變速箱高檔錐體斷齒故障分析研究

付衛(wèi)芳 王虎

(重慶鐵馬變速箱有限公司 重慶 400050)

公司某款變速箱在整車試驗時出現(xiàn)手動模式5、6擋提不起車速現(xiàn)象，吊艙分解變速箱副箱，發(fā)現(xiàn)副箱高檔錐體外花鍵斷40齒，剩余23齒。

圖1 高檔錐體外花鍵斷齒圖

1 變速箱同步器的結(jié)構(gòu)及工作原理

故障變速箱的結(jié)構(gòu)介紹：該變速箱包括變速箱本體和氣控自動AMT操縱系統(tǒng)，其中變速箱本體結(jié)構(gòu)組成包括主箱總成、輸入軸總成、中間軸總成、主軸總成、高低擋副箱總成、取力器總成及換擋總成等。自動變速操縱系統(tǒng)包括：多功能手柄式選擋器、電腦換擋控制器總成、離合器控制執(zhí)行機構(gòu)總成、動力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)、電纜總成、自動變速操縱系統(tǒng)軟件和坡道起步輔助控制閥、穿墻插座等附件。

變速箱采用4×2擋位組成方式，主箱采用兩級齒輪傳動結(jié)構(gòu)、副箱采用行星排結(jié)構(gòu)，傳動簡圖如圖2。

圖2 變速箱傳動簡圖

高低擋副箱總成結(jié)構(gòu)如圖3所示。高低擋副箱主要由行星機構(gòu)、高低擋同步器總成、高低擋氣缸總成、軸承及箱體等組成。

圖3 變速箱副箱結(jié)構(gòu)示意圖

同步器功能描述：高低擋副箱采用慣性式同步器換擋，同步器主要由滑套、同步環(huán)、錐體及定位銷組成，如圖4所示。

圖4 慣性式同步器結(jié)構(gòu)示意圖

副箱動力傳遞路線如圖5所示。

副變速器低速檔傳動路線

高低擋氣缸通過高低擋氣閥、活塞桿及撥叉作用在滑套上。當(dāng)滑套向左運動時，與低擋錐體結(jié)合，此時，行星排齒圈被固定，動力由太陽輪輸入、框架輸出，傳動比為3.43，系為低擋；當(dāng)滑套向右運動時，與高檔錐體結(jié)合。此時，框架和齒圈被固定在一起，兩者整體回轉(zhuǎn)，傳動比為1，系為高檔。

2 高檔椎體斷齒故障分析

高檔椎體斷齒故障主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計，零部件質(zhì)量和換擋操作等幾個方面進行了分析。

2.1 設(shè)計方面

首先從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面分析，該變速箱的副箱總成結(jié)構(gòu)為公司成熟產(chǎn)品，在國內(nèi)多個重型車輛底盤上應(yīng)用驗證，因此可以排除該項故障原因。

2.2 熱處理工藝設(shè)計不合理

熱處理工藝設(shè)計不合理會導(dǎo)致零件熱處理不到位，或者部分區(qū)域存在熱處理缺陷，進而對其強度造成影響。

故障發(fā)生后，對高檔同步器錐體熱處理工藝進行了復(fù)查。復(fù)查發(fā)現(xiàn)：高檔同步器錐體按Q/LP1595-2000(企業(yè)標(biāo)準)進行熱處理和表面處理，該熱處理工藝為公司成熟工藝，因此可以排除該項故障原因。

2.3 材料選用不合理

材料選用不合理，其本身的強度達不到設(shè)計要求，將導(dǎo)致零件產(chǎn)生早期失效。

高檔同步器錐體采用16CrMnBAH，該材料具有強度大、硬度高、耐磨性能好的特點，在公司產(chǎn)品上廣泛使用，因此可以排除該項故障原因。

2.4 加工尺寸超差

由于故障錐體外花鍵齒已全部脫落，部分尺寸不能進行檢測。復(fù)查零件實測記錄，并將同批次零件進行復(fù)檢。檢測結(jié)果表明主要尺寸符合設(shè)計要求，但鎖止面及齒根圓角偏小，實測值對比結(jié)果如表1。

表1 鎖止面根部圓角半徑實測結(jié)果

由實測結(jié)果可見，鎖止面圓角及齒根圓角未能達到設(shè)計要求。圓角過小，將導(dǎo)致應(yīng)力集中，在交變載荷作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋。同時，重慶大學(xué)分析結(jié)論為應(yīng)力集中對錐體外齒疲勞斷齒有促進作用，疲勞源位于齒根與鎖止面交點位置，因此不能排除故障原因。

2.5 熱處理未達設(shè)計要求

生產(chǎn)過程若未嚴格按照熱處理工藝文件執(zhí)行，會導(dǎo)致材料強度不能達到設(shè)計要求，進而對零部件強度造成影響。

復(fù)查故障零件熱處理操作記錄，過程符合工藝文件要求；對其進行金相分析及硬度檢測，分析及檢測結(jié)果見表2。

表2 同批次高擋錐熱處理檢測結(jié)果

由表可見，熱處理參數(shù)符合設(shè)計要求。

其中，高檔錐體外花鍵齒面和齒根存在內(nèi)氧化現(xiàn)象，內(nèi)氧化深度0.01 mm～0.02 mm，根據(jù)機械行業(yè)標(biāo)準JB/T10424-2004，齒輪內(nèi)氧化應(yīng)小于0.02 mm(在齒根處檢測)，因此可以排除該項故障原因。

2.6 使用材料不滿足設(shè)計要求

使用材料不滿足設(shè)計要求，會導(dǎo)致高檔同步器錐體強度不足，進而導(dǎo)致同步器錐體外齒早期失效。

設(shè)計要求高檔同步器錐體材料為16CrMnBAH，對同批次零件進行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果表明同批次高檔同步器錐體材料化學(xué)成分滿足設(shè)計要求?？梢耘懦擁椆收显?。

2.7 材料本身存在裂紋等缺陷

對同批次高檔同步器錐體進行探傷，結(jié)果表明其組織致密，不存在裂紋等缺陷?？梢耘懦擁椆收显颉?/p>

2.8 高低擋換擋機構(gòu)尺寸鏈設(shè)計不合理

高低擋換擋機構(gòu)示意圖如圖6所示，在整車氣源及高低擋換向氣閥的作用下，推動高低擋氣缸活塞運動，并通過高低擋撥叉作用在滑套上?；紫蛴疫\動與高檔同步器錐體結(jié)合，副箱掛高檔。如果換擋系統(tǒng)尺寸鏈設(shè)計不合理將造成滑套與錐體結(jié)合不到位，造成錐體外花鍵齒受力不均而導(dǎo)致斷裂。

圖6 高低擋換擋機構(gòu)示意圖

對高檔換擋機構(gòu)尺寸鏈進行校核，換擋機構(gòu)設(shè)計滿足要求，因此可以排除該項故障原因。

2.9 裝配調(diào)整不當(dāng)

高檔同步器錐體裝配時需通過選配同步環(huán)與錐體保證二者貼合間隙,通過選配調(diào)整墊片保證同步環(huán)與錐體裝配間隙。

同步器貼合間隙過小，會造成同步器同步困難，滑套與錐體沖擊，使錐體結(jié)合齒早期損壞；同步器貼合間隙過大會導(dǎo)致脫擋。裝配間隙過小，會導(dǎo)致同步時間短，換擋沖擊大；裝配間隙過大，會導(dǎo)致結(jié)合齒部分接觸，從而導(dǎo)致結(jié)合齒局部受力過大產(chǎn)生失效。

復(fù)查裝配過程記錄，且對故障同步器進行測量，結(jié)果如表3。

初中生需要解決的動點問題不僅是初中數(shù)學(xué)中某一章節(jié)的內(nèi)容，也是初中學(xué)習(xí)期間所有數(shù)學(xué)知識的集成與結(jié)合，并在考試中占有較大的分數(shù)比重。也正是在其綜合特性影響下致使學(xué)生在解答“動點問題”期間經(jīng)常感到無從下手，在實際教學(xué)期間也缺少針對性教學(xué)方法與模式的教學(xué)內(nèi)容。所以，在對“動點問題”教學(xué)期間，應(yīng)對學(xué)生解答問題時具有的難點與其形成原因進行深入分析，結(jié)合學(xué)習(xí)需求制定完善的教學(xué)方法。在提高數(shù)學(xué)教師教學(xué)效率的同時，也可促進學(xué)生成績的提高，在一定程度上對提高學(xué)生問題解決與分析能力也有著極為重要的作用。

表3 同步器間隙測量結(jié)果

因此可以排除該項故障原因。

2.10 換擋機構(gòu)異常

如果存在換擋機構(gòu)卡滯等異?，F(xiàn)象，將導(dǎo)致掛擋不到位或者掛擋遲緩。對換擋機構(gòu)進行檢查，并無異?，F(xiàn)象?？梢耘懦擁椆收显?。

2.11 換擋沖擊力過大

如果該變速箱換擋力過大，將造成同步器早期磨損。該變速箱為手自一體變速箱，高低擋通過ECU控制高低擋氣閥的通斷來實現(xiàn)高低擋切換，高低擋氣缸的氣缸直徑為80 mm，氣壓0.8 MPa,計算高、低擋換擋力分別為3,555 N，3,416 N，高擋換擋力比低擋換擋力小，高擋錐體承受的撞擊力比低擋錐體小，計算內(nèi)容如下：

(1)

(2)

η：載荷率，考慮氣缸工作時的背壓阻力，密封處摩擦力等，η取0.85[2]。

因此，可以排除故障原因。

3 分析結(jié)果

通過對高檔同步器錐體外花鍵疲勞斷裂問題故障樹分析，問題定位于高檔錐體加工尺寸超差。具體為高檔同步器錐體外花鍵齒鎖止面根部圓角過小，導(dǎo)致該處應(yīng)力集中過大，在交變載荷作用下疲勞斷裂。

4 驗證

將高檔同步器錐體實物與理論設(shè)計建模進行有限元分析，分析結(jié)果如表4。

表4 有限元分析結(jié)果

(a) 設(shè)計狀態(tài)

由分析結(jié)果可見：

高檔錐體應(yīng)力最大處為圖7所示A(C)位置，即齒根與鎖止面根部結(jié)合處，與斷口分析結(jié)果一致；

鎖止面根部圓角過小，使高檔同步器錐體外齒根部應(yīng)力急劇增大。在交變載荷作用下，齒根處形成細微裂紋并逐漸擴大，最終發(fā)生斷裂。

5 結(jié)論

本文中對變速箱高檔椎體斷齒故障進行了現(xiàn)象描述、原因分析，從而得出了高檔錐體斷齒的主要原因不是零件結(jié)構(gòu)設(shè)計或熱處理問題，是加工不到位引起的，為后續(xù)分析變速箱同步器問題提供依據(jù)。