變速器一二擋撥叉偏擺量過大與二擋脫擋的初步研究

吳剛

摘要：通過對國產(chǎn)某品牌汽車變速器在路試過程中出現(xiàn)的二擋脫擋故障的分析研究，拆解故障變速器并檢測二擋換擋相關(guān)零部件后，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉偏擺量過大，初步分析出一二擋撥叉偏擺量過大的原因及其對二擋脫擋有一定貢獻，評估出失效風(fēng)險，提出遏制措施和后續(xù)優(yōu)化方案，對解決該型號變速器二擋脫擋及后續(xù)變速器的優(yōu)化設(shè)計和提高變速器的換擋性能，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：變速器；撥叉；脫擋；優(yōu)化

針對某國產(chǎn)品牌汽車的一款前驅(qū)變速器在路試過程中出現(xiàn)的二擋跳擋問題，通過互換試驗排除整車因素和變速器外圍件影響后，拆解故障變速器并檢測換擋相關(guān)零部件，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉在使用過程中受力變形導(dǎo)致?lián)懿嫫珨[量過大。而該型號變速器二擋換擋行程尺寸鏈要求又較為苛刻，撥叉偏擺超差后對二擋跳擋有一定貢獻，后續(xù)采用設(shè)計優(yōu)化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）或零件加工工藝優(yōu)化（提升撥叉的硬度和強度）等方法，抑制因撥叉偏擺量過大對二擋換擋行程帶來的影響，降低該失效模式的發(fā)生概率。

故障原因分析

1.故障現(xiàn)象描述及原因探究

某國產(chǎn)品牌汽車在路試過程中，反饋在正常行駛中發(fā)生二擋脫擋現(xiàn)象。更換整車操縱機構(gòu)和換擋拉索，故障依舊存在，說明此二擋脫擋現(xiàn)象與整車操縱機構(gòu)及換擋拉索無關(guān)。然后通過把跳擋車和不跳擋車變速器互換，二擋脫擋這一故障模式跟隨變速器轉(zhuǎn)移，失效源鎖定變速器。

2.換擋原理

為了最大限度地滿足汽車總體布局的需要，目前手動變速器的操縱機構(gòu)基本采用拉索式結(jié)構(gòu)，即外部操縱機構(gòu)的運動通過拉索傳給內(nèi)部操縱機構(gòu)，其機構(gòu)簡圖如圖1所示。

外部操縱機構(gòu)由換擋桿鉚合件、底座焊合件、連動板組件、滑套和扭簧等構(gòu)成，如圖2所示。

內(nèi)部操縱機構(gòu)包括操縱器蓋、選擋搖臂、選擋撥頭、換擋搖臂、換擋撥頭、撥叉軸、撥塊、自鎖、互鎖和安全裝置等。駕駛員撥動變速桿左右運動時，變速桿的下端帶動選擋拉索中的軟軸在套管中實現(xiàn)推、拉運動。選擋搖臂在拉索軟軸的作用下壓縮操縱器蓋中的回位彈簧，使卡在換擋撥頭槽中的選擋撥頭做橫向運動，換擋撥頭在撥塊槽中進行橫向選擋，這一過程即為選擋；空擋時撥頭被回位彈簧限定在撥塊槽中。當(dāng)換擋撥頭到達所選定擋位的撥塊槽中部時，駕駛員向前、后方向推動變速桿，換擋拉索軟軸帶動換擋撥頭推動撥塊移動，使得撥叉帶著同步器接合套與待結(jié)合齒嚙合，實現(xiàn)換擋。

由此可見，駕駛員的換擋過程應(yīng)該是：先選擋（推動變速桿左、右運動）再進擋（推動變速桿前、后運動），變速桿的運動軌跡是一個“王”字形。

尺寸測量和失效原因分析

1.尺寸測量

故障變速器拆解后，對二擋脫擋重點關(guān)注零件項進行測量，結(jié)果見表1。

根據(jù)以上測量結(jié)果，操縱蓋換擋行程、后殼體位置度等重點關(guān)注零件尺寸均符合圖樣要求，唯獨一二擋撥叉偏擺量明顯偏大。

2.失效原因鎖定

為探究一二擋撥叉偏擺量明顯偏大是否偶發(fā)個案，從市場返回件倉庫隨機挑選18臺失效模式為二擋脫擋的變速器進行拆解，并就一二擋撥叉偏擺量展開測量（測量位置A處、B處和C處見圖3），測量數(shù)據(jù)見表2。

基于表2中18臺測量出的變速器一二擋撥叉偏擺量，繪制出一二擋撥叉偏擺量分布圖（見圖4）。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，該型號變速器一二擋撥叉偏擺量經(jīng)驗值為0.5mm，A、B、C三點測出的撥叉偏擺量，A處最為突出，全都大于該經(jīng)驗值，甚至達到了1.05mm，勢必使得撥叉叉口兩平面與叉孔中心不垂直（發(fā)生一定量的傾斜），二擋換擋行程也隨之發(fā)生變化。

3.原因分析

根據(jù)上述測量結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析，該型號變速器操縱蓋換擋行程、后殼體位置度等重點零件尺寸均符合圖樣要求，唯獨一二擋撥叉偏擺量明顯偏大，一二擋撥叉偏擺量明顯超出經(jīng)驗值為0.5mm，有可能是引起二擋跳擋的直接原因。

（1）零件質(zhì)量問題 生產(chǎn)線上隨機挑選50件未裝配使用的撥叉進行詳細(xì)測量，并跟蹤檢測壓裝后尺寸，壓裝襯套各相關(guān)參數(shù)測量結(jié)果均符合圖樣要求（一二擋撥叉偏擺量更是分布在0.2～0.45mm，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3）。

（2）壓裝工藝排查 根據(jù)工藝要求，襯套裝配后100%通止規(guī)檢測?，F(xiàn)場排查，通止規(guī)尺寸符合圖樣要求。抽取5件對撥叉軸孔的圓度進行排查，現(xiàn)場確認(rèn)呈現(xiàn)橢圓狀，確認(rèn)為撥叉變形導(dǎo)致偏擺超差。

（3）變形誘因 變形是機械零部件在使用過程中普遍存在的一種現(xiàn)象，會使零部件的質(zhì)量和使用性能發(fā)生改變，從而影響零部件的精度和壽命。此處撥叉孔變形，大致可以從磨損和受力兩個方面進行深入排查。

1）磨損變形。排查結(jié)果：倉庫隨機抽取5件對襯套鉬層厚度進行檢測（見圖5），發(fā)現(xiàn)襯套內(nèi)側(cè)磨損均勻，故排除因為磨損導(dǎo)致的撥叉軸孔變形。

2）受力變形。從市場返回二擋脫擋故障變速器，隨機挑選5套測量襯套圓度（襯套安裝在撥叉上）、撥叉軸孔圓度和撥叉二擋側(cè)硬度，排查結(jié)果和相關(guān)尺寸見表4。

從表4數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過長時間的使用，襯套有了一定程度上的變形，二擋側(cè)圓度分布在0.03mm左右；對比撥叉孔圓度，二擋側(cè)圓度基本在0.01mm左右，

設(shè)定換擋力為1200N，在拉力和壓縮情況下，軸套孔邊緣棱線最大位移分別為0.3296mm和0.2124mm。

整改措施及總結(jié)

根據(jù)以上分析，針對零公里和市場反饋的二擋脫擋情況，后續(xù)建議更換偏上差的操縱蓋，二擋換擋凸輪角度由18.05°-0 -0.5更改為18.55°-0 -0.5，提高產(chǎn)品的魯棒性。目前整改措施實行后，市場反饋良好，未有新的問題產(chǎn)生。

根據(jù)故障重現(xiàn)試驗、二擋脫擋重點關(guān)注尺寸測量、壓裝工藝排查和CAE分析等，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉在使用過程中受力變形導(dǎo)致?lián)懿嫫珨[量過大，而該型號變速器二擋換擋行程尺寸鏈要求又較為苛刻，撥叉偏擺超差后對二擋跳擋有一定貢獻。

根據(jù)一二擋撥叉變形誘因，提出以下兩點優(yōu)化方案，抑制因撥叉偏擺量過大對二擋脫擋帶來的影響，降低該失效模式的發(fā)生概率。

1）撥叉（目前采用R14材料），現(xiàn)有硬度水平在65HRB左右，優(yōu)化零件加工工藝（提升撥叉的硬度和強度）。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）。

CAE分析中，換擋力設(shè)定為1200N；駕駛?cè)嗽趯嶋H駕駛過程中換擋力遠遠小于1200N，則可認(rèn)為撥叉孔最終變形量<0.3mm，并且現(xiàn)有零件狀態(tài)可以抑制撥叉孔變形量<0.3mm引起的二擋換擋行程變化。目前市場使用變速器正常行駛6000km以后，若無其他零件明顯超差或存在異常磨損，一二擋撥叉偏擺量引起的二擋跳擋風(fēng)險概率極低。

結(jié)語

本文對某型號變速器二擋跳擋問題分析，通過互換試驗、零件測量和CAE有限元分析，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉在使用過程中受力變形導(dǎo)致?lián)懿嫫珨[量過大，對二擋跳擋有一定貢獻，后續(xù)進行設(shè)計優(yōu)化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）或零件加工工藝優(yōu)化（提升撥叉的硬度和強度）等方法，抑制因撥叉偏擺量過大對二擋脫擋帶來的影響，降低該失效模式的發(fā)生概率。

盡管是對某一型號變速器具體故障的失效分析，并不具有普遍的指導(dǎo)意義，但是找到了一二擋撥叉偏擺量過大的直接原因，對于解決變速器脫擋問題，提升變速器性能，避免類似失效模式再次發(fā)生，依舊具有一定的實用性，為今后變速器的設(shè)計提供一定的參考價值。

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