發(fā)動(dòng)機(jī)變速器倒擋打齒異響問(wèn)題分析與改進(jìn)

蔣彬彬，方征剛

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

變速器作為整車動(dòng)力總成的重要組成部分，如在倒擋時(shí)發(fā)生打齒異響，而此時(shí)倒車車速較低、胎噪小，駕乘人員會(huì)對(duì)倒擋打齒異響極敏感，引發(fā)較多終端售后抱怨。變速器倒擋打齒異響的故障實(shí)質(zhì)是兩個(gè)金屬質(zhì)地的齒輪間的硬接觸，以此帶來(lái)強(qiáng)烈的金屬撞擊異響聲音，會(huì)造成齒輪齒冠部分加快磨損，甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，在嚴(yán)重情況下出現(xiàn)入擋之后咬合不徹底，稍微震動(dòng)很會(huì)容易出現(xiàn)掉擋的現(xiàn)象[1]。

某品牌整車搭配我司某款發(fā)動(dòng)機(jī)，在小批量上市時(shí)，時(shí)有倒擋打齒異響故障的售后反饋。倒擋打齒產(chǎn)生了嘎嘎的噪聲，倒擋過(guò)程沖擊大，手感差，影響了整車倒擋功能的實(shí)現(xiàn)，引起了顧客極大抱怨，甚至影響了產(chǎn)品口碑。為了消除顧客抱怨，減少索賠損失，亟待通過(guò)變速器倒擋異響問(wèn)題進(jìn)行分析，找出異響原因并加以改進(jìn)，使汽車變速器的品質(zhì)得到提升，保證產(chǎn)品品質(zhì)[2，3]。

1 故障拆解分析

為找出產(chǎn)生打齒的原因，對(duì)售后返回的打齒故障變速器逐一進(jìn)行故障拆解，通過(guò)故障拆解，發(fā)現(xiàn)所拆解的倒擋齒輪、倒擋惰輪齒輪磨損嚴(yán)重，有些已經(jīng)出現(xiàn)變鈍或產(chǎn)生翻邊現(xiàn)象，嚴(yán)重的已產(chǎn)生斷齒情況（圖1）。為確認(rèn)相關(guān)子件的尺寸符合性及異物雜質(zhì)情況，首先對(duì)打齒相關(guān)變速器殼體相關(guān)尺寸、齒輪清潔度進(jìn)行故障件檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)，同步調(diào)查供應(yīng)商相關(guān)尺寸的制造過(guò)程穩(wěn)定性、過(guò)程能力，調(diào)查結(jié)果亦顯示制程能力達(dá)標(biāo)，穩(wěn)定性受控。

圖1 倒擋齒輪、倒擋惰輪齒輪磨損嚴(yán)重、斷齒

故重點(diǎn)對(duì)斷口金相、齒輪材質(zhì)、齒輪疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵因素進(jìn)行解析、設(shè)計(jì)復(fù)核，以確認(rèn)設(shè)計(jì)對(duì)齒輪抗打擊能力的滿足程度和找到問(wèn)題根因。

2 故障斷口金相的研究分析

在統(tǒng)計(jì)售后數(shù)據(jù)中，打齒異響故障集中在1 萬(wàn)-3萬(wàn)公里的居多，在整車進(jìn)行倒擋操作時(shí)，倒擋齒輪存在瞬間沖擊力，若有材料缺陷、舊傷裂等原始缺陷，齒輪本身疲勞強(qiáng)度已明顯低于設(shè)計(jì)要求，極易發(fā)生類似提前磨損、斷齒故障，從而讓倒擋齒輪的使用壽命降低。

選取了3 件倒擋齒輪斷齒件，使用電子顯微鏡進(jìn)行斷口分析，分析過(guò)程發(fā)現(xiàn)斷面形貌上，有不同程度損傷，斷裂特征一致，均來(lái)源于同側(cè)齒底表面，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)舊痕、材料宏觀缺陷；裂源處為微觀形態(tài)為沿晶，裂源附近為沿晶微解理，故而確認(rèn)零部件本身無(wú)宏觀缺陷，斷裂原因?yàn)楫惓Ｍ饬ψ饔脤?dǎo)致的快速脆性斷裂，如圖2 所示。

圖2 故障件斷口檢測(cè)（上：低倍斷口斷裂源；下：高倍斷口斷裂源）

從斷口金相分析結(jié)果看，倒擋齒輪金相沒(méi)有異常，符合要求。

3 故障材質(zhì)、表面處理的研究分析

變速器齒輪件由于需要長(zhǎng)時(shí)間處于高速、高載荷和交變負(fù)荷工況下，必須具備高標(biāo)準(zhǔn)的耐沖擊性能、接觸狀態(tài)下的彎曲疲勞強(qiáng)度，以及具備高硬度的表面以及與之匹配的強(qiáng)韌性的芯部，這樣才能有效提高零件的承載能力和使用壽命。

該款發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)發(fā)時(shí)，對(duì)變速器的齒輪材質(zhì)、表面處理提出了具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，要求供應(yīng)商對(duì)齒輪材質(zhì)選用20MnCr5、使用比較成熟的滲碳淬火對(duì)齒輪進(jìn)行表面處理。20MnCr5 是一款碳含量低但淬透性好的表面硬化鋼，強(qiáng)度、韌性均高、淬透性良好，同時(shí)，還可以通過(guò)滲碳工藝進(jìn)行表面硬化處理，從而獲得堅(jiān)硬、高耐磨的表面，適用于變速器齒輪件。

在原選取的3 件倒擋齒輪斷齒件，分別對(duì)故障件的滲層深度、表面硬度、有效氧化層、材質(zhì)成分等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行故障件檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。從齒輪材質(zhì)檢測(cè)結(jié)果看，倒擋齒輪、倒擋惰輪等材質(zhì)沒(méi)有異常，符合要求。

表1 故障倒擋齒輪材質(zhì)檢測(cè)報(bào)告

表2 故障倒擋惰輪材質(zhì)檢測(cè)報(bào)告

在對(duì)庫(kù)存變速器總成進(jìn)一步抽查試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，倒檔靜扭試驗(yàn)按變速器的最大輸入扭矩（要求190 N·mm）的3 倍作驗(yàn)證，無(wú)倒擋齒輪打齒、斷裂故障。倒檔疲勞壽命試驗(yàn)按發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的50%、轉(zhuǎn)速3000 r/min，試驗(yàn)2 h 后，無(wú)倒擋齒輪打齒、損壞等故障；整車掛倒擋試驗(yàn)，500 次后未出現(xiàn)倒檔損壞故障。倒檔靜扭試驗(yàn)、倒檔疲勞壽命試驗(yàn)、整車掛倒擋試驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明在正確工況和操作下，目前的齒輪材質(zhì)、表面處理、齒輪參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 倒擋齒輪設(shè)計(jì)復(fù)核

變速器的倒擋齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度、彎曲靜強(qiáng)度是預(yù)防齒面點(diǎn)蝕、彎曲疲勞引起的輪齒斷等缺陷發(fā)生的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，由于整車使用存在一定的車輛超超載等“小馬拉大車”、車輛未停穩(wěn)時(shí)就直接倒擋、踩離合不到底等“惡劣操作”，在變速器實(shí)際使用工況中，把一個(gè)慢速旋轉(zhuǎn)的齒輪強(qiáng)行塞入一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)或降速不到位的齒輪中，增大打齒異響故障風(fēng)險(xiǎn)。彎曲疲勞強(qiáng)度、彎曲靜強(qiáng)度的安全系數(shù)需作充分考慮，提升倒擋齒輪的抗沖擊能力，盡量減少打齒異響等問(wèn)題。

對(duì)倒擋齒輪進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)、接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，如表3 所列，顯示安全系數(shù)雖合格，但分別只有1.09875/1.09301，其他兩個(gè)倒擋關(guān)聯(lián)齒輪的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)也不高，對(duì)整車的使用不良情況預(yù)計(jì)不足，會(huì)加大售后打齒異響、甚至斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 變速器齒輪疲勞安全系數(shù)總結(jié)報(bào)告

5 改進(jìn)措施

綜上分析可看出，變速器倒擋齒輪本身零件質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，但由于整車使用習(xí)慣的特殊性和復(fù)雜性，造成設(shè)計(jì)指標(biāo)未對(duì)客戶使用的極端工況或不良操作予以充分考慮，如車輛未停穩(wěn)時(shí)就直接倒擋、踩離合不到底、超載等，沒(méi)有為產(chǎn)品可靠性預(yù)留充分裕量，是引起該款整車小批量上市時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)有倒擋打齒異響故障的主要原因。

故重新對(duì)變速器倒擋齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將倒擋齒輪的螺旋角、法向模數(shù)、齒數(shù)、旋向等齒輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的倒擋齒輪分度圓齒厚為3.542 mm，提升達(dá)38.79%，如表4 所列；倒擋齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)達(dá)1.3361，較原參數(shù)提升21.6%，彎曲靜強(qiáng)度安全系數(shù)達(dá)1.9056，提升24.2%，如表5、表6 所列。其他兩個(gè)倒擋齒也有一定的提升，優(yōu)化后的倒擋齒輪抗沖擊能力明顯提升，可以滿足整車需求。

表4 改進(jìn)后倒擋齒輪齒厚提升情況

表5 改進(jìn)后彎曲疲勞強(qiáng)度提升情況

表6 改進(jìn)后接觸疲勞強(qiáng)度提升情況

通過(guò)優(yōu)化倒擋齒輪參數(shù)、提高疲勞強(qiáng)度后，對(duì)改進(jìn)效果作跟蹤作9 個(gè)月跟蹤，售后數(shù)據(jù)結(jié)果顯示該打齒異響故障已明顯降低。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)變速器倒擋打齒異響問(wèn)題研究分析，通過(guò)重點(diǎn)對(duì)斷口金相、齒輪材質(zhì)、齒輪疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵因素進(jìn)行機(jī)理研究分析、設(shè)計(jì)復(fù)核，并通過(guò)優(yōu)化齒輪參數(shù)來(lái)提升倒擋齒輪疲勞強(qiáng)度，對(duì)解決變速器售后問(wèn)題有一定實(shí)用指導(dǎo)意義。同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總成及變速器設(shè)計(jì)過(guò)程提出設(shè)計(jì)預(yù)防要求，需設(shè)計(jì)人員關(guān)注整車使用不良情況的設(shè)計(jì)預(yù)防，進(jìn)一步合理提升產(chǎn)品安全裕度，提升產(chǎn)品品質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)力。