重型载货汽车机械式变速器再制造技术研究

张志睿

（陕西法士特汽车传动集团有限责任公司，宝鸡 722409）

主题词：再制造 重型载货汽车 机械式变速器 资源再利用

1 前言

随着我国汽车保有量的增加，重型载货车市场保有量已接近800 万台，而随着排放升级，大量的排放不达标的黄标车被强制送往汽车拆解厂进行报废处理，这些车辆多数能够正常行驶且车况良好，车辆上的发动机、变速器等总成部件具备再制造价值，但由于国家早前颁布的《报废汽车回收管理办法》不允许报废机动车5大总成用于再制造，这些零部件主要作为废钢卖给炼钢厂进行熔炼，未对资源进行有效利用。随着2019 年新版的《报废机动车管理办法》颁布实施，国家允许并鼓励对报废机动车5大总成进行再制造，汽车拆解厂可以将报废车辆上拆解的5大总成交售给具备再制造资质的企业进行再制造，从而实现了资源的有效利用，进而促进企业节能减排。

再制造就是让旧的机器设备重新恢复性能及质量的过程。它以旧的机器设备为原料，采用专门的工艺和技术，在原有制造的基础上进行一次新的制造，而且重新制造出来的部件无论是性能还是质量都不亚于原来的部件。

变速器是汽车上的核心零部件，属于机动车5大总成之一，由于变速器不像发动机受到排放升级影响，近年来在国家多重政策利好下变速器再制造具有广阔的市场前景，而再制造变速器作为循环经济的一种载体，更具有重要的环保意义，再制造是建设资源节约型、环境友好型社会的有效手段,也是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要举措。

2 变速器总成结构及特点分析

2.1 基于市场保有量确定再制造研究对象

欧洲著名再制造专家费尔南德·威兰对欧洲重型汽车零部件产业发展历史、产业规模和取得的经济、社会、生态效益进行了研究，证明了由于重型汽车组件更大、更重，具有更高的价值，且重型汽车零部件的替换率较高，所以重型汽车零部件具备广阔的再制造前景。

借鉴欧洲汽车零部件再制造发展经验，市场保有量大的汽车零部件替换率较高，更具有批量再制造的价值。由于国内重型卡车变速器总成生产厂家较多，本文选择以目前市场保有量最大的法士特双中间轴系列变速器为研究对象。法士特双中间轴变速器通过引进美国伊顿公司RT-11509C 富勒系列双中间轴变速器技术生产，法士特公司通过技术国产化、消化吸收、自主创新，形成了6挡、8挡、9挡、10挡、12挡和16挡系列产品线，目前已连续多年成为全球销量最大的重卡变速器生产制造商，截止2021年累计销量已突破1 000 万台，法士特品牌业内影响力巨大，在重卡行业占比达70%以上，几乎处于垄断地位，由于法士特变速器市场保有量巨大，其对应的再制造产品具有较大的市场需求量。

重型卡车机械式变速器结构具有类似性，由于目前12挡变速器市场保有量大，所以三包外更换件维修服务需求量也大，因此目前12挡再制造变速器总成需求量也较大。基于市场保有量确定12 挡变速器具备较大再制造价值，以12挡系列变速器为例进行再制造技术研究。

2.2 产品编号规则

以 12 挡中的 12JSD180TA(B)变速器为例，12 代表12 个前进挡，J 代表机械式，S 代表双中间轴结构，D 代表副箱加大中心距，180 代表名义输入扭矩为1 800 N·m，T 代表全同步器结构，A、B 分别为不同的齿轮传动比系列速比代号。变速器编号规则如图1所示。

图1 12挡变速器编号规则

2.3 主要结构

变速器主要结构部件有变速器壳体、离合器壳体、一轴（输入轴）、中间轴总成、二轴总成（输出轴）、上盖总成、操纵总成、副箱总成、外围气路等。变速器结构如图2、图3所示。

图2 12挡变速器总成

图3 12挡变速器主箱结构

2.4 挡位形成原理及分布

12 挡变速器采用主、副箱结构设计，主箱有6 个前进挡加1 个倒挡，副箱实现高、低2 个挡转换，这样用6×2实现了12个前进挡变速，倒挡用1×2实现高低2挡变速。

变速器副箱结构如图4 所示，图4 左侧图中副箱拨叉挂在同步器低速挡区，主箱动力从副箱驱动齿传递至副箱中间轴总成、副箱主减速齿轮，经二级减速后传递至副箱主轴。图4 右侧图中副箱拨叉挂在同步器高速挡区，主箱动力从副箱驱动齿直接传递至副箱主轴。副箱高低速挡的位置通过操纵总成控制气路换向，进而控制副箱气缸高低挡位转换来实现。

图4 副箱实现高、低2挡转换

6×2 结构的 12 挡变速器空挡位置在3、4 挡，各挡位分布如图5所示。

图5 法士特12挡变速器挡位分布[8]

2.5 结构特点分析

双中间轴变速器结构特点：12挡全同步器系列变速器的主、副变速器均采用两根结构完全一样的中间轴，相间180°，动力从输入轴输入后，分流到两根中间轴上，然后汇集到主轴输出，副变速器也是如此。变速器结构简图如图6所示，对应的动力传输路线如图7所示。

图6 12挡变速器结构[8]

图7 12挡变速器动力传输路线[8]

在理论上每根中间轴只传递1∕2 的扭矩，所以采用双中间轴可以使变速器的中心距减小，齿轮的厚度减薄，轴向尺寸缩短，质量减轻，采用了双中间轴以后，主轴上的各挡齿轮必须同时与两只中间轴齿轮啮合，为了保证二轴齿轮与中间轴齿轮的正确啮合，装配过程中必须进行对齿操作。

为了满足正确的啮合并使载荷尽可能地平均分配，主轴齿轮在主轴上呈径向浮动状态，主轴则采用绞接式浮动结构，主轴轴颈插入输入轴的孔内，孔内压入含油导套，主轴轴预与导套之间有足够的径向间隙。主轴后端通过渐开线花键插入副变速器驱动齿轮孔内，副变速器驱动齿轮轴颈支撑在球轴承上。

因为主轴上各挡齿轮在主轴上浮动，这样就取消了传统的滚针轴承，使主轴总成的结构更简单。在工作时，2 个中间轴齿轮对主轴齿轮所加的径向力大小相等，方向相反，相互抵消，使主轴只承受扭矩,不承受弯矩，改善了主轴和轴承的受力状况，并大大提高了变速器的使用可靠性和耐久性。

总之，双中间变速器最大的特点是有2 根中间轴总成，二轴只承受扭矩，不承受弯矩，适合重载大扭矩工况，齿轮减薄并采用轻量化铝合金壳体可减小总成质量，有利于提高燃油经济性。

3 再制造流程

再制造原材料来源主要有4 种渠道，试验用报废变速器、生产过程中的报废品、三包内故障箱和三包外回收箱，通过清理技术、修复技术及检测手段实现零件的循环再利用，按照国家法律法规相关规定，再制造总成不允许装配在新车上，最终生产的再制造变速器总成以较高的性价比，约为同型号新总成售价的40%～60%销售至售后备件服务市场。

完整的再制造流程如图8所示。

图8 再制造流程

4 变速器再制造工艺

4.1 变速器总成外观处理

由于重型载货车往往作业工况较差，变速器总成外观油泥污垢较多，为了减轻再制造后续作业难度，改善生产作业环境，在变速器上线拆解前需要对外观进行处理，目前成本较低、效率较高的工艺方案为高压水射流清洗，可采用专用封闭式高压水射流清洗机进行清洗，或者采用超高压清洗设备进行冲洗，超高压清洗机宜选择50 MPa 以上压力，冲洗效果较好，超高压清洗机可安装喷砂嘴，利用负压原理实现喷砂，冲洗效果更好，由于超高压清洗机压力非常大，水流直射到人身上会造成严重伤害，操作时需做好防护，格外注意安全。

4.2 拆解工艺

4.2.1 拆解原则

拆解是逆向的装配过程，变速器再制造工艺中的拆解工艺至关重要，再制造不同于简单的维修或者大修，再制造工艺中拆解的原则是将总成完全拆散，拆解到最小零部件，拆解需采用专业的工具、工装进行拆解，提高效率的同时避免造成零件的损伤。例如：变速器上安装的轴承应优先使用专用的轴承拉马进行拆卸，尽量避免用敲击的方法拆卸，这样可有效避免壳体轴承孔及轴承的损伤。

4.2.2 拆解顺序

变速器拆解时遵循由外至内，由上至下的拆解顺序，先拆解为分总成，拆解的顺序依次为外围气路、操纵总成、上盖总成、离合器壳体、副箱总成、二轴总成、中间轴总成，然后将各分总成拆解为单个零件，原则上拆解至最小单元，无法继续拆卸为止。

变速器拆解完的主要分总成零件如图9 至图12所示。

图9 操纵总成、上盖分总成零件

图10 副箱分总成零件

图11 中间轴分总成零件

图12 二轴分总成零件

4.2.3 拆解方法

拆解过程中常用方法见表1。

表1 拆解过程中用到的方法

4.3 零件分类

为了对零件有效回收利用，拆解过程中的零件需要进行分类，零件分类是与拆解同步进行，边拆解边分类，这样有利于对零件的再利用，能够有效减轻后续作业的工作量。因为不同的零件处理工艺不同，所以要将完好的零件按照壳体类、轴类、齿轮类等种类进行分类，然后将各种类零件根据零件号进行细分类处理利用，而将损坏的无修复价值的零件按照材质铁、铝、铜进行分类，这样利于实现废料的回收及增值。再将损伤的、但具备修复价值的零件按照修复工艺不同进行分类留用，等待集中修复，可提高修复效率。

4.4 清洗工艺

4.4.1 清洗工艺对产品质量的影响

变速器清洗工艺至关重要，清洗工艺决定了零件的清洁度是否达标，外观件清洗干净与否直接影响产品外观喷漆质量，易造成油漆起皮、鼓包、脱落现象，影响客户对再制造产品的信心，变速器主副箱内部零件清洁度不达标会污染齿轮油，进而引起齿轮早期磨损加剧、点蚀故障，严重影响产品的使用寿命，所以清洗工艺的优劣对产品质量有着直接的影响。

4.4.2 清理及清洗工艺选择

拆解后的壳体类零件需清理干净结合面处的衬垫及密封胶，一般手工使用刮刀进行清理，壳体类零件往往采用液体喷砂工艺清理。液体喷砂是将砂（磨料）放于水中，水和砂混合，然后用磨液泵和压缩的空气，通过喷枪高速的喷射到被加工的工件上，达到对零件表面清理和光饰的目的。

齿轮类零件清洗干净油污后需进行抛丸清理，抛丸前需对磨削加工的光洁度较高的面进行防护，抛丸是一个冷处理过程，分为抛丸清理和抛丸强化。抛丸清理是为了去除表面氧化皮等杂质提高外观质量，抛丸清理可以使零件达到修旧如新的效果。

设备化的零件清洗工艺的种类多种多样，常见的清洗设备有高温通过式喷淋清洗机、超声波清洗机。喷淋式清洗机利用高温高压水射流清洗，效率较高，但清洗效果一般，适合清洗清洁度较高的零件；超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速作用和直进流作用对液体及污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。超声波清洗使用加热至70 ℃左右的高效碱性去油污清洗液，清洗油污效果非常好，清洗磨损痕迹不严重的齿轮类、轴类零件后甚至可省略抛丸清理工艺，即可以达到修旧如新的效果，超声波清洗缺点是效率相对较低。

4.5 零部件检验

检验技术几乎贯穿于整个变速器再制造流程，从回收旧箱伊始就需要进行检验，通过目视检验外观壳体是否完好、检查一轴是否能够灵活转动以及打开上盖检查主箱内部齿轮及轴是否完好，从而可以判断旧箱的再制造利用价值，并评估出合理的旧箱回收价格，进而合理控制再制造生产成本。

拆解过程也需要基本的目视检验，对明显报废且不具备修复价值的零件直接进行报废，例如齿轮的断齿、点蚀、胶合、渗碳层脱落的直观缺陷，直接通过目视判定选择报废作为原材料利用，而不必进行后续环节的处理，减轻劳动量的同时进而降低生产成本。

目视检验必要时可使用放大镜等工具辅助进行，除通过基本的目视检验，为确保再制造产品的质量及便于测量，更为专业的检验工作在零件清洗环节后进行，零件表面磨损及变形缺陷一般采用常规的测量方法测量，如使用游标卡尺、千分尺、内径量表、专用塞规等测量手段，必要时也可使用三坐标测量仪进行测量，针对表面细微裂纹再制造过程常用的检测方法有气密、磁粉、涡流、超声波无损检测技术，内部缺陷检验一般采用X 光探伤。变速器再制造过程中主要零部件常见缺陷类型及适用的检验方法见表2。

表2 变速器再制造零部件常见缺陷及检验方法

4.6 修复技术

4.6.1 常用的再制造修复技术

再制造修复技术是一种增材制造技术，目前再制造常用的修复技术主要有：激光熔覆、补焊、电刷镀、热喷涂，常见再制造修复技术分类及优缺点见表3。

表3 常见再制造增材修复技术及特点

4.6.2 激光熔覆

激光熔覆亦称激光熔敷或激光包覆，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。

激光熔覆利用激光产生高温将粉末冶金融化与基材融为一体，适用于平面、外圆及内孔的磨损修复，建议尺寸超差在0.1 mm以上选用，激光熔覆后需机械加工以满足尺寸精度及表面光洁度要求。

4.6.3 补焊

补焊是指为修补工件（包括锻件、机械加工件、铸件等）缺陷而进行的焊接。为保证焊接生产过程的正常进行，以及获得优良的焊缝，在产品制造中通常采用连续的操作。

补焊包括一般的电焊、二氧化碳保护焊、氩弧焊和冷焊技术，修复时根据不同材质的零件选择不同的焊丝及焊接工艺，补焊后往往需要进行打磨或者机械加工以满足精度要求。

4.6.4 电刷镀

电刷镀又称金属笔镀或快速电镀。借助电化学方法,以浸满镀液的镀笔为阳极,使金属离子在负极工件表面上放电结晶,形成金属覆盖层的工艺过程。镀笔为不溶性阳极,镀液采用有机络合物的金属盐水溶液,刷镀时镀笔与工件表面接触并不断地移动。

电刷镀是利用多种电解液的化学反应在基材表面电镀一层金属，可修复尺寸量不大，一般尺寸超差小于0.1 mm 内建议使用，超差尺寸超过0.1 mm 使用电刷镀效率较低，且附着力下降，影响修复效果，刷镀后一般不需要机加工就可满足尺寸精度及表面光洁度要求。

4.6.5 热喷涂

热喷涂，是指将涂层材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，并高速喷射到工件表面，形成涂层。根据需要选用不同的涂层材料，可以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热方面的一种或数种性能。

常见的喷涂有电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂。电弧喷涂使用的原材料为焊丝，等离子喷涂使用的原材料为粉末冶金，喷涂适用于平面、外圆、内孔的磨损修复，由于喷涂效率较高，因此修复面积越大越适合使用喷涂进行修复，喷涂前需要对加工面进行喷砂处理，使零件表面粗糙度增加，提高喷涂金属层附着力。喷涂一般不适用于修复尺寸超差过大的表面，因为效率较低，且喷涂尺寸过厚会导致附着力下降，在机械加工时容易产生金属层脱落。

以上几种常见修复技术除电刷镀外，其余修复技术往往需要再次机械加工才能够满足零件精度要求。

4.7 零件配送

装箱零件的配送有2种模式：（1）单台配送，（2）集中配送。单台配送一次只配送一台份零件，优点是装配时不易出错，缺点是配送效率较低，而集中配送为一次性配送多台份的零件，优点是能够提高配送的效率，但缺点是装配时，如果变速器型号变化需仔细核对零件，否则很容易出现错装。

如果再制造订单品种杂、批量小，宜选择单台配送模式，而如果再制造订单品种少、批量大，则宜选择集中配送模式，这样有利于提高配送及装配效率。

同一系列不同型号的变速器上的螺栓、螺母、轴承等标准件往往是通用的，这类的零件使用批量大，所以往往都采用集中配送。

无论采用哪种配送模式配送零件均应严格按照装配BOM执行。

4.8 装配试车

再制造变速器总成的装配工艺与装配新变速器总成的工艺是一致的，无论是零件表面质量的要求、清洁度的要求、外观的要求、螺栓拧紧力矩的要求、密封试验的要求都等同于装配新变速器总成，而再制造总成的试车过程则更加严苛，往往采用加载试验以及延长试车时间，确保再制造总成的产品质量不低于新总成。由于再制造总成使用的零件多数为旧件，磨合程度较好，且已经过一段时期的使用验证，因此再制造变速器总成在噪音控制及故障PPM 值可以做到较新变速器总成更低。正是因为再制造产品严谨的工艺确保了质量可靠性，所以再制造产品提供与新产品一样的三包服务政策和售后服务体系。

5 结论

再制造是指将废旧产品恢复到其质量特性不低于新品的制造过程。再制造产品与制造新品相比，成本仅为新品的50%左右，节能60%，节材70%，减排80%以上，对资源节约和生态环境保护贡献显著。再制造已成为建设资源节约型、环境友好型社会，促进生态文明建设的有效手段。

总之，再制造不是简单的翻新、维修、大修，它以装备的全寿命周期理论为指导，以实现废旧装备性能提升为目标，以优质高效、节能环保为准则，使用先进的技术和产业化的生产为手段，进行修复、改造废旧装备，再制造不但能延长产品的使用寿命，提高产品技术性能和附加值，还可以为产品的设计、改造和维修提供信息，最终以最低的成本、最少的能源资源消耗完成产品的全寿命周期。随着国家对碳排放要求越来越严格，以及再制造相关政策导向扶持，再制造作为绿色低碳的循环经济的支柱产业具有越来越广阔的发展前景。