上，用于检测滚筒表面线速度，各轴之间用同步带连接，滚筒两端由带座轴承支撑。

汽车底盘测功机反拖装置测出系统的阻力功率，工况加载时，系统自动计算加载功率（规定加载功率减去系统阻力功率），由主滚筒支撑轴端连接的电涡流机加载，从整个测试原理可知，测功机主滚筒既承受被测车辆的重量，又传递加载扭矩，是一个典型的交变弯扭受力部件。

2 问题导出

底盘测功机台架在车辆检测过程中，出现滚筒轴头与腹板连接部位出现裂纹甚至断裂，如图4所示，导致检测中断，严重时，出现被检车辆冲出台架，存在较大事故风险;出现故障的底盘测功机多出现在一些检测重型车辆的检验机构，断裂滚筒为前轴台架的1轴以及后台架的3轴滚筒，从图4可以看到，支撑滚筒的支撑轴与腹板之间为焊接结构，先出现整圈均匀的裂纹，后裂纹加深，直至断裂。

3 问题定位与分析

首先从滚筒结构进行分析，图5是底盘测功机滚筒结构图，滚筒由三部分焊接而成，包括支撑轴、筒体以及腹板，问题出在支撑轴与腹板连接处，标记为A和B，出现裂纹甚至断裂是由多种原因引起的，可能是设计原因，也可能是制造加工的工艺因素造成，下面分项分析原因。

3.1 设计因素

从设计方面着手，是不是设计强度不足，安全系数不够引起，我们从滚筒的结构进行弯矩和扭矩的强度分析，是否满足强度要求。

3.1.1 滚筒强度分析

由底盘测功机的检测原理可知，滚筒既承受向下的车轮重力，同时承受涡流机加载的扭矩，承载力按照台架的额定载荷计算，单个滚筒为6500kg（63700N），扭矩为电涡流机能够产生的最大阻力矩3400Nm，其受力图如图6所示，在图中标注了滚筒的故障点A和B点所处的位置，弯矩图及扭矩图如图7所示，按照第四强度理论对其强度进行分析并且用三维设计软件中有限元进行强度分析。

（1）弯曲应力计算

按照滚筒承受的极限情况计算A、B两个位置的弯矩。

式中：

M_max：中心点最大弯矩，Nmm;

M_A、M_B：A、B两位置弯矩。

A、B两位置抗弯截面系数相同

A、B两位置弯曲应力

（2）扭转应力计算

A、B两位置抗扭截面系数

A、B两位置扭矩

Mn=3400000Nmm

扭转应力：

（3）按照第四强度理论

滚筒轴头材质为45钢，根据机械手册第二卷（表6-1-21）轴的许用弯曲应力，变载荷循环工况时，其许用应力值为95MPa。

A、B处截面（轴头与幅板连接处）合成正应力为81.5MPa，小于许用值，设计强度满足使用要求。

（4）滚筒轴端焊缝强度

滚筒支撑轴与腹板是焊接结构，对焊缝强度进行计算分析，焊缝外形为图8中（a）所示，按照经验a≈0.7K。

1）焊缝焊脚尺寸：K=10mm;

则计算尺寸：a=7mm;

2）焊缝处主要受涡流机传递到滚筒的阻力扭矩：M=3400Nm;

3）设计滚筒与幅板焊接处支撑轴直径为80mm，R=40mm;

4）焊缝应力按照T型焊缝计算：

参照机械设计手册，焊缝许用应力按（较弱）母材的许用拉应力σp乘系数m，系数m查手册为0.65，幅板材质为Q235，σp=130MPa

[τ]=130×0.65=84.5MPa>τ

結论：焊缝强度满足要求。

3.1.2 有限元分析验证

用三维设计软件SolidWorks对滚筒结构进行有限元分析，验证分析结果是否与上述一致，设定最大承重力和扭矩，通过有限元分析，在位置A点最大应力为78.4MPa，满足强度设计要求，如图9所示。

通过以上分析，其滚筒设计的结构强度满足使用要求，但仍然出现上述裂纹，甚至断裂，因此排除了设计原因。

3.2 工艺因素

工艺因素从使用的材料，热处理工艺、加工工艺、焊接工艺进行分析。

（1）材料及热处理

滚筒各组件的材料不同，两端的支撑轴的作用通过轴承支撑中间筒体，起到承重和传递扭矩作用，材料为中碳钢45#材质，采用调质处理工艺，其硬度为HRC45-55，既有一定的韧性，又有一定的硬度，但焊接性能较差;腹板为热轧钢板加工，材质为低碳钢Q235-A，有较好的焊接性能;筒体为无缝钢管，材质为低碳钢20#，切削性能良好。

以上材料及热处理工艺为常用材料及常规工艺，无特殊材料和特殊热处理工艺。

（2）加工工艺

筒体、腹板及支撑轴加工为数控机床内外圆加工，不会影响整体强度，支撑轴与腹板配合为过渡配合，最小公差为0.02mm，机床精加工能够满足要求，对出现故障点无影响。

（3）焊接工艺

滚筒焊接分为两部分，筒体与腹板的焊接与支撑轴与腹板的焊接;筒体与腹板焊接采用手工电弧焊，J422酸性焊条焊接，由于筒体与腹板为低碳钢具有较好的焊接性能，无需采用各种焊接保护措施，能够满足强度要求。

支撑轴与腹板焊接为中碳钢与低碳钢焊接，焊接性能较差，采用手工电弧焊，J507焊条焊接，按照中碳钢焊接工艺，焊接时焊条应烘干处理（加热到温度300℃左右）并保温，焊接前及焊接后对焊接部位进行预处理，即加热并保温，有利于焊缝金属中氢的逸出，避免氢致裂纹;经对出现问题的滚筒加工进行回溯追究，发现加工生产时未按照以上焊接工艺进行焊接，经对焊接后的滚筒检查，在冬季焊接的滚筒易出现焊缝裂纹，夏季出现裂纹的概率较低。

通过以上检查分析，导致滚筒支撑轴与腹板出现裂纹主要是加工时未按照焊接工艺加工，焊接后出现焊缝裂纹，并且由于焊接部位受热不均并快速冷却，支撑轴为调质处理，从而致使支撑轴在焊接部位出现淬硬层导致裂纹，降低滚筒的强度，造成滚筒使用时断轴。

4 设计改进

滚筒断轴可以从两方面进行解决， 其一严格按照焊接工艺进行焊接处理，其二改进滚筒设计，避免中碳钢焊接，对以上两种方案进行分析。

按照焊接工艺处理，需要购置烘干，加热，保温设备，并且这些设备属于大耗能设备，不利于节能减排，另外，底盘测功机的生产属于小批量生产，年产量为几十套设备，投入产出比不高，因此从设计方面进行滚筒改进，避免中碳钢焊接。

如何避免中碳钢焊接，并保证整个滚筒的强度要求，我们参考了国外转鼓设计，转鼓中支撑轴与腹板之间采用涨紧套紧固及传递扭矩，支撑轴一般为通轴结构，避免支撑轴与腹板焊接，产生加工缺陷，影响使用，其结构如图10所示。

在滚筒改进设计中如果采用该结构在本设备中，设计冗余较大，支撑轴需要进行磨削加工，以保证表面粗糙度及尺寸精度，并且涨紧套装配工艺要求较高，成本较高;汽车底盘测功机滚筒设计时必须考虑其经济性，因此我们重新设计其联接结构，在腹板与支撑轴之间增加了一个中间套，避免中碳钢焊接由于处理不到位出现焊接缺陷，中间套使用Q235-A低碳钢材料，与腹板过渡配合后焊接，焊接性能较好，无需进行焊接前后处理就能保证质量，支撑轴与中间套采用装配连接，用单键传递扭矩，圆柱销定位，并且圆柱销安装后端部满焊，防止圆柱销脱落，这样既保证了扭矩的传递和轴向定位;为保证滚筒的同轴度等形位公差，支撑轴、中间套装配后与腹板焊接，滚筒整体加工两端轴及筒体表面。具体结构如图11所示。

对上述滚筒结构进行有限元分析，分析结果如图12所示，其A点最大应力为71MPa，满足滚筒使用强度要求，避免了中碳钢焊接引起的焊接缺陷。

5 试验验证

按照上述结构改进后，安装到底盘测功机上，试制了一台样机;在机动车检验机构安装使用，经过近6个月多台次重型车辆测试试验，未发生滚筒支撑轴断裂现象，用户反馈良好，说明该结构设计合理，设备强度、性能满足使用要求。

6 结论

综上所述，通过以上问题定位分析，从发现问题，到解决问题，既考虑了公司现场实际加工情况，又考虑了产品经济性;底盘测功机滚筒改进后，解决了支撑轴断裂问题，该结构设计合理，构思巧妙，解决了小批量生产专用设备投入费用大的问题，同时此设计方案可应用到其他滚筒类检测设备中，为滚筒类产品设计开拓了思路。

参考文献

[1] 徐灏.机械设计手册第二版[M].北京：机械工业出版社，2000.6.

[2] GB 3847-2018.柴油车污染物排放限值及测量方法.