汽車變速器自動合箱設(shè)備旋轉(zhuǎn)撥叉疲勞壽命提升研究

滕海渤　黃樺　劉義法

摘要：某汽車變速器生產(chǎn)線，自動合箱工位合箱過程中，依靠自動合箱設(shè)備旋轉(zhuǎn)撥叉撥動殼體總成內(nèi)差速器行星軸，使差速器齒輪與變速器液力變矩器殼體總成內(nèi)齒圈旋轉(zhuǎn)嚙合進(jìn)行合箱。由于撥叉結(jié)構(gòu)和材質(zhì)原因，撥叉頻繁出現(xiàn)變形和斷裂的情況，設(shè)備也頻繁報警和合箱不成功，嚴(yán)重影響了制造質(zhì)量和開動率，問題亟待解決。從撥叉結(jié)構(gòu)和材質(zhì)以及合箱程序等方面優(yōu)化，來進(jìn)行自動合箱設(shè)備旋轉(zhuǎn)撥叉疲勞壽命提升研究和驗證，通過改進(jìn)，大大提升了撥叉疲勞壽命，降低了制造成本，提升了變速器制造質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：變速器；旋轉(zhuǎn)撥叉；斷裂；疲勞壽命

某汽車九速變速器在合箱工位采用旋轉(zhuǎn)壓機(jī)進(jìn)行液力變扭器總成和變速器殼體總成合箱，在合箱過程中，自動合箱設(shè)備的旋轉(zhuǎn)撥叉與差速器的行星軸配合后撥動殼體總成上的差速器旋轉(zhuǎn)后，差速器齒輪與變速器液力變扭器殼體總成內(nèi)齒圈旋轉(zhuǎn)嚙合進(jìn)行合箱。某生產(chǎn)線合箱工位變速器自動合箱設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備采用旋轉(zhuǎn)壓機(jī)邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)行合箱。該工位頻繁出現(xiàn)合箱不成功故障，即設(shè)備扭矩超載報警后停止在原位不動作，此時操作者進(jìn)入設(shè)備內(nèi)查看時會發(fā)現(xiàn)撥叉有變形或斷裂問題，變形的撥叉會把差速器帶起，斷裂撥叉掉落到變速器腔體內(nèi)會劃傷變速器內(nèi)腔，或者停留在油路里面引起換擋卡滯問題，如何防止撥叉變形斷裂，提升撥叉疲勞壽命是亟待解決的問題。

設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝介紹

變速器合箱的兩個部分如圖2所示，合箱時撥叉撥動變速器殼體總成上差速器邊旋轉(zhuǎn)邊與變速器液力變扭器總成上內(nèi)齒圈嚙合，變速器液力變扭器總成部分和變速器殼體總成部分裝配在一起，則合箱成功。

該9速變速器自動生產(chǎn)線共線生產(chǎn)了多種型號的變速器，差速器的行星軸結(jié)構(gòu)分為十字軸和一字軸兩種，撥叉形狀配合兩種行星軸撥差速器配合內(nèi)齒圈旋轉(zhuǎn)。自動合箱設(shè)備差速器及變速器差速器行星軸配合情況如圖3所示。十字行星軸差速器和一字行星軸差速器如圖4所示，分別對應(yīng)不同型號的變速器。

合箱工位主要動作順序為機(jī)器人從AGV小車或備料滑臺上取下液力變扭器殼體總成零件，機(jī)器人到達(dá)讀碼位進(jìn)行讀碼比較，讀碼合格機(jī)器人到達(dá)機(jī)床放件位，機(jī)床三個擺爪氣缸夾緊，機(jī)器人夾具氣缸松開，機(jī)器人返回，工件到達(dá)擋料位，讀寫頭讀取信息，抬起定位氣缸并鎖緊，導(dǎo)向柱氣缸伸出，升降壓機(jī)到達(dá)預(yù)壓裝位置，判斷機(jī)型后解鎖裝置橫移氣缸送進(jìn)，駐車解鎖氣缸，旋轉(zhuǎn)壓機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，升降壓機(jī)開始合箱，合箱成功或失敗后機(jī)床擺爪氣缸打開，推殼氣缸伸出，推殼氣缸返回，導(dǎo)向柱氣缸返回，抬起定位氣缸解鎖，定位氣缸落下，讀寫頭寫入工作信息，托盤放行。

主要工藝過程為：變速器殼體總成托盤到位→托盤到達(dá)工位讀取RFID→機(jī)器人自動從AGV小車上抓取變速器液力變扭器總成后并吸塵→自動掃描液力變扭器殼體總成和油泵二維碼→驅(qū)動手軸，旋轉(zhuǎn)將停車爪從停車位置拉出→自動合箱（變速器液力變扭器總成油泵油封襯套與殼體總成的離合器殼體軸通過導(dǎo)向芯軸配合在一起）→若合箱失敗，后擋料人工合箱→托盤自動放行。

撥叉斷裂原因分析

正常撥叉和在合箱過程中合箱報警后檢查發(fā)現(xiàn)崩齒的撥叉如圖5所示，該撥叉斷口經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)為脆性斷裂，未經(jīng)過明顯的變形直接就斷裂了，而非經(jīng)過大量變形累計后的韌性斷裂，脆斷時沒有明顯的伸長或彎曲，更無縮頸，也沒有直徑的增大及壁厚的減薄，斷口的尺寸（如直徑、厚度）比原始尺寸無明顯變化，斷口與主應(yīng)力垂直，也即與撥叉表面垂直，斷口平齊[1][2]。撥叉材質(zhì)為4Cr5MOSiV1（H13鋼），實際硬度≥50HRC，該撥叉未經(jīng)過回火處理，易在旋轉(zhuǎn)和撞擊差速器行星軸的情況下產(chǎn)生變形和脆性斷裂，該批次撥叉壽命在幾百次和幾千次不等，很快就產(chǎn)生了斷裂崩齒，撥叉斷裂后影響變速器工位合箱成功率，大大影響了變速器制造質(zhì)量和效率。

撥叉斷裂原因魚骨圖分析如圖6所示，從人機(jī)料法環(huán)等方面對撥叉的工作狀況進(jìn)行了分析，通過分析針對原因進(jìn)行逐一排查[3][4][5]。目前壓機(jī)扭矩≤10N·m；下降時與行星軸接觸時速度為10mm/s，速度和扭矩較小，不是造成斷裂的原因；旋轉(zhuǎn)壓機(jī)程序設(shè)置壓力≤2kN的過載保護(hù)，一旦超過壓力設(shè)備就會報警停止，故旋轉(zhuǎn)壓機(jī)壓力過大也不是撥叉斷裂的主要原因；此外旋轉(zhuǎn)壓機(jī)下降速度較小的情況下，撥叉與光滑的差速器行星桿接觸會滑開撥開行星桿，不會因為下降速度過快沖擊造成撥叉斷裂。故通過分析認(rèn)為撥叉產(chǎn)生脆性斷裂的兩個原因為：一是撥叉熱處理方式不合理；二是撥叉與連接桿臨時卡滯，缺少自由度導(dǎo)致?lián)懿骖~外受力導(dǎo)致斷裂。

改進(jìn)方案及措施

為了提升自動合箱設(shè)備旋轉(zhuǎn)撥叉疲勞壽命，采用了以下幾點改進(jìn)方案和措施[6] [7]：

1）進(jìn)行撥叉材質(zhì)對比，優(yōu)化撥叉熱處理工藝，由4Cr5MOSiV1（H13鋼）淬火更改為淬火后高溫回火三次，熱處理后硬度為40～45HRC，增強(qiáng)撥叉的韌性和強(qiáng)度，消除撥叉脆性斷裂風(fēng)險；工藝驗證過程中選擇不同材質(zhì)和熱處理方案撥叉壽命對比見表1（1次代表完成了一臺變速器合箱）。

2）不同行星軸變速器采用不同結(jié)構(gòu)的撥叉，一字軸差速器采用一字撥叉，十字軸差速器采用十字撥叉，設(shè)備人機(jī)操作界面顯示器上增加換型時更換撥叉提示，從結(jié)構(gòu)上分開增加強(qiáng)度，撥叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖7所示，撥叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化后壽命變化情況見表2。

3）更換旋轉(zhuǎn)壓機(jī)上方連接桿，由銷連接更改為鍵連接，防止旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生卡滯別斷旋轉(zhuǎn)撥叉。

4）在前序工位人工干涉把差速器中行星軸轉(zhuǎn)到統(tǒng)一方向，在自動合箱工位撥叉原點位置調(diào)整到下降后直接能夠較為精準(zhǔn)地配合到差速器行星軸上，減少碰撞產(chǎn)生的撥叉磨損。

5）優(yōu)化現(xiàn)場輔助目視監(jiān)控，增加高清攝像頭和顯示器方便現(xiàn)場隨時觀察和查看撥叉狀態(tài)，以便撥叉斷齒后能夠盡快追溯到變速器，防止質(zhì)量缺陷溢出風(fēng)險。

6）設(shè)備人機(jī)操作界面顯示器上增加撥叉壽命自動監(jiān)控，達(dá)到設(shè)定壽命后自動提示進(jìn)行撥叉更換。自動合箱設(shè)備工位人機(jī)界面上增加壽命自動計數(shù)和報警提示，壽命到期設(shè)備自動提示更換撥叉。

結(jié)語

經(jīng)過一系列的改進(jìn)措施，目前該變速器大批量自動生產(chǎn)線上自動合箱工位優(yōu)化撥叉旋轉(zhuǎn)原點位置、材質(zhì)和熱處理方案后，撥叉壽命已經(jīng)從原來的400～500次就發(fā)生斷裂提升到了現(xiàn)在的18 000次以上定期進(jìn)行更換，壽命提升了36倍以上，提高了該工位自動合箱成功率，降低了撥叉頻繁更換的備件成本和變速器因為撥叉斷裂或合箱不成功返工的制造成本，提升了變速器制造質(zhì)量和效率，改進(jìn)效果十分顯著，為汽車制造行業(yè)自動合箱成功率和撥叉工裝壽命提升提供了極好的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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