大眾朗逸變速箱體失效模式分析與對(duì)策

姚會(huì)君　曹鎮(zhèn)杭　楊艷艷　張昊航

摘 要：隨著駕駛員對(duì)汽車的操縱性和舒適性的要求越來越高，自動(dòng)變速箱應(yīng)運(yùn)而生，但其結(jié)構(gòu)比手動(dòng)變速箱復(fù)雜得多，從而使維護(hù)更加繁瑣且技術(shù)要求更高。本文以大眾朗逸變速箱為對(duì)象，從理論和實(shí)際使用的角度分析大眾朗逸變速箱體的主要失效模式和導(dǎo)致的原因，然后結(jié)合大眾朗逸變速箱體故障案例解決情況，提出了大眾朗逸變速箱體失效的應(yīng)對(duì)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：大眾朗逸 箱體 失效模式 分析

Failure mode analysis and Countermeasures of Volkswagen Lavida gearbox

Yao Huijun Cao Zhenhang Yang Yanyan Zhang Haohang

Abstract：With the driver's higher and higher requirements for vehicle handling and comfort， automatic transmission also arises at the historic moment. This kind of transmission structure is much more complex than manual transmission， which makes maintenance more complicated and technical requirements higher. This paper takes Volkswagen Langyi gearbox as the object， analyzes the main failure modes and causes of Volkswagen Langyi gearbox from the perspective of theory and practical use， and then puts forward the Countermeasures for the failure of Volkswagen Langyi gearbox combined with the solution of the failure cases of Volkswagen Langyi gearbox.

Key words：Volkswagen Lavida; Box;failure mode; analysis

變速箱是車輛動(dòng)力傳遞的重要組件，塔以不同的速比將動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到車輪。自動(dòng)變速箱的結(jié)構(gòu)比手動(dòng)變速箱復(fù)雜得多，發(fā)生故障后使維護(hù)工作更加繁瑣且技術(shù)要求更高。而箱體作為固定和支撐變速箱動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)工作的骨架，其質(zhì)量和可靠性對(duì)于變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行相當(dāng)重要，同時(shí)也決定了變速箱的使用壽命。

目前，提高變速箱箱體可靠性的研究主要集中在結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析、輕量化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。閔海濤等[1]采用HyperMesh和ABAQUS軟件對(duì)建立的某輕型貨車變速器箱體的有限元模型進(jìn)行了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并對(duì)箱體進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)滿足輕量化和動(dòng)態(tài)特性要求。馬鐵等[2]采用Pro/E和ANSYS軟件對(duì)變速器箱體進(jìn)行三維建模和有限元分析，驗(yàn)證了增加筋板改變箱體局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的正確性。沈偉等[3]以變速箱殼體的柔順度最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)比優(yōu)化前后的變速箱殼體的結(jié)果表明，優(yōu)化后變速箱殼體的質(zhì)量減輕了17.1%。董曉露[4]針對(duì)變速箱后殼體、后蓋開裂問題進(jìn)行了三維建模和強(qiáng)度分析，并驗(yàn)證了后殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的正確性。梁福安[5]對(duì)自動(dòng)變速器的常見故障進(jìn)行了原因分析、診斷與排除。崔瑩等[6]簡(jiǎn)單分析了汽車自動(dòng)變速箱的振動(dòng)故障及其診斷的重要性。楊冰[7]基于奧迪A4L“0AW”自動(dòng)變速箱故障維修案例進(jìn)行分析，總結(jié)出一擋不顯示故障的檢測(cè)與維修方案?？偨Y(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)，未見基于實(shí)際使用的角度進(jìn)行的問卷調(diào)研分析。因此，本文文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，從實(shí)際使用的角度采用問卷調(diào)研法和案例分析法相結(jié)合，對(duì)汽車變速箱箱體主要失效形式和導(dǎo)致其失效的原因進(jìn)行了分析，從理論和實(shí)際使用的角度提出了變速箱箱體失效的應(yīng)對(duì)對(duì)策。

1 大眾朗逸變速箱箱體失效分析

1.1 文獻(xiàn)研究情況

（1）通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得出變速箱箱體的失效模式主要包括以下7種：箱體的變形、箱體的異常振動(dòng)、箱體異響、箱體漏油、箱體出現(xiàn)裂紋、箱體軸承孔和螺紋孔磨損。

如圖1所示，是車質(zhì)網(wǎng)全國(guó)汽車2019年大眾朗逸車輛問題投訴統(tǒng)計(jì)。

由圖1可知，變速箱問題在所有的車輛問題中排名第二，說明變速箱問題的出現(xiàn)不是偶然現(xiàn)象，消費(fèi)者對(duì)于車輛變速箱問題的關(guān)注度較高。

1.2 大眾朗逸變速箱箱體調(diào)查問卷數(shù)據(jù)分析

為了調(diào)查大眾朗逸變速箱體的的失效模式，發(fā)布了“大眾朗逸汽車變速箱維修問卷調(diào)查表”，收到有效問卷為209份，對(duì)其進(jìn)行分析。

圖2所示為變速箱體失效模式百分比。

由圖2可知，現(xiàn)實(shí)中用車變速箱體出現(xiàn)的主要失效模式位變速箱的振動(dòng)、漏油和異響。其中車輛變速箱體異常振動(dòng)占比最大，為60.77%;其次是變速箱漏油問題，占比為55.5%;第三為變速箱體變形，占比為51.67%。

圖3所示為各個(gè)駕齡人群的占比。

由圖3可知，1-3年駕齡的駕駛員為58.38%，駕齡3-5年駕駛員的占比為23.44%，駕齡五年以上的駕駛員占比為18.18%。說明大多數(shù)的駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)不足，駕駛習(xí)慣不是很規(guī)范，缺乏車輛保養(yǎng)和維修知識(shí)。

圖4所示為各種道路情況的占比。

由圖4可知，樣本內(nèi)在縣城道路使用車輛的占比和在擁擠的城市使用車輛的占比達(dá)到54.55%，說明車輛使用道路狀況是在堵車狀況時(shí)發(fā)生的，所以車輛會(huì)經(jīng)常怠速，發(fā)生急加速和急減速。

圖5所示為變速箱是保養(yǎng)否的占比。

保養(yǎng)過變速箱的車主占比為65.07%，未保養(yǎng)過變速箱的車主為34.93%。因變速箱的保養(yǎng)和維護(hù)是影響變速箱失效的關(guān)鍵性因素，及時(shí)更換變速箱油是有效減少箱體失效概率的方法。

1.3 大眾朗逸變速箱箱體失效模式

綜上所述，大眾朗逸變速箱體的主要失效模式為以下幾種：

（1）變速箱體異常振動(dòng)。其具體表現(xiàn)為車輛怠速時(shí)，駕駛員在座艙內(nèi)能夠明顯地感覺到車輛底部的振動(dòng)，這給駕駛員帶來了不好的駕乘體驗(yàn)。

（2）變速箱體漏油。其主要表現(xiàn)為變速箱殼體結(jié)合處漏油，如果不及時(shí)檢修，缺失變速箱油，將會(huì)極大地增加箱體的故障率。

（3）箱體變形。由于外力的沖擊，油底殼的變形，以及受到內(nèi)外綜合應(yīng)力引起的變形影響車輛的的正常使用。

（4）變速箱體異響。其主要表現(xiàn)為，車輛掛檔時(shí)出現(xiàn)敲擊聲，或者是車輛行駛中會(huì)從底盤傳來的嘯叫聲。

（5）變速箱表面出現(xiàn)裂紋。其一般出現(xiàn)在與發(fā)動(dòng)機(jī)連接處的箱體表面，為制造時(shí)的材料缺陷或工藝問題。

1.4 大眾朗逸變速箱體失效原因分析

（1）變速箱體的異常振動(dòng)分析

汽車變速箱是容易磨損的部件，研究發(fā)現(xiàn)，變速器的故障大多是因?yàn)槠囘\(yùn)行過程中的振動(dòng)造成，振動(dòng)的頻率越快，振動(dòng)幅度越大，變速箱的磨損程度就越重。當(dāng)車輛總是處于怠速狀態(tài)時(shí)，變速箱的振動(dòng)加劇，變速箱的故障產(chǎn)生的比重也越大。齒輪、軸承等部位在使用的過程中較少會(huì)引起劇烈振動(dòng)，這些情況也會(huì)引起變速箱的振動(dòng)，從而引起故障。

（2）變速箱箱體漏油分析

箱體的主要漏油部位有密封接合面、變速箱外接件、通氣塞處和加放油螺栓密封處。影響箱體密封性的主要因素是密封圈的安裝規(guī)范程度、密封圈的老化、螺栓的扭矩是否正確和變速箱油的加注是否規(guī)范。變速箱不規(guī)范的保養(yǎng)，也是造成變速箱漏油的原因。所以，保證變速器工作過程中良好的潤(rùn)滑，可以保證工作狀態(tài)中變速箱性能的穩(wěn)定、動(dòng)力正常的傳遞，從而保證行車的安全性。

（3）變速箱體變形原因分析

汽車變速箱所使用的都是彈性振動(dòng)系統(tǒng)，在自由度方面較為復(fù)雜。從某種程度上說，變速箱箱體容易受到激振力的作用，如車輛經(jīng)常的急加速、急減速或者經(jīng)過不平路面，從而產(chǎn)生更加復(fù)雜的振動(dòng)，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀況。在這些道路條件下行駛，就會(huì)使變速箱體經(jīng)常受到振動(dòng)的激勵(lì)，引起箱體的變形。

（4）變速箱箱體異響分析

變速箱體產(chǎn)生的噪音主要為敲擊噪聲和嘯叫噪聲。嘯叫噪聲產(chǎn)生的原因主要是齒輪的不正確嚙合，其會(huì)通過以下兩種方式傳遞到駕駛員的座艙：一是通過軸承的振動(dòng)傳遞到殼體上;二是通過空氣傳遞到變速器殼體上。敲擊噪聲說明齒輪傳動(dòng)處于時(shí)而嚙合、時(shí)而脫離反復(fù)碰撞的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，聲音在整個(gè)發(fā)生區(qū)間是有規(guī)律而不連續(xù)的，一般在換檔過程中最為明顯，傳遞到箱體上產(chǎn)生噪音。

（5）變速箱箱體出現(xiàn)裂紋分析

汽車變速箱體材料采用鋁合金鑄造成型，因變速箱的箱體較大，各個(gè)箱體部位的厚度也不相同，因鑄造工藝的原因，表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，使用過程中也會(huì)因?yàn)榫植繎?yīng)力過大，造成箱體的疲勞失效，例如半坡重載起步、極限條件下的使用等都會(huì)造成破壞;低應(yīng)力高周疲勞累積破壞，如使用十幾萬公里后的疲勞裂紋，箱體裂紋多為制造缺陷。

2 大眾朗逸變速箱體失效案例分析

2.1 案例基本情況

王先生，90后，有一輛大眾朗逸1.5L自動(dòng)擋汽車，主要用于在市內(nèi)上下班與接送孩子，車輛里程數(shù)在80000km左右。問題：最近使用車輛時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛起步非常慢，油門踩下去，車輛不怎么動(dòng)，像沒有掛上檔一樣。在4S店檢查車輛，經(jīng)維修師傅詢問與檢查得知：變速箱箱體出現(xiàn)裂紋是漏油導(dǎo)致的，客戶缺乏變速箱保養(yǎng)方面知識(shí)，車輛使用中未更換過變速箱油，平常的駕駛路段較為擁堵，駕駛習(xí)慣較為激進(jìn)。

2.2 變速箱箱體失效原因分析

變速箱殼體在固定螺栓位斷裂，共有 A、B兩個(gè)斷裂面，A、B兩個(gè)面均位于筋條與固定螺母的連接處。筋條與固定螺母存在厚度差異，兩個(gè)斷面的斷裂源均位于零件表面拐角位，如圖6所示。A斷裂源區(qū)呈現(xiàn)粗大的向外輻射的放射狀條紋，顯示快速向零件內(nèi)部擴(kuò)展的特征;擴(kuò)展區(qū)顯示稀疏的貝紋線。B斷面也顯示放射棱，呈現(xiàn)快速擴(kuò)展的特征，在擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)貝紋線。由斷裂部位及特征判斷，該斷裂件鑄件拐角存在應(yīng)力集中，A、B斷口均為高應(yīng)力疲勞斷裂。在斷裂件的螺母加工面可見擦傷痕跡，斷裂件的鑄造原始表面未見明顯的損傷痕跡，由此判斷斷裂件未受到外力的撞擊。

在本次案例中，變速箱搭載整車行駛時(shí)發(fā)生變速箱箱體破裂失效問題。檢查發(fā)現(xiàn)變速箱表面有油跡，箱體與左懸置支架相連的根部有裂紋;箱體破裂區(qū)域如圖6所示。其實(shí)際情況主要是變速箱箱體的振動(dòng)引起的。

與變速箱箱體相連接的左懸置結(jié)構(gòu)如圖7所示。左中支架與左懸置本體支架距離為12mm，大于實(shí)際裝車狀態(tài)左懸置硬限位距離8.5mm，目視檢查故障車輛，左中支架與左懸置本體支架無凹凸坑洞區(qū)域，可判斷未出現(xiàn)左中支架與左懸置本體的磕碰，可排除零件碰撞問題。通過故障分析，排除箱體材料缺陷、加工工藝等問題，通過對(duì)失效區(qū)域的宏觀和斷口分析，變速器殼在頂部固定螺紋孔凸臺(tái)底部開裂，裂紋長(zhǎng)約5cm。打開裂紋觀察斷口，斷口呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，疲勞源區(qū)位于斷口拐角外側(cè)，疲勞源區(qū)疲勞臺(tái)階明顯，貝紋線清晰。同時(shí)對(duì)變速箱內(nèi)部的油液進(jìn)行檢查，判斷該箱體失效為疲勞失效。

2.3 變速箱箱體失效解決對(duì)策

綜合上述分析認(rèn)為，變速箱體本身并不受到外力的作用，而是緊固螺栓安裝時(shí)不規(guī)范產(chǎn)生了應(yīng)力，該應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加在零件的拐角部位，使該部位承受的載荷超出零件的實(shí)際承載能力而產(chǎn)生裂紋，并在交變載荷的作用下擴(kuò)展至斷裂。所以箱體的設(shè)計(jì)和制造安裝工藝至關(guān)重要，注意變速箱的保養(yǎng)，及時(shí)的更換變速箱油，避免變速箱油中的雜質(zhì)滾入齒輪的嚙合面，以及軸承的工作面，減少箱體的異常振動(dòng)，從而較小局部應(yīng)力來降低箱體失效的概率。

3 變速箱箱體失效的應(yīng)對(duì)對(duì)策

3.1 變速箱箱體振動(dòng)應(yīng)對(duì)對(duì)策

（1）減小振動(dòng)與噪聲的激勵(lì)。變速箱的激勵(lì)主要來源于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)工作齒輪齒面進(jìn)行微觀幾何修形，可以有效改善齒面的載荷分配，降低齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞誤差。也可以在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中增加阻尼環(huán)，來衰減其振動(dòng)幅值。

（2）變速箱殼體的隔聲、吸聲材料處理。在殼體上增加一些隔震吸聲的材料，可以改善其固體噪聲的傳播;箱體的材料屬性也對(duì)其振動(dòng)噪聲有一定的影響，如內(nèi)阻尼高的材料其振動(dòng)噪聲性能較好。

3.2 變速箱箱體結(jié)合面密封性能優(yōu)化

通常情況下變速箱體漏油與變速箱箱體結(jié)合面密封性能有關(guān)。一是密封膠的屬性與性能直接關(guān)系到密封性能;二是螺栓的擰緊力矩（預(yù)緊力）;三是螺栓之間的布置位置;四是殼體結(jié)合面的寬度;五是殼體整體的結(jié)構(gòu)剛度。在實(shí)際的車輛設(shè)計(jì)方面，可行性最高的依然是對(duì)螺栓之間的布置位置進(jìn)行優(yōu)化，在應(yīng)力較為集中、故障率較高的結(jié)合面處，合理利用現(xiàn)有的空間增加螺栓的布置可以直接加強(qiáng)殼體的密封性。

3.3 箱體變形的對(duì)策

從箱體加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)和修整兩個(gè)方面，對(duì)變速箱體的變形提出相對(duì)對(duì)策，觀察其平面誤差的大小，當(dāng)平面誤差較小時(shí)，可以用研磨修整法進(jìn)行處理，當(dāng)誤差比較大時(shí)，應(yīng)以孔的中心線作為定位，進(jìn)行磨削修整，來恢復(fù)原有箱體的平整度，箱體變形會(huì)造成部件位置的相應(yīng)變化，對(duì)變速箱結(jié)構(gòu)的整體影響比較大，所以檢驗(yàn)和修理的重要參考指標(biāo)是各個(gè)軸承座孔中心線的平行度。此外還可以有效減少箱體的變形，當(dāng)正常壁厚的剛度和強(qiáng)度不能滿足使用的時(shí)候，應(yīng)該采用增加加強(qiáng)筋來加強(qiáng)。加強(qiáng)筋能夠提高零件局部的強(qiáng)度與剛度，要根據(jù)局部的受力特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且還能避免生產(chǎn)時(shí)的零件變形，筋的寬度大致等于0.5-0.7倍壁厚，高度不低于壁厚，但不超過5倍壁厚。

3.4 變速箱箱體表面裂紋應(yīng)對(duì)對(duì)策

變速箱箱體受力來源是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳到齒輪和軸，力的主要傳遞途徑是通過齒輪嚙合和軸的支撐作用傳遞到軸承孔然后傳遞到箱體上。故軸承孔的磨損頻繁，長(zhǎng)期工作會(huì)引起箱體的斷裂。具體修整方法，一是當(dāng)孔磨損較小時(shí)，可用機(jī)加工法去除不均勻磨損，用刷鍍法恢復(fù)配合;二是當(dāng)孔磨損較大時(shí)，采用鑲套法，合理的使用鉆孔攻絲，可以增加可靠性，當(dāng)磨損到極限時(shí)可以用噴涂、粘補(bǔ)的方法，當(dāng)裂紋出現(xiàn)在普通表面非連接處時(shí)，可以采用點(diǎn)焊法焊牢。此外還可以更換新的配件。

3.5 變速箱箱體體設(shè)計(jì)優(yōu)化

變速箱箱體總成主要由變速箱前箱體和后箱體組成，采用螺栓連接形成整體封閉結(jié)構(gòu)。合理地設(shè)置零件外輪廓布局是有效減小箱體體積和重量的方法，從箱體壁厚方面來講，要適當(dāng)增加軸承孔和螺栓凸臺(tái)的壁厚，從減少相對(duì)應(yīng)力的方面來講，可以適當(dāng)?shù)脑谶B接處設(shè)置圓角，避免箱體出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的情況，來增加箱體的使用時(shí)間，減少箱體的失效概率。

4 結(jié)論

（1）理論與調(diào)研分析可得變速箱體失效模式主要有箱體的變形、異常振動(dòng)、漏油、箱體表面出現(xiàn)裂紋和箱體異響;分析原因可得：箱體局部應(yīng)力過大、箱體疲勞斷裂、箱體結(jié)合處密封不嚴(yán)、箱體設(shè)計(jì)不合理和箱體維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí);

（2）從三個(gè)方面制定相應(yīng)對(duì)策：一是箱體設(shè)計(jì)優(yōu)化方面：合理的在殼體薄弱位置布置加強(qiáng)筋;在箱體結(jié)合面處，在空間允許的情況下增加螺栓位置，加強(qiáng)結(jié)合面的密封性;對(duì)箱體壁厚進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)增加軸承孔和螺栓凸臺(tái)的厚度，從鑄造工藝上對(duì)箱體的材料進(jìn)一步優(yōu)化，尤其在應(yīng)力集中區(qū)域。二是使用方面：規(guī)范駕駛員培訓(xùn)，銷售人員對(duì)客戶進(jìn)行相關(guān)宣傳與客戶教育，培養(yǎng)客戶形成良好的駕駛習(xí)慣，避免車輛行駛時(shí)急加速、急減速和長(zhǎng)期超載，經(jīng)過不平路面時(shí)及時(shí)減速，從而減少變速箱箱體受到復(fù)雜路況下外力的作用，降低箱體失效的概率。三是維護(hù)保養(yǎng)方面：加強(qiáng)車輛變速箱體保養(yǎng)知識(shí)的宣傳，強(qiáng)化客戶定期保養(yǎng)的意識(shí)，定期更換變速箱油，降低變速箱箱體的失效概率。

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