變速箱撥叉斷裂原因分析與改進

高東海

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211806）

前言

某型變速箱在開發(fā)初始階段，進行道路試驗和臺架試驗時，出現(xiàn)了數(shù)起變速箱無法掛入一二檔，一二檔換檔功能失效的故障。對故障變速箱進行拆解后，發(fā)現(xiàn)一二檔撥叉出現(xiàn)了斷裂，如圖 1。為了使變速箱開發(fā)過程順利進展，按期實現(xiàn)新產(chǎn)品的上市，亟待找出斷裂原因并采取相應(yīng)措施以保證產(chǎn)品的可靠性。

1 撥叉的結(jié)構(gòu)及工作要求

一二檔撥叉斷裂的變速箱為一款6檔變速箱，受限于整機的空間布置尺寸和減重要求，其一二檔撥叉采用“鋁合金叉體”鑲嵌“鋼板叉臂”的結(jié)構(gòu)設(shè)計。與操縱機構(gòu)換檔指所接觸的叉臂采用4 mm厚的鋼板沖壓成形，其卷圓的末端埋置鑲嵌于鋁合金撥叉的叉轂內(nèi)，鋁合金叉體壓力鑄造成形。為保證鋼臂鑲嵌的牢固度，埋于撥叉叉轂內(nèi)的鋼臂卷圓部位開設(shè)有兩個長腰形槽孔，撥叉鋁合金實體將鋼臂卷圓部位均勻包裹，并嵌入卷圓部位的槽孔內(nèi)。鋼臂的直板體根部沉入鋁叉體內(nèi)，除外表面裸露外其余三個表面均與鋁合金貼合接觸。其結(jié)構(gòu)如圖2示。撥叉叉體材料牌號為鋁合EN AC-AlSi9 Cu3，鑲嵌件材料為鋼16MnCr5。

該撥叉在變速箱內(nèi)工作時，沿自身軸向往復(fù)推動同步器齒套前后運動以掛入一檔或二檔，朝向鋼臂懸伸一側(cè)方向運動為掛入二檔，反之為掛入一檔，撥叉承受著軸向的往復(fù)循環(huán)載荷，工作載荷在600 N～700 N范圍內(nèi)。根據(jù)變速箱換擋機構(gòu)耐久試驗規(guī)范和撥叉實際工作要求，一二檔撥叉的疲勞壽命需要≥184800次，在此期間內(nèi)撥叉不應(yīng)出現(xiàn)開裂、斷裂或變形等失效現(xiàn)象。

圖1 斷裂的一二檔撥叉實物

圖2 一二檔撥叉的結(jié)構(gòu)

2 斷裂原因分析

道路試驗出現(xiàn)斷裂的 2件撥叉僅運行了 800 km、2000 km，臺架試驗出現(xiàn)斷裂的撥叉經(jīng)過了 11萬次循環(huán)，尚未達到耐久試驗規(guī)范要求值。從已斷裂的撥叉實物看，斷裂處均出現(xiàn)在鋼臂與鋁叉體貼合部位附近，且由二檔方向向一檔方向開裂擴展，數(shù)件斷裂撥叉的斷口形貌特征基本相似。

2.1 結(jié)構(gòu)強度有限元分析

撥叉叉轂埋置鋼臂直板根部區(qū)域處的鋁合金實體截面面積較相鄰區(qū)域小，存在著截面突變。由一般經(jīng)驗推測，此處的強度較其余部位可能會薄弱，從斷裂實物看，撥叉即從二者轉(zhuǎn)接處開裂。故對撥叉進行有限元分析以校核其結(jié)構(gòu)強度。

將Creo中創(chuàng)建的撥叉3D模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，進行必要的編輯。 之后選用 ABAQUS中的實體單元類型610407 C3D 10M進行離散，單元尺寸1 mm，離散后的有限元模型包含704730個單元。

圖3 約束定義和載荷施加圖

定義鋁合金叉體和嵌鋼臂之間的接觸關(guān)系為tie，定義撥叉腳孔與其孔內(nèi)安裝的擺塊、撥叉轂孔與其內(nèi)的叉軸接觸類型為contact。對撥叉軸兩端進行x、y、z向約束，對弧形叉體圓心進行y、z向約束。載荷作用于叉臂U形槽口處，載荷分為兩種工況：換入2檔，撥叉承受拉力；換入1檔，撥叉承受推力，定義載荷大小為700 N。定義的約束和載荷如圖3。

鋁合金材料為EN AC-AlSi9Cu3，屈服強度Rp0.2為 140 MPa，拉伸強度Rm 為240 MPa，彈性模量75940 MPa，泊松比0.3 ；嵌鋼臂材料為16MnCr5，彈性模量210000 MPa，泊松比0.3。

之后進行計算，計算畢的“換入2檔”時鋁合金叉體應(yīng)力云圖如圖 4，其最大應(yīng)力點出現(xiàn)在嵌鋼臂與鋁叉體貼合部位朝向2檔的端面拐角處，最大應(yīng)力值為74 N/mm2，小于鋁合金材料的屈服強度極限 140 MPa，安全系數(shù)為 140/74=1.89。

圖4 “換入2檔”時撥叉體應(yīng)力云圖

計算畢的“換入1檔”時鋁合金叉體應(yīng)力云圖如圖5，其最大應(yīng)力點出現(xiàn)在嵌鋼臂朝1檔的端面與鋁叉體貼合部位的拐角處，最大應(yīng)力為64.7 N/mm2，小于鋁合金材料的屈服強度極限140 MPa，安全系數(shù)為140/64.7 = 2.16。

圖5 “換入1檔”時撥叉體應(yīng)力云圖

從計算結(jié)果看，兩種工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋁合金包裹嵌鋼件直板體根部區(qū)域附近的截面突變處，正是已斷裂撥叉斷裂裂口處。但最大應(yīng)力值約為其屈服強度極限的一半，撥叉的強度可以滿足使用要求，受限于空間布置而采用的鑲嵌結(jié)構(gòu)設(shè)計并非不合理。

2.2 鑄造質(zhì)量的檢查分析

對斷裂撥叉的硬度、化學成分、金相顯微組織等項目進行檢測分析。

檢驗撥叉斷口附近的表面硬度，硬度測定為：92.8-81.7（HBW5/250），符合 EN1706-1998《鋁及鋁合金-鑄造-化學成分和機械性能》標準的要求。

采用光電直讀光譜分析儀，根據(jù) GB/T7999-2007《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》標準對斷裂撥叉進行化學成分分析，結(jié)果如表1。由表1 可見，撥叉鋁合金材料所含的 Si 、Cu、 Mn、Mg 、Ti等元素含量符合材料技術(shù)要求，但鐵元素含量較高，超過技術(shù)要求的上限。在眾多雜質(zhì)元素中，對鋁合金組織及力學性能影響最大的是鐵元素。

鐵元素一直被當作鋁合金中的有害元素，極難溶于鋁中，共晶點的鐵含量為 1.8%，不會固溶超過 1.9%，超過這個數(shù)值，鐵會與鋁化合成一種中間相，該相組織粗大、尖銳，會影響合金總體的力學性能。

表1 撥叉化學成分分析結(jié)果

觀察已斷裂的數(shù)件撥叉，其斷口宏觀特征基本相似，如圖 6。開裂方向為從二檔方向向一檔方向擴展至斷裂，斷口較平整，呈現(xiàn)脆性斷裂形貌。在體視顯微鏡下觀察，在斷口表面可以看見閃閃發(fā)亮的小平面，如圖7。

圖6 斷口宏觀形貌特征

圖7 斷口斷面發(fā)亮小平面的形態(tài) 20倍

斷口表面閃閃發(fā)亮的小平面說明鑄件內(nèi)存在較大的脆性相。在靠近斷裂部位取樣，經(jīng)磨制拋光后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織，整個拋光面呈現(xiàn)出密集的縮松、氣孔和夾雜等缺陷，見圖8。經(jīng)浸蝕后，顯微組織除了“α(Al)+條片狀共晶Si”和少量塊狀初晶Si外，還出現(xiàn)了較多且大的條片狀β相（Al9Si2Fe2），見圖9。

圖8 密集狀的顯微縮松、氣孔、夾雜等缺陷

顯微縮松、氣孔和夾雜等缺陷較多，尤其顯微縮松較為嚴重，會導(dǎo)致萌生微裂紋，促進了裂紋的形成和擴展。顯微組織中長條狀脆性β相（Al9Si2Fe2）較多，局部區(qū)域β相（Al9Si2Fe2）較長而集中，增加了零件的脆性，惡化了加工和使用性能，增加了零件斷裂的危險性。

圖9 浸蝕后粗大的條片狀β相和顯微縮松 400倍

3 改進措施

3.1 壓鑄質(zhì)量改進

為了提高鑄件的力學性能，必須嚴格控制鋁合金中的元素含量，盡量降低有害雜質(zhì)元素Fe的含量；為了提高鑄件強度，必須改進鑄造工藝來減少氣孔和縮松等缺陷。

首先對熔煉前購進的合金鋁錠進行原材料化學成分檢測，嚴格控制Fe元素含量，保證進廠原材料的質(zhì)量。對于使用的料頭、溢流塊和報廢鑄件等回爐料，必須與新料嚴格按一定比例配用，回爐料占爐料總重量的比例應(yīng)小于40%?；貭t料表面有油污的要先燒除后再壓入鋁液中。

鋁液在熔煉爐內(nèi)熔化，熔煉溫度為650～720℃，適量增加精煉劑、除渣劑用量，進行爐內(nèi)精煉與造渣，除去鋁液中的氣體和雜質(zhì)。待熔化的鋁液面升至正常值同時鋁液溫度達到 700℃時，從保溫爐口舀取試樣進行化學成分分析，鋁液的化學成分須滿足要求。

對嵌鋼件進行清洗，去除其表面的油跡、浮塵等，嵌鑄前先將鋼件預(yù)熱至150～250℃并保溫。

為減少零件內(nèi)部存在氣孔、縮孔，關(guān)鍵是要調(diào)整好壓射參數(shù)，使鋁液中的氣體盡量有效排出，剩余少量氣孔呈彌散分布于內(nèi)部，而不至于穿透斷面導(dǎo)致零件強度下降。壓鑄設(shè)備為“伊之密400 t”壓鑄機，調(diào)整工藝參數(shù)，系統(tǒng)壓力16 MPa，高速儲能14 MPa，增壓儲能14 MPa，壓射時間4 s，冷卻時間6 s，高速開度4.3轉(zhuǎn)，高速位置295 mm，增壓開度4轉(zhuǎn)，增壓位置330 mm，慢速流量 60%，儲能時間2 s，頂出延時2 s，頂回延時2 s。

3.2 撥叉結(jié)構(gòu)改進

CAE分析計算是將撥叉看作不含任何缺陷的理想結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果表明，撥叉的結(jié)構(gòu)強度可以滿足使用要求，安全系數(shù)約為 2。考慮到實際批量生產(chǎn)過程中難以徹底消除縮孔縮松的微觀缺陷，除了嚴格控制壓鑄過程相關(guān)因素保證撥叉壓鑄質(zhì)量外，另在撥叉結(jié)構(gòu)上進行局部調(diào)整以加強其安全系數(shù)。由于鑲嵌結(jié)構(gòu)的設(shè)計，叉體包裹嵌鋼件的部位鋁合金實體占比較少，嵌鋼臂直片體根部沉入叉體部位的鋁合金斷面面積變化較突然，是撥叉結(jié)構(gòu)相對較薄弱的區(qū)域，結(jié)構(gòu)改進重點圍繞增加鑲嵌區(qū)域鋁合金實體體積進行。

首先，調(diào)整沉槽深度。撥叉的內(nèi)圓弧面上分布著5 個沉槽，槽深度 3 mm，沉槽的存在一方面在撥叉內(nèi)圓弧上形成加強筋以提高其剛度，另一方面減重。其中間頂部的沉槽靠近鋁合金包裹嵌鋼件的部位，由于嵌鋼臂卷圓體占據(jù)了撥叉叉轂的一部分實體空間，此沉槽處的鋁合金實體占比較少，為此將該沉槽深度調(diào)整為2 mm，如圖10。

圖10 沉槽修改前后

其次，調(diào)整嵌鋼件局部尺寸。嵌鋼臂的直片體與卷圓體之間為一含R10圓角的直邊過渡，與其鄰接的鋁合金實體材料包圍在該直角邊之外，該過渡處的鋁合金相應(yīng)的斷面變化較突然。為減緩此處斷面軸線方向上的變化幅度，將嵌鋼臂的該處調(diào)整為兩個小直角過渡，同時增加了鋼件與鋁件的接觸面積。另將鋼件卷圓體上的兩個長腰形槽的寬度由 5 mm調(diào)整為6 mm，增加鑲嵌的牢固度，如圖11。

圖11 嵌鋼件修改前后

4 改進后的可靠性驗證

在對撥叉結(jié)構(gòu)尺寸進行局部調(diào)整后，修改嵌鋼臂的沖壓模具和鋁叉體的壓鑄模具，嚴格控制撥叉壓鑄生產(chǎn)各工藝要素，重新組織生產(chǎn)了一批撥叉。

圖12 改進后拋光面中心區(qū)的少量分散縮松和顯微組織

對改進后生產(chǎn)出的撥叉在易開裂處斷面附近取樣，進行金相組織檢查，整個拋光面的中心區(qū)域有僅有少量分散的顯微縮松，顯微組織為α相（Al）+共晶 Si和少量初晶Si，未再看到β相（Al9Si2Fe2），金相組織圖片如12。

分別取改進前的3件、改進后的3件撥叉進行靜強度破壞性試驗，以對比驗證其改善效果。

如圖13，設(shè)計帶長柄的法蘭壓頭、中間開圓通孔并開有3處盲孔的等邊三角形板等專用工裝，用三角形板將3根撥叉軸立式支撐起來。將一二檔撥叉穿在其中一根撥叉軸上，撥叉嵌鋼件的U形槽卡在叉軸的銷子上，同步器齒套卡在撥叉叉腳擺塊上。將帶長柄的法蘭壓頭壓在同步器齒套端面上，壓頭尾部的長柄從三角形板的圓孔中露出。伺服壓力機施加載荷于長柄尾部，直至將撥叉壓斷裂，考核其斷裂的極限壓力。撥叉嵌鋼臂朝上安裝時為模擬其換入二檔時的受載狀態(tài)，嵌鋼臂朝下時為模擬其換入一檔時的受載狀態(tài)。

圖13 撥叉結(jié)構(gòu)靜強度破壞性試驗

伺服壓力機的壓頭上安裝有應(yīng)變傳感器（interface 50 KN，MFG），由傳感器實時記錄壓力與行程的變化數(shù)據(jù)，記錄的壓力與行程關(guān)系曲線如圖14，圖中每條曲線的第一個峰值拐點為撥叉出現(xiàn)開裂時的壓力值。由圖17可看出，改進后的撥叉換入二檔方向出現(xiàn)開裂的載荷值為改進前的2倍，開裂失效的載荷大于5000 N；換入一檔方向出現(xiàn)開裂的載荷值為改進前的1.8倍，開裂失效的載荷大于9000 N。改進后的撥叉靜強度較改進前有大幅提升。

圖14 撥叉破壞性試驗壓力與行程關(guān)系

對改進后的撥叉進行耐久疲勞壽命臺架試驗和道路試驗，以驗證其疲勞強度。將改進后一二檔撥叉隨變速箱整機按“IVECO 16-6515標準”進行“同步器和換擋機構(gòu)耐久性”臺架試驗，以驗證其耐久疲勞強度。按標準完整地進行“標準型+苛刻型”試驗后，拆解變速箱觀察撥叉外觀，未發(fā)現(xiàn)有異常。再合成變速箱加倍進行第二輪試驗，拆解雙倍試驗畢的變速箱，采用無損著色探傷法對撥叉進行檢測，亦未發(fā)現(xiàn)有微觀裂紋，如圖15。將撥叉搭載于整車進行道路試驗，10萬公里后亦未發(fā)現(xiàn)異常。

圖15 經(jīng)過兩輪臺架耐久試驗畢的撥叉

臺架試驗和道路試驗結(jié)果表明，改進后的撥叉強度和可靠性完全滿足使用要求。改進后的撥叉已隨變速箱按原定節(jié)點順利投放市場，上市近兩年，無斷裂故障反饋。

5 結(jié)論

針對鑲嵌鋼件的鋁合金撥叉在臺架試驗和道路試驗中出現(xiàn)的斷裂故障現(xiàn)象，進行了CAE有限元分析，結(jié)果表明其強度滿足要求，安全系數(shù)為 2。對斷裂件的化學成分、金相顯微組織進行分析，其Fe元素含量超上限，金相組織中條片狀β相（Al9Si2Fe2）較多且粗大；存在著較密集的縮松、氣孔和夾雜等缺陷。為了控制Fe元素含量和減少條片狀β相，消除組織缺陷，生產(chǎn)中嚴格控制地鋁合金的原材料成分和熔煉、壓鑄工藝過程參數(shù)；為了提高撥叉的安全系數(shù)，對撥叉的結(jié)構(gòu)進行了局部修改，增加鑲嵌過渡處鋁合金實體的體積。對整改后的撥叉進行靜強度破壞性試驗和疲勞耐久試驗，結(jié)果表明，整改后的撥叉完全滿足使用要求，并已隨新車順利上市。