某車型低溫起動(dòng)時(shí)變速器異響問題研究

孫鵬翔 楊菲菲

（1.一汽-大眾汽車有限公司轎車二廠質(zhì)保部,長春130011；2.中國第一汽車集團(tuán)有限公司質(zhì)保部,長春130011）

主題詞：變速器 異響 同步環(huán) 冷啟動(dòng)

1 引言

變速器異響是汽車的一種常見故障，由于變速器內(nèi)部齒輪眾多，嚙合工況復(fù)雜，變速器是很容易產(chǎn)生異響故障的部件之一。如果發(fā)生異響，很可能變速器內(nèi)部已發(fā)生故障，必須立即檢查維修，否則可能導(dǎo)致變速器的永久性損壞[1-3]。

自2014年冬季開始，某品牌車型出現(xiàn)市場抱怨，車輛在冬季低溫冷起動(dòng)并進(jìn)入怠速(環(huán)境溫度＜-10 ℃)時(shí)，變速器發(fā)出“咔咔”異響。異響在車輛起動(dòng)5～10 min后消失。對變速器進(jìn)行拆解分析，所有齒輪、軸承類零件均沒有損壞失效痕跡，無法判斷故障來源，只能更換變速器總成，給公司造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)場分析表明，車輛起動(dòng)后，在車內(nèi)能明顯聽見異響。踩下油門，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，異響頻率也隨之加快。踩下離合器，異響立即消失。將故障車變速器與正常車輛進(jìn)行對換，異響隨變速器轉(zhuǎn)移，由此初步判斷異響來自變速器內(nèi)部。

2 基于數(shù)據(jù)和零件替換試驗(yàn)的異響來源分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

按抱怨日期統(tǒng)計(jì)，每年冬季(11 月至次年3 月)故障數(shù)明顯上升。地域上，黃河以北區(qū)域明顯高于其他區(qū)域。

按變速器生產(chǎn)日期統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2014年之前沒有抱怨產(chǎn)生。追溯2014年生產(chǎn)變化點(diǎn)如下。

a.3 擋、4 擋同步環(huán)技術(shù)更改，摩擦面材料由燒結(jié)銅、噴鉬兩種材質(zhì)變?yōu)樘祭w維；

b.齒輪油供應(yīng)商發(fā)生變更。

2.2 零件替換試驗(yàn)

根據(jù)上面的判斷，對故障車進(jìn)行了如下試驗(yàn)。

a.更換同類型新的齒輪油，待車輛完全冷卻后試車。異響沒有消失；

b.在車輛怠速時(shí)，不踩離合器，將換擋桿輕輕向3擋、4 擋方向推動(dòng)(不掛入擋位)，試車后異響消失。將故障車變速器進(jìn)行拆解，觀察3擋、4擋同步環(huán)未發(fā)現(xiàn)損傷。更換新的同步環(huán)并重新試車，異響消失。

根據(jù)上述試驗(yàn)，基本確認(rèn)異響來自3擋、4擋同步環(huán)(該車型變速器3擋、4擋同步環(huán)完全相同，數(shù)據(jù)分析表明4擋異響占異響總數(shù)約80%)。

2.3 小結(jié)

基于上面的數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)變化點(diǎn)追溯以及零件替換試驗(yàn)，初步判斷異響可能的原因?yàn)樽兯倨魃a(chǎn)廠在變更同步環(huán)與齒輪油時(shí)，沒有進(jìn)行充分的產(chǎn)品驗(yàn)證與認(rèn)可導(dǎo)致售后市場產(chǎn)生用戶抱怨。

3 異響產(chǎn)生原因

3.1 異響頻譜分析

利用Spectrogram 軟件，對異響音頻進(jìn)行了頻域-時(shí)域分析，如圖1所示，結(jié)果如下。

a.異響在時(shí)域上是不連續(xù)的，分布無規(guī)律；

b.異響在頻域上自0～10 kHz 均有分布，各個(gè)頻域聲強(qiáng)基本呈均勻分布，沒有特別的聲強(qiáng)波峰頻率。

與齒輪異響和軸承異響的頻域-時(shí)域分析(圖2、圖3)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，低溫同步環(huán)異響與后兩者有很大區(qū)別。齒輪異響在時(shí)域上呈周期分布，這是由齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)和嚙合的周期特性決定的。例如，圖2是一臺(tái)差速器主減速齒損傷異響的頻域-時(shí)域分析圖，可以很明顯的看到1 kHz左右頻域有明顯異響周期性峰值。而軸承異響一般在頻域上有非常明顯的波峰，在時(shí)域上一般呈連續(xù)分布，如圖3所示。

圖1 低溫變速器異響頻域-時(shí)域分析

基于以上分析，進(jìn)一步排除了齒輪或軸承產(chǎn)生異響的可能性。而同步環(huán)低溫工況下產(chǎn)生異響的原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)怠速、低速時(shí)其轉(zhuǎn)速波動(dòng)使得非工作的3擋、4 擋同步環(huán)在低溫齒輪油潤滑不好時(shí)，同步環(huán)發(fā)生軸向激振，與換擋齒輪和同步器發(fā)生無規(guī)律隨機(jī)碰撞產(chǎn)生。

圖2 齒輪異響頻域-時(shí)域分析

圖3 軸承異響頻域-時(shí)域分析

3.2 變速器拆解分析

3.2.1 同步環(huán)尺寸差異

可能影響異響產(chǎn)生的尺寸有：

a.同步環(huán)軸向結(jié)構(gòu)尺寸；

b.內(nèi)錐面錐角；

c.內(nèi)錐面錐深度；

d.內(nèi)錐面油槽尺寸。

對比測量發(fā)現(xiàn)，故障同步環(huán)的內(nèi)錐面油槽寬度和長度尺寸小于圖紙下限值，如圖4所示。油槽的作用是換擋時(shí)切斷同步環(huán)和換擋錐面的油膜，幫助產(chǎn)生摩擦力。在怠速時(shí)可以起到存貯一部分潤滑油，幫助潤滑的作用。過小的油槽尺寸不利于怠速時(shí)同步環(huán)和換擋錐面之間的潤滑。

我國社會(huì)發(fā)展階段是以集體利益的增長為目標(biāo)進(jìn)行的，個(gè)人也要以集體為重，當(dāng)個(gè)人價(jià)值觀與集體價(jià)值觀發(fā)生碰撞時(shí)，個(gè)人應(yīng)當(dāng)服從集體。西方國家在此方面截然不同，是將個(gè)人放在首位，對利益的理解也是先個(gè)人，后集體。由于國情不同，交易的思維方式也必然存在差異?？鐕Q(mào)易順利開展首先要處理好這兩者之間的關(guān)系，以雙方樂于接受的方式進(jìn)行翻譯。思維方式的差異還表現(xiàn)在對時(shí)間的記錄形式上，國內(nèi)習(xí)慣的方式是由大到小，依次為年、月、日，以及準(zhǔn)確的時(shí)間。西方國家則有不同的習(xí)慣，在跨文化商務(wù)交際中要確保正確使用，以免不必要的誤會(huì)與爭議。

圖4 同步環(huán)油槽尺寸差異

3.2.2 同步環(huán)材質(zhì)差異

上文曾述，2014年后3擋、4擋同步環(huán)內(nèi)錐面摩擦材料切換為碳纖維材料。而在此之前使用的燒結(jié)青銅和噴鉬材質(zhì)同步環(huán)在售后從未出現(xiàn)異響抱怨。對比發(fā)現(xiàn)，碳纖維材料動(dòng)摩擦系數(shù)（0.11～0.12）高于燒結(jié)青銅和噴鉬材料（0.07～0.08）。碳纖維材料由于其較高的摩擦系數(shù)，有利于提高換擋舒適性和換擋速度。但同時(shí)增加了在冷啟動(dòng)時(shí)，同步環(huán)與換擋錐面之間的摩擦力矩。

使用燒結(jié)青銅同步環(huán)代替故障變速器中的碳纖維同步環(huán)，故障消失。證實(shí)了同步環(huán)摩擦面材料對異響產(chǎn)生具有決定影響。

3.2.3 尺寸鏈分析—同步環(huán)軸向間隙

計(jì)算3擋、4擋同步環(huán)所在的輸入軸總成尺寸鏈，如圖5所示。尺寸鏈計(jì)算關(guān)系如下。

式中，Sx為同步環(huán)內(nèi)錐面基準(zhǔn)圓與同步器齒座內(nèi)端面之間的軸向間隙尺寸；ax為換擋齒輪外錐面基準(zhǔn)圓與齒輪端面距離；bx為換擋齒輪外錐面基準(zhǔn)圓與同步器齒座內(nèi)端面距離；cx為同步環(huán)內(nèi)錐面基準(zhǔn)圓與換擋齒輪端面距離。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，S4要比S3大0.1 mm。較大的軸向間隙顯然更容易使同步環(huán)產(chǎn)生振動(dòng)異響。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果也解釋了售后市場上4擋同步環(huán)異響抱怨數(shù)明顯多于3擋的現(xiàn)象。

圖5 尺寸鏈計(jì)算

3.3 小結(jié)

綜合上述分析，導(dǎo)致同步環(huán)振動(dòng)異響原因如下。

a.同步環(huán)內(nèi)錐面油槽尺寸不合格；

b.未經(jīng)過充分試驗(yàn)驗(yàn)證的碳纖維摩擦材料在同步環(huán)上的使用；

c.不合理的同步環(huán)軸向間隙設(shè)計(jì)。

通過大量的試驗(yàn)和市場驗(yàn)證表明，單獨(dú)針對上面的影響因素進(jìn)行整改優(yōu)化不能起到徹底根除抱怨的效果，必須針對生產(chǎn)和售后維修提出系統(tǒng)的解決方案。

4 解決方案與實(shí)施驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化油槽尺寸

油槽在怠速時(shí)可以起到存貯一部分潤滑油，幫助潤滑的作用。因此針對油槽尺寸的不合格項(xiàng)進(jìn)行整改優(yōu)化，是最快最經(jīng)濟(jì)的做法。同步環(huán)供應(yīng)商提供了2 套油槽尺寸合格的零件，裝車測試異響消失。新狀態(tài)零件投入生產(chǎn)后，通過售后驗(yàn)證，市場故障率明顯下降。

4.2 更改同步環(huán)材質(zhì)

試驗(yàn)證明利用燒結(jié)青銅或噴鉬材質(zhì)同步環(huán)替換故障車上的碳纖維材料同步環(huán)可以徹底消除用戶抱怨。但由于前兩者成本明顯高于后者，而且耐換擋沖擊性能不如后者，因此該方案無法在生產(chǎn)中批量使用，但可以作為售后維修的備用方案。

4.3 增加波形彈簧

不合理的同步環(huán)軸向間隙設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致異響產(chǎn)生，那么設(shè)法減小同步環(huán)軸向晃動(dòng)間隙是一個(gè)可行的解決異響的方法。嘗試在同步環(huán)與換擋齒輪之間增加一個(gè)波形彈簧試驗(yàn)件，如圖6所示。試驗(yàn)表明該方案可以完全消除異響。但波形彈簧方案存在彈簧制造難度大、成本高的問題。

圖6 波形彈簧

4.4 優(yōu)化同步環(huán)錐深度

將同步環(huán)錐深度降低，相當(dāng)于將同步錐“縮小”。在其他變速器零件尺寸不變的情況下，能夠起到減小軸向晃動(dòng)、消除異響的作用。為了驗(yàn)證理論準(zhǔn)確性，供應(yīng)商提供了錐深度處于公差帶下限的6套同步環(huán)，通過裝車測試，裝有小錐深度同步環(huán)的車輛，異響均已消失。上述方案有效。

5 結(jié)論

利用軟件分析、替換試驗(yàn)、對比測量和尺寸鏈計(jì)算工具分析異響問題，這是振動(dòng)噪聲專業(yè)常用的分析與解決問題的手段，可以快速鎖定異響來源。

重點(diǎn)介紹了低溫下的變速器同步環(huán)異響問題分析過程，分析表明控制同步環(huán)摩擦面的尺寸狀態(tài)、合理選擇摩擦面材料對異響消除具有決定影響。此外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過合理設(shè)計(jì)軸向尺寸鏈、選擇低溫流動(dòng)性更好的齒輪油、改善離合器從動(dòng)盤扭轉(zhuǎn)減振器特性多種方法也可以預(yù)防批量階段異響的產(chǎn)生。