變速箱花鍵滑動(dòng)異響問(wèn)題分析與優(yōu)化

郭望華,袁玉軍

(廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司，廣東廣州 511434)

0 引言

漸開線花鍵聯(lián)結(jié)因其承載能力強(qiáng)、對(duì)中精度高、加工生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)特別是變速箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用。在漸開線花鍵聯(lián)結(jié)中，內(nèi)外花鍵的齒側(cè)配合包括間隙配合、過(guò)渡配合以及過(guò)盈配合3種型式[1]，當(dāng)齒側(cè)配合的間隙量過(guò)大時(shí)，存在異響、打齒等故障風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)齒側(cè)過(guò)盈量過(guò)大時(shí)，存在壓裝力過(guò)大及零件脹裂風(fēng)險(xiǎn)。漸開線花鍵配合常用的定心方式包括齒側(cè)定心、大徑定心、小徑定心[2]，內(nèi)外花鍵的不對(duì)中可能導(dǎo)致異響、磨損、斷齒等一系列的問(wèn)題。內(nèi)外花鍵的基本參數(shù)決定了齒側(cè)配合情況以及花鍵定心方式，其是否合理影響著花鍵配合的性能及壽命。文中主要對(duì)某款DCT變速箱花鍵異響問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)測(cè)試及換裝驗(yàn)證鎖定了異響來(lái)源，通過(guò)對(duì)異響零件參數(shù)的優(yōu)化，解決了該變速箱異響問(wèn)題，提升了整車及變速箱品質(zhì)，避免了品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)及市場(chǎng)投訴問(wèn)題。

1 故障描述及異響源分析

1.1 故障描述

某款DCT車型在車輛啟動(dòng)后，掛D擋起步輕點(diǎn)油門瞬間，駕駛員聽到“當(dāng)”一聲異響，繼續(xù)前進(jìn)及點(diǎn)油門不再出現(xiàn)異響。停車掛R擋，起步輕點(diǎn)油門倒車再次出現(xiàn)“當(dāng)”一聲異響，繼續(xù)倒車及點(diǎn)油門行駛無(wú)異響發(fā)生。通過(guò)反復(fù)故障復(fù)現(xiàn)測(cè)試，顯示車輛在D擋和R擋來(lái)回切換的首次點(diǎn)油門前進(jìn)和首次點(diǎn)油門倒車的瞬間才會(huì)出現(xiàn)異響。

1.2 異響源調(diào)查分析

通過(guò)異響來(lái)源主觀感知以及如圖1所示的異響振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)試，初步確認(rèn)異響由變速箱內(nèi)部發(fā)出。將變速箱裝至試驗(yàn)臺(tái)架，根據(jù)整車掛D擋點(diǎn)油門前進(jìn)及掛R擋點(diǎn)油門倒車工況，在臺(tái)架上模擬整車工況，即一擋加載工況和R擋加載工況。在一擋加載50 N·m和R擋加載50 N·m的來(lái)回切換瞬間，復(fù)現(xiàn)了與整車一致的異響，因此鎖定異響源為變速箱。

圖1 異響振動(dòng)測(cè)試

結(jié)合變速箱異響工況，對(duì)變速箱一擋傳動(dòng)路線和R擋傳動(dòng)路線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示，R擋傳動(dòng)是由3對(duì)齒輪嚙合傳遞后，再通過(guò)反向旋轉(zhuǎn)的一擋將動(dòng)力傳遞至差速器及車輪，而R擋扭矩傳遞至一擋齒輪時(shí)，扭矩方向與一擋傳動(dòng)時(shí)扭矩方向是相反的?；诖朔治?，再次在臺(tái)架上進(jìn)行了一擋50 N·m和-50 N·m的來(lái)回切換驗(yàn)證，出現(xiàn)與整車一致的異響，進(jìn)一步確定異響源與一擋傳動(dòng)鏈相關(guān)。在經(jīng)過(guò)多輪拆裝排除驗(yàn)證后，將一擋同步器齒轂與下輸出軸花鍵配合處焊接在一起，裝箱上臺(tái)架驗(yàn)證，異響消失，最終確定一擋同步器齒轂與下輸出軸花鍵配合處為異響源。

圖2 變速箱一擋和R擋傳動(dòng)路線

2 異響原因分析

2.1 花鍵加工工藝及品質(zhì)調(diào)查

產(chǎn)生異響的內(nèi)外花鍵、下輸出軸外花鍵加工工藝為搓花鍵，熱處理后磨大徑。同步器齒轂內(nèi)花鍵為粉末冶金件，可通過(guò)模具保證內(nèi)花鍵尺寸。對(duì)內(nèi)外花鍵跨棒距及徑向尺寸等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果表明均在設(shè)計(jì)規(guī)格范圍內(nèi)，由此可判斷此次異響可排除內(nèi)外花鍵加工質(zhì)量因素。

2.2 花鍵配合情況及異響原因分析

如表1所示，下輸出軸外花鍵與同步器齒轂內(nèi)花鍵配合型式為大徑過(guò)盈、齒側(cè)間隙配合。

表1 花鍵配合間隙校核 單位：mm

常見的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，鍵齒的側(cè)面起到傳遞扭矩的作用。同時(shí)，大徑過(guò)盈配合，在直徑方向的過(guò)盈量形成了接觸面壓力，由接觸面壓力產(chǎn)生的摩擦力能夠傳遞一定大小的扭矩。在變速箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)花鍵配合的實(shí)際應(yīng)用中，大徑過(guò)盈、齒側(cè)間隙的配合型式并不少見，但花鍵布置位置及承載扭矩的工況各不相同，常見的受載工況為整車前進(jìn)時(shí)的正拖扭矩和整車滑行時(shí)的反拖扭矩，而整車滑行的反拖扭矩普遍較小，大多數(shù)情況都小于大徑過(guò)盈能夠傳遞的扭矩，此種情況下，花鍵不會(huì)出現(xiàn)周向滑動(dòng)的情況，即不會(huì)出現(xiàn)異響問(wèn)題。而文中齒轂內(nèi)花鍵和輸出軸外花鍵，需要承載一擋工況下的正拖扭矩和R擋工況下的反拖扭矩，因其布置在輸出軸，一擋和R擋的擋位速比都大于3，在輸入端加載50 N·m的情況下，花鍵處的承載扭矩大于150 N·m，大于大徑過(guò)盈能夠傳遞的扭矩，在一擋加載和R擋加載來(lái)回切換時(shí)，出現(xiàn)了內(nèi)外花鍵大徑過(guò)盈處周向滑動(dòng)而產(chǎn)生異響的故障。

3 改進(jìn)優(yōu)化方案

3.1 花鍵配合型式優(yōu)化

為了消除異響，需要避免出現(xiàn)大徑過(guò)盈周向滑動(dòng)的情況，從改變大徑和齒側(cè)配合參數(shù)的角度出發(fā)，進(jìn)行內(nèi)外花鍵配合型式的優(yōu)化，有以下幾種方式。

3.1.1 增加大徑過(guò)盈量

當(dāng)大徑過(guò)盈能夠傳遞的扭矩大于實(shí)際應(yīng)用中的正反扭矩時(shí)，可避免大徑過(guò)盈滑動(dòng)。在內(nèi)外花鍵大徑過(guò)盈處于彈性變形階段，其能傳遞扭矩的大小隨著過(guò)盈量的增加而近似呈線性增加，而大徑過(guò)盈處于塑性變形階段，其能夠傳遞扭矩的大小不再線性增加?；谖闹刑岬降囊粨鹾蚏擋工況作用在花鍵處的正反扭矩較大，很難避免大扭矩下的異響發(fā)生。同時(shí)考慮大徑過(guò)盈量增加后存在壓裝刮屑和齒轂開裂的風(fēng)險(xiǎn)，此種方式不適合文中的異響問(wèn)題改善。

3.1.2 大徑間隙、齒側(cè)過(guò)盈配合

此種配合方式由大徑定心改為齒側(cè)定心，而徑向不對(duì)中對(duì)齒面接觸壓力分布與齒間載荷分布均有明顯影響，不對(duì)中量越大，齒面接觸壓力分布與齒間載荷分布越不均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重[3]。同時(shí)，在側(cè)面磨損后，齒側(cè)對(duì)中性會(huì)變壞，一般適用于定心要求不高的重載聯(lián)結(jié)?？紤]文中提到的齒轂為粉末冶金件，相對(duì)鍛鋼的齒轂更容易齒側(cè)磨損，因此不建議采用大徑間隙、齒側(cè)過(guò)盈的配合方式作為文中異響問(wèn)題的改善方式。

3.1.3 大徑過(guò)盈、齒側(cè)小過(guò)盈配合

此種配合方式，存在過(guò)盈量偏大，造成壓裝力過(guò)大，以及齒轂脹裂的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，大徑和齒側(cè)均為過(guò)盈配合，可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)中時(shí)產(chǎn)生靜不定。因此此種配合方式需進(jìn)一步優(yōu)化確定齒側(cè)過(guò)盈量，在內(nèi)外花鍵不產(chǎn)生周向相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下使得齒側(cè)過(guò)盈量盡可能的小，避免出現(xiàn)壓裝問(wèn)題及對(duì)中靜不定問(wèn)題。在確定具體過(guò)盈量并進(jìn)行性能及耐久驗(yàn)證后，選擇采用該配合方式作為文中異響問(wèn)題的改善方案。

3.2 外花鍵參數(shù)調(diào)整

根據(jù)作用齒槽寬和作用齒厚的定義，當(dāng)外花鍵的作用齒厚最大值大于內(nèi)花鍵的作用齒槽寬最小值時(shí)，齒側(cè)為過(guò)盈配合，即能夠限制內(nèi)外花鍵在周向的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此齒側(cè)過(guò)盈量以最大作用側(cè)隙為0進(jìn)行變更。因下輸出軸外花鍵可通過(guò)搓齒刀與工件的中心距改變進(jìn)行跨棒距及齒厚參數(shù)的調(diào)整，所以對(duì)外花鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化變更，具體參數(shù)優(yōu)化如表2所示。調(diào)整后花鍵作用側(cè)隙為-0.08～0 mm，單齒間隙量為-0.034～+0.046 mm。

表2 花鍵配合間隙校核 單位：mm

3.3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

針對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)，試制了外花鍵齒厚下差件進(jìn)行異響驗(yàn)證，無(wú)異響發(fā)生。同時(shí)試制了外花鍵齒厚上差件進(jìn)行了耐久驗(yàn)證，耐久無(wú)問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

花鍵配合結(jié)構(gòu)在變速箱及工程機(jī)械中非常常見，所以在設(shè)計(jì)開發(fā)初期，根據(jù)花鍵應(yīng)用工況合理設(shè)計(jì)花鍵配合型式是十分有必要的，特別是目前發(fā)展迅速的新能源汽車，由于其必要的滑行能量回收，存在較大的正反扭矩切換的工況，在此種情況下，若傳動(dòng)系中存在花鍵配合，應(yīng)避免出現(xiàn)大徑過(guò)盈、齒側(cè)間隙的配合型式。