汽車變速器換檔非典型打齒故障的機(jī)理探究

樊智宏 范星星 張夢華

(麥格納動力總成 格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司 設(shè)計工程部，江西 南昌 330013)

引言

汽車變速器換檔打齒故障的典型成因是同步器結(jié)構(gòu)設(shè)計的接近尺寸小于0(接近尺寸說明見下圖1)，而本文要討論的是打齒故障的一種非典型成因及其對策，這種打齒故障的產(chǎn)生機(jī)理相對特殊，行業(yè)內(nèi)少見，但又持續(xù)困擾了公司的相關(guān)生產(chǎn)單位兩三個月的時間，影響的是數(shù)以萬計的變速器的正常交貨進(jìn)程，所以有一定研究價值和現(xiàn)實(shí)緊迫性。

圖1 接近尺寸說明

1 案例描述

我公司新近開發(fā)的一款手動變速器，在樣機(jī)試驗(yàn)階段通過了各種耐久性試驗(yàn)的考驗(yàn)，順利進(jìn)入小批試生產(chǎn)階段，并提供了樣機(jī)給客戶做整車試驗(yàn)。在整車試驗(yàn)中，變速器的各項(xiàng)常規(guī)功能、性能指標(biāo)都表現(xiàn)優(yōu)異，但當(dāng)客戶的試車專家把發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到2000rpm左右時，從四檔掛五檔經(jīng)常會出現(xiàn)明顯的打齒聲，30次換檔中出現(xiàn)8次打齒，而從六檔掛五檔則聽不到打齒聲，此種狀況客戶無法接受。圖2為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000rpm時四檔掛五檔換檔性能測試力學(xué)曲線對比。

圖2 力學(xué)曲線對比

圖2縱坐標(biāo)數(shù)值為換檔力，橫坐標(biāo)數(shù)值為換檔位移。當(dāng)換檔位移行進(jìn)在20～40mm之間時，同步器完成的是主同步過程，在這個階段，如果同步環(huán)錐面沒有貼合齒輪錐面，就不會有同步摩擦的產(chǎn)生，主同步階段的換檔力自然就不會升高(藍(lán)色曲線所示)。也正因?yàn)橹魍诫A段同步摩擦扭矩的缺失導(dǎo)致齒套與齒圈的轉(zhuǎn)速不同步，當(dāng)換檔位移行進(jìn)到40～80mm之間進(jìn)入齒套齒圈的花鍵嚙合階段時，碰撞打齒就成為十有八九的大概率事件了。圖2橫坐標(biāo)換檔位移60mm左右藍(lán)色曲線密集飆高振蕩就是碰撞打齒的最顯著表現(xiàn)。

2 問題及產(chǎn)生機(jī)理

通過對比故障變速器打齒和未打齒的換檔性能測試曲線(見圖3)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生打齒沖擊的換檔均是因?yàn)橥狡鳑]有完成主同步而直接進(jìn)入與齒圈的嚙合階段。按照同步器的同步原理，未完成同步直接進(jìn)檔發(fā)生的打齒沖擊，通常是因同步系統(tǒng)的接近尺寸小于0導(dǎo)致。

圖3 測試曲線

接下來，核算同步器系統(tǒng)的尺寸鏈，發(fā)現(xiàn)接近尺寸大于0，故可肯定打齒問題的原因并非來源于接近尺寸方面。

從換檔曲線來看，換檔打齒依然是因?yàn)橹魍轿赐瓿蓪?dǎo)致的，但具體到底是什么原因?qū)е峦竭^程未完成呢？既然不是接近尺寸方面的問題，會不會是因?yàn)轭A(yù)同步功能未完成導(dǎo)致的呢？帶著這個疑問，我們又核算了預(yù)同步間隙(見圖4)尺寸鏈，并檢測了故障變速器的預(yù)同步間隙和預(yù)同步力的大小，發(fā)現(xiàn)預(yù)同步間隙上極限值可能偏大，也就是說，存在這樣一種可能，即：四檔掛五檔時預(yù)同步間隙會進(jìn)一步增大以致預(yù)同步功能無法完成，而六檔掛五檔時，并不會導(dǎo)致預(yù)同步間隙的增大，相反，甚至有可能導(dǎo)致預(yù)同步間隙的減小。

圖4 尺寸鏈

當(dāng)然，分析至此，以上可能尚屬推測，接下來我們要做的就是探討上述推測的客觀存在性。因預(yù)同步間隙的變化通?？捎勺兯倨鬏S系或齒輪的軸向竄動導(dǎo)致，所以我們不妨結(jié)合換檔操作過程分析一下：

四檔掛五檔，當(dāng)車速較慢時，駕駛員一般會通過踩油門將車速提升到較高速度然后馬上踩離合器換檔，此時動力是正拖，即發(fā)動機(jī)帶動變速器。通過對變速器總成布局(見圖5)的分析，輸入軸五檔齒輪是左旋

主動齒輪，齒面軸向分力向左。輸出軸四檔齒輪為左旋被動齒輪，齒面軸向分力向右。所以提速換檔時輸入軸(與五檔齒輪是一體的)與同步器(固定裝配在輸出軸上)在四檔掛五檔瞬間有相互遠(yuǎn)離的趨勢，從而導(dǎo)致預(yù)同步間隙增大到無法實(shí)現(xiàn)預(yù)同步功能，從而導(dǎo)致了換檔打齒故障的發(fā)生。當(dāng)車速較高時，駕駛員不需要踩油門加速，而是一邊溜車一邊從四檔掛五檔，動力是反拖，即變速器帶動發(fā)動機(jī)。此時五檔輸入齒輪所受的軸向分力向右，四檔輸出齒輪向左，輸入軸與輸出軸相互接近，預(yù)同步間隙減小，預(yù)同步功能可正常實(shí)現(xiàn)，故不會發(fā)生換檔打齒故障。

圖5 變速器總成布局

六檔降五檔時，駕駛員都是在六檔的車速下松開油門踩離合器掛五檔，這時變速器齒輪都是反拖傳動，五檔輸入齒輪和六檔輸出齒輪所受的軸向分力迫使輸入軸和輸出軸相互接近，換檔瞬間預(yù)同步間隙減小，預(yù)同步功能可正常實(shí)現(xiàn)，故不會發(fā)生換檔打齒故障。

3 優(yōu)化方案

至此，我們已經(jīng)找到了四檔換五檔打齒的根本原因，接下來要考慮的是改進(jìn)措施及其實(shí)物驗(yàn)證。

從變速器的軸系結(jié)構(gòu)可以看出，輸入軸與輸出軸通過一個過渡軸承連接，要減小預(yù)同步間隙，只需要將接合齒圈錐面整體向右偏移對應(yīng)距離即可。

方法一：在輸入軸與軸承之間增加一個墊片(見圖6)；

方法二：在輸入軸與輸入軸軸承定位的端面上直接增加一個凸臺(見圖7)；

方法三：在五檔接合齒圈上增加一個凸臺(見圖8)。

綜合考慮工藝的復(fù)雜性及生產(chǎn)成本，正式生產(chǎn)時我們選擇了方法三，即在五檔接合齒圈上增加一個凸臺，這樣既不影響制造過程，又不影響裝配過程，成本也是最低的。

圖6 輸入軸與軸承之間增加一個墊片

圖7 端面上直接增加一個凸臺

圖8 五檔接合齒圈上增加一個凸臺