自動變速器單向離合器故障分析

武嘉文，馬靜，柴召朋，趙彥輝，楊林

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自動變速器單向離合器故障分析

武嘉文，馬靜，柴召朋，趙彥輝，楊林

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

論文通過研究自動變速器單向離合器的故障機(jī)理和故障工況，并通過試驗(yàn)手段在實(shí)車環(huán)境下再現(xiàn)了單向離合器失效故障，根據(jù)對單向離合器失效故障發(fā)生的機(jī)理制定了滾柱式單向離合器主要元件異形彈簧的管控的優(yōu)化措施和方向。為單向離合器的設(shè)計優(yōu)化提供借鑒和參考。

單向離合器；滾柱式；異形彈簧

引言

自1982年以后，自動變速箱中單向離合器越來越普及，特別是在中高級車型中。起作用主要是解決車輛啟動時，因油泵轉(zhuǎn)速較低導(dǎo)致油壓不足離合器未完全結(jié)合產(chǎn)生滑摩，以及解決因轉(zhuǎn)速不匹配導(dǎo)致的換擋沖擊問題。雖然液力變矩器在消除換擋沖擊中可起到重要的作用，但單向離合器是用于消除換擋，特別是降檔沖擊的方法中效果最好的一種。

單向離合器主要分為滾柱式和楔塊式。其中滾柱式又可根據(jù)外圈楔形角不同分為平面型，對數(shù)螺旋型，偏心圓柱面型，由于滾珠在內(nèi)外環(huán)間能自由轉(zhuǎn)動，磨損小且均勻，短時過載、滾柱打滑不會損壞離合器，扭矩減小后離合器仍能正常工作，適合在任何轉(zhuǎn)速差下結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，滾柱式單向離合器在6速、8速等自動變速器中應(yīng)用廣泛，但其具有傳扭能力較低的缺點(diǎn)；楔塊式單向離合器，由于接觸面曲率半徑大，楔塊數(shù)量多，瞬間結(jié)合性好，可承載較大扭矩，相同滾道直徑下，承載能力通常為滾柱式的5~10倍，但其超越過程中楔塊與自由滾道為靜摩擦，在高速超越工況下會降低離合器壽命；近年來新問世的新型楔塊式超越離合器，工作中當(dāng)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值時，由于離心力作用，偏心楔塊與內(nèi)外圈分離增加了工作的可靠性，但該種單向離合器尚未在工程上得到廣泛應(yīng)用。

1 故障現(xiàn)象

自動變速箱機(jī)構(gòu)中單向離合器在一次駐車試驗(yàn)后，偶然發(fā)現(xiàn)其發(fā)生了整周異形彈簧失效的現(xiàn)象，并在隨后的多次駐車試驗(yàn)驗(yàn)證中再現(xiàn)了故障。雖然滾柱式單向離合器中的壓緊元件——異形彈簧，由于是滑動件，存在易發(fā)生卡滯、斷裂等問題，且在行業(yè)內(nèi)前期的研究中，就有過因彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷造成彈簧長期在高切應(yīng)力狀態(tài)下工作，導(dǎo)致發(fā)生塑性變形甚至疲勞斷裂的現(xiàn)象，并在臺架試驗(yàn)中得到過驗(yàn)證，但本次單向離合器彈簧失效的導(dǎo)致原因值得在日后的單向離合器設(shè)計中引起注意。

此次自動變速箱機(jī)構(gòu)中單向離合器的失效表現(xiàn)為，整周異形彈簧全部壓并失效，滾道內(nèi)、外圈表面有明顯壓痕，已經(jīng)失效的單向離合器在低扭矩工況，即實(shí)車常規(guī)工況下仍具有制動及超越的能力，無異響等現(xiàn)象。

滾柱式單向離合器異形彈簧的作用是給滾柱一定的初始力，由于單向離合器工作時，滾子始終受到旋轉(zhuǎn)離心力的作用，因而總是試圖從與外圍的接觸點(diǎn)向外偏移。所以，必須借助彈簧將滾子向開口槽小端壓緊，以制止這種偏移，彈簧的使用壽命成為影響離合器壽命的至關(guān)重要的因素。異形彈簧失效可能導(dǎo)致滾子脫出、打斜，單向離合器失效，甚至影響自動變速箱的正常傳動。

2 故障分析

2.1 試驗(yàn)過程單向離合器受力分析

圖1 單向離合器工作機(jī)構(gòu)示意圖

元件1：太陽輪；元件2：行星架；元件3：行星齒輪；元件4：外齒圈；元件5：單向離合器；元件6：制動器

駐車試驗(yàn)工況

實(shí)車滿載，在一定坡度工況下，根據(jù)駐車機(jī)構(gòu)耐久考核試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，上、下坡各進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的試驗(yàn)循環(huán)。

由于P擋及N擋，各離合器、制動器均沒有油壓，行星機(jī)構(gòu)不形成傳動比，單向離合器不應(yīng)承載扭矩。即使離合器存在油壓，根據(jù)傳動比計算，整車滿載自重反拖施加在單向離合器上扭矩約為300NM，小于其額定設(shè)計承載能力約1200NM。

2.2 宏觀分析

圖2 失效后單向離合器異形彈簧

圖3 失效單向離合器內(nèi)圈

圖4 失效單向離合器滾子

圖5 外圈基圓直徑檢測

圖6 內(nèi)圈滾道直徑檢測

圖7 內(nèi)圈滾道圓度及圓柱度檢測

圖8 內(nèi)圈壓痕深度檢測

2.3 單向離合器承載扭矩異常原因

分析為坡路上掛入P擋，半軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，擋P擋拔出時扭矩釋放，外齒圈發(fā)生扭轉(zhuǎn)，或者說有扭轉(zhuǎn)的趨勢，此時太陽輪的動作未能跟隨，從實(shí)測波形上看，來自齒圈的輸入速度為幾個毫秒，結(jié)果導(dǎo)致單向離合器承受了沖擊扭矩，即表現(xiàn)為異常的過載扭矩。

3 結(jié)果與討論

3.1 單向離合器失效故障的原因

后對異形彈簧進(jìn)行了改善設(shè)計，有效地改善了這一問題。通過檢測數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此次故障為變速器單向離合器異形彈簧設(shè)計對使用工況評估不足，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中單向離合器失效。

3.2 單向離合器異形彈簧設(shè)計的建議

異形彈簧設(shè)計時通常注意以下內(nèi)容：

（1）彈簧的壓縮量應(yīng)控制在其自由長度的20~30%；

（2）彈簧的材料盡量選擇琴鋼絲、碳素鋼絲，也可選不銹鋼絲；

（3）為保證其性能，材料須經(jīng)過熱處理，一般琴鋼絲熱后HRC45~50，成型后均需做定型處理；

（4）彈簧的細(xì)長比應(yīng)控制在4:1以內(nèi)。

彈簧力的設(shè)計考慮以下兩種極限情況：

（1）為保證離合器各滾柱楔緊之后受力均勻，提高離合器承載能力并減少其空程角，離合器自由旋轉(zhuǎn)時，各滾柱須始終保持與內(nèi)圈接觸，不能產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，因而彈簧力不能過小。

（2）自由旋轉(zhuǎn)時，滾柱與內(nèi)圈應(yīng)為滾動摩擦而不是滑動摩擦，因此彈簧力不能過大；一面滾出局部迅速磨損降低離合器壽命。

因此彈簧力需設(shè)定在上述兩種極限情況之間，滿足極限使用工況。此外，零件耐久性能與傳動效率之間的平衡，在零件設(shè)計過程中也應(yīng)給予考慮。

[1] 賀萍等.汽車自動變速器辛普森機(jī)構(gòu)中單向離合器的作用分析.[J]深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.

[2] 龔正等.滾柱式超越離合器關(guān)鍵零件力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)的研究.

The analysis of a type of one-way clutch applying to automatic transmission

Wu Jiawen, Ma Jing, Chai Shaopeng, Zhao Yanhui, Yang Lin

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this article, through studying the failure mechanism of the one-way clutch applying to automatic transmission,under the vehicle failure condition of real using experiment method. Provide an optimization measure on wire spring,the key part of one-way clutch. According to the study results, the author provides reference of design of the differential.

One-way clutch; Roller-type; Wire spring

U467

B

1671-7988(2019)08-133-03

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1671-7988(2019)08-133-03

武嘉文，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.042