重型车后桥齿轮破损监测预警装置研究

随着我国工业化水平的蓬勃发展，在国防、航天、军事、物流运输、大型机械等各个领域，重型机械设备承担着不可或缺的作用，为我国经济高质量发展保驾护航。现有重型车辆主要包含用于指定工程作业的工程车辆、用于执行特种作业任务的特种车辆以及用于货物运输的重型商用车辆，其在日常作业过程中多行驶在山路，矿场等路面和空间恶劣的环境下叫。因此我国对重型车辆的需求很高。重型车的市场需求量如图所示。

随着车辆使用次数的增多后桥内零部件也会相应的发生磨损，后桥总成是重型车辆的重要组成部分之一，为封闭腔体，其中零件较多、构造复杂，因此齿轮油污染和齿系传动系统、轴承等损坏难以及时被发现，齿轮油若未及时更换，会逐渐氧化变质，清洁度降低，使其润滑、导热功能大幅降低，无法较好地保护齿系传动系统，导致齿轮系统受损的概率大大增加。

重型车后桥总成如图所示。一旦齿轮的轮齿部分受损，将导致工作零件在受损部位受力不均匀，这将进一步导致零件的加速损坏甚至是系统瘫痪。

关于重型车后桥齿轮破损也涉及到车桥厂和使用者的责任划分问题，因此市场上急需一款能够在齿轮油密度变化较大或齿轮破损早期就及时 发现的产品，能够提醒齿轮油及时更换和齿轮检修，极大程度上降低维修成本，保证后桥总成的正常工作。

“十四五”发展规划高峰论坛上表示中国的重型机械的发展方向将聚焦智能化，将传统制造工艺和数字化、智能化相结合，来推动我国重型机械的高质量发展。

因此，为了解决重型车辆后桥齿轮油污染和齿轮等零部件受损情况难以被及时发现的问题，让驾驶员第一时间了解到车辆后桥齿轮油和零部件的受损情况，本文提出了进行早期发现并及时检修的监测及报警系统，研发了这款用于重型车后桥齿轮破损检测的传感检测组件。

通过此装置，车辆驾驶员可以实时了解到后桥内主减速器齿轮的受损情况。同时本文还考虑使用加速度传感器来实时监测重型车后桥齿轮啮合传动时传递到轴承处桥壳的振动信号，如果后桥主减速器齿轮发生破损加速度传感器就会检测到异常的振动信号。两条技术路线互相配合，共同为后桥的正常工作保驾护航。

并且该装置可以通过不同程度的报警，提醒驾驶员及时更换齿轮油与受损齿轮，进行车辆后桥的保养，避免齿轮油被严重污染，防止车辆后桥内部齿轮传动系统、轴承的严重损坏。

本文提供了一种重型车辆齿轮破损检测的方法，顺应国内汽车技术的发展趋势，能够提高车辆的耐用性和竞争力，增加汽车产品的附加值，对于车桥厂和整车厂来说，这种产品具有很高的实用价值。

本文提出的检测后桥齿轮破损的传感检测组件应用于重型车辆后桥，但由于实验条件有限，并没有具体的重型车辆后桥的模型或实物来用于仿真和做实验，所以本文在研究永磁体对后桥的影响时，选用实验室的货运汽车后驱动桥作为实验对象。

基于该驱动桥进行建模和仿真分析，来研究永磁体外形及安装位置，用货运汽车的后桥得到的磁场仿真分析方法和结论也同样适用于重型车辆后桥。所用的驱动桥桥壳只有一半，通过手动测量驱动桥的尺寸，使用SOLIDWORKS 建立了货运车后桥的三维模型，如图所示。

在建模过程中，由于桥壳比较复杂，且桥壳的很多地方尺寸无法准确测量因此，对桥壳进行了合理的简化。考虑到课题主要研究桥壳底部受磁化的影响且相比于桥壳底部被磁化的程度，其他地方的磁化程度远小于桥壳底部，所以忽略了车桥中的凸缘、齿轮、和车桥内的凹槽。

为了验证三维模型简化的合理性，在将模型通过 COMSOL 中的 LiveLink for SOLIDWORKS导入 COMSOL软件后，对桥壳进行磁场分析时，在桥壳底部和桥壳底部上方 30 mm 处进行了磁通密度模(即磁感应强度) 的切面对比，对比结果如图所示。

从图中可以看出，将两切面颜色云图范围设置相同，桥壳底部上方30 mm处的磁感应强度明显小于桥壳底部的磁感应强度，而车桥中的凸缘、齿轮和车桥内的凹槽的位置远高于 30 m，可以忽略不计，模型简化合理。

基于实际安装到矿用车上的传感检测组件的设计工程需求，装置所用的永磁体的高度已经固定，需要探究的是不同形状底面的长方体永磁体对后桥桥壳的影响。

对此，本论文首先对比了正方形底面和长方形底面的长方体永磁体对桥壳底部磁化的影响。塑料板中心位于 (00-57 mm)处，在其上方绘制尺寸分别为 40x10x30 mm 和 40x10x40 mm 永磁体，进行磁感应强度分析，将分析结果的颜色云图数据范围修改为相同。

为定性分析减小的程度，考虑到在实际的传感检测组件中，永磁体和后桥桥壳底部会有塑料板隔开，由实验和仿真结果可知，落在塑料板上的金属碎屑由于塑料板的存在，受到磁化的桥壳底板的磁力影响远小于直接受到永磁体的磁力。

因此，主要研究对象是落在塑料底板外的金属碎屑受到磁化的桥壳底板的影响，而塑料底板外的区域只有底面边缘处磁感应强度最强，所以之后研究的主要对象即是塑料底板的底面边缘处的磁感应强度。

根据装置的使用要求，为使装置的永磁体达到最大化的利用，还需要考虑装置内永磁体有无圆角对桥壳底部的影响。在研究有无圆角的影响时，同样对不同尺寸圆角以及无圆角的永磁体作用下的塑料底板底面四边的磁感应强度进行对比分析。

同样的使塑料底板底面中心位于 (0,0,-57 mm)处，在40x10x40 mm永磁体基础上通过设定永磁体圆角尺寸大小为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm 和无圆角。得到相应的塑料底板底面四边的磁感应强度数据。

为确定装置中的永磁体的安装位置，需要结合桥壳内部构造进行分析，在所建立模型的坐标系中，Z=-11.5 mm 相比于Z=-102 mm，Z=-11.5 mm 所在的圆角区域更接近传动齿轮的工作区域。

传动齿轮工作磨损得金属碎屑掉落在Z=-11.5 mm 所在的圆角区域的几率更，应使 Z=-11.5 m 处的感应强度略小于 Z=-102 mm处。当塑料底板底面中心位于 (0,0,-57 mm)处时，两圆角处的磁感应强度值已经十分接近，因此设置塑料底板的位置为 (0,0,-58 mm)(0,0,-57 mm)、(0,056 mm)得到不同位置塑料底板的两圆角处的磁感应强度，如图所示。

该传感检测组件的分为六个主要组成部分:收集装置，支撑装置，传动装置安装固定装置，电线引出装置，控制装置。

(1)收集装置。收集装置主要是由收集，杠杆一侧 的永磁体以及安装与底板的永磁体组成的。收集框的设计特点是为平底敞口式结构，收集筐的底部在杠杆的带动下，可以与底板平面贴合，并且该收集筐为非金属材料的带网状的结构，以防止底部永磁铁对收集筐发生磁力作用，并配有受力合理的十字形骨架增加强度。

(2)支撑装置。支撑装置主要由底板和支架组成，底板的底部外形与桥壳内部结构一致，可以与后桥壳内相贴合，同时为保证轻量化的要求，底板底部为镂空的加强筋结构，底板上方需要安装支架和永磁铁，支架用来安装电磁铁，电位器，不等臂杠杆，收集筐等，支架和底板之间采用卡扣的连接方式安装方便。

(3)传动装置。传动装置主要由不等臂杠杆，杠杆转轴，齿轮组，电位器组成。杠杆中部开设多边形的轴孔，杠杆转轴截面与轴孔相适应，杠杆经杠杆转轴架设在支撑框上，杠杆转轴的一端经齿轮组连接电位器，杠杆转轴的另一端开设螺纹孔，螺纹孔内设置调平螺杆。

杠杆的一端开设销孔，用于固定收集端磁铁的长销固定在销孔内，为了提高收集能力，长销上可以设置两块以上永磁体。杠杆的另一端为带有长孔形状的三叉式结构，用来连接收集管。

(4)控制装置。控制装置主要是通过给上下方电磁铁通电来控制在杠杆的上下运动，进而控制收集筐的上下运动。

(5)安装固定装置。安装固定装置主要采用改装放油螺栓的方式设计的改装的放油螺栓采用阶梯状空心的长螺杆结构，与底板的螺纹孔相连接，同时可 以满足底板的安装固定和放油的要求。

(6)电线引出装置。传感检测装置中的采用的电磁铁和电位器都需要连接电线使用，因此需要将后桥壳内的电线引出。本文设计的电线引出装置主要是通过对进油螺栓进行改装。将电线通过电线导管在通过改装的进油螺杆引出后桥壳外，同时满足放油的要求。

传感检测组件安装于重型车后桥内首先需要保证该装置在齿轮油中是处于平衡状态，在传感检测组件设计过程中就会尽可能得保证杠杆左右两端得平衡问题，些许得不平再通过调整调平螺杆的位置进行校准调平。

传感检测组件检测重型车后桥齿轮是否破损得方法有两种:第是首先通过调整调平螺杆，保证杠杆处于平衡位置;当收集内或者杠杆一端的永磁铁收集到金属碎块时，打破杠杆初始的平衡状态，同时通过控制电磁铁的通电和断电，来使不等臂杠杆带动收集筐上下运动，杠杆绕杠杆转轴发生转动。

由于杠杆转轴和杠杆的配合为多边形孔-轴配合，则杠杆转轴也随之发生转动，并带动安装在上面的齿轮组一起转动，齿轮组开始工作，带动安装在电位器上的齿轮一起转动，带动电位器的轴发生转动，则电位器输出的电阻值发生变化，由于收集到了金属碎块，杠杆两端的重量就和初始状态发生了变化，杠杆从初始位置到终点位置的运动时间以及运动加速度也就发生变化。

第二是当有金属碎块被底板上的永磁铁收集时，通过给下电磁铁通电，使杠杆绕其转轴发生转动，收集筐位置下降但此时由于收集筐与底板之间存在异物，导致收集筐底部与底板无法贴合，也即收集筐无法到达设定的最低位置，此时电位器输出值也无法达到预设极限值从而判断出腔体内存在异物56].。传感检测组件的构成原理图如图所示。