徐偉峰

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2.德納（無(wú)錫）技術(shù)有限公司，無(wú)錫214112）

中國(guó)汽車市場(chǎng)正處于高速發(fā)展期，2008年汽車產(chǎn)銷量為930萬(wàn)，2012年汽車產(chǎn)銷量達(dá)到1900萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2015年中國(guó)汽車產(chǎn)銷量有望達(dá)到3000萬(wàn)輛。在汽車市場(chǎng)規(guī)模高速增長(zhǎng)的情況下，中國(guó)變速箱行業(yè)面臨著重大機(jī)遇。變速箱作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其技術(shù)的發(fā)展是衡量汽車技術(shù)水平的一項(xiàng)重要依據(jù)。由于變速箱在汽車結(jié)構(gòu)中具有著重要的作用，因此變速箱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步具有深遠(yuǎn)的意義。

汽車變速箱中的換檔撥叉零件，在車輛換檔操縱中，對(duì)換檔的平穩(wěn)性、可靠性以及操縱手感都起著重要的作用。因此，為了防止因撥叉零件表面磨損而造成的換檔操縱系統(tǒng)操縱性變差，一般目前國(guó)內(nèi)外通常采用將鋼質(zhì)撥叉零件在經(jīng)過(guò)精鍛及機(jī)械加工后，再對(duì)其摩擦接觸表面進(jìn)行處理，如電鍍硬鉻、高頻淬火或火焰噴鉬等，以提高零件摩擦表面的耐磨性［1］。本文在結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和撥叉實(shí)際應(yīng)用中的需求，介紹成本及維修更加方便的尼龍66材料來(lái)替代上述特殊處理。

1 目標(biāo)變速箱換檔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該變速箱采用主副箱組合設(shè)計(jì)，主箱是手動(dòng)操縱，副箱是氣動(dòng)操縱，具有13個(gè)前進(jìn)檔，1個(gè)倒退檔，變速箱的操縱系統(tǒng)由位于駕駛室的操縱手球和換檔桿組合完成。此處重點(diǎn)說(shuō)明副箱及其范圍檔換檔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，撥叉和氣缸總成見(jiàn)圖1。

圖1 撥叉和氣缸總成Fig.1 Fork and cylinder assembly

1－2－3－4－5檔和倒檔在超低檔區(qū)，6－7－8－9檔在低檔區(qū)，10－11－12－13檔在高檔區(qū)。該處的超低檔、低檔和高檔就是由手球上的兩個(gè)轉(zhuǎn)換按鈕的不同組合，來(lái)控制氣路控制系統(tǒng)，使得特定的氣路通氣或斷氣，從而讓高壓氣體進(jìn)入圖1的氣缸內(nèi)，此時(shí)高壓氣體推動(dòng)活塞左右移動(dòng)，而帶動(dòng)與活塞緊固連接的撥叉桿和撥叉左右移動(dòng)，撥叉的移動(dòng)來(lái)驅(qū)使與之配合的同步器移動(dòng)后達(dá)到同步，最后讓特定的齒輪副結(jié)合工作，來(lái)傳遞動(dòng)力。

可以看出，副箱的檔位切換動(dòng)作由很多步驟組成，這樣勢(shì)必會(huì)消耗較長(zhǎng)的時(shí)間。但是從用戶駕駛的體驗(yàn)和舒適性等角度考慮，必須讓檔位切換的響應(yīng)性要快。所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用了較大的換檔氣壓，為80psi（0.55MPa）。

換檔撥叉相對(duì)與整個(gè)變速箱系統(tǒng)而言，初看起來(lái)是一個(gè)十分不起眼的零件，功能性也比較單一，就是用來(lái)驅(qū)動(dòng)同步器中的滑動(dòng)齒套左右移動(dòng)，進(jìn)而讓同步器結(jié)合或分離。但是前面提到，為了提升響應(yīng)性而采用了較大的換檔氣壓，使得同步換檔動(dòng)作是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的。所以在撥叉腳與滑動(dòng)齒套接觸的瞬間，會(huì)有一個(gè)很大的沖擊效應(yīng)。另外在換檔過(guò)程中，輸出軸是始終旋轉(zhuǎn)的，這使得在同步器同步的過(guò)程中和同步完成后，換檔撥叉腳與滑動(dòng)齒套凹槽這對(duì)摩擦副間是相對(duì)滑動(dòng)的。由此可見(jiàn)撥叉腳與滑動(dòng)齒套這一對(duì)工作副的工作條件是非常惡劣的，有沖擊、有高載荷下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、有高速度差下的相對(duì)滑動(dòng)等。而如果這對(duì)摩擦副間產(chǎn)生過(guò)度磨損，則會(huì)導(dǎo)致同步器無(wú)法正常工作，輕者變速箱無(wú)法正常換檔而失效，重者在高速的情況下無(wú)法減檔，會(huì)引起嚴(yán)重的交通事故［2］。

2 撥叉各種處理工藝的介紹［1］

2.1 高頻感應(yīng)淬火

一般提高鋼材耐磨性的方法是對(duì)其進(jìn)行熱處理，對(duì)于撥叉零件而言，只需要對(duì)其局部的摩擦表面進(jìn)行特殊的熱處理即可。通常采用高頻感應(yīng)淬火，即將中碳鋼經(jīng)高頻感應(yīng)淬火后，使其表面硬度達(dá)到45－50HRC。

2.2 電鍍硬鉻

采用電鍍硬鉻工藝的好處是可使摩擦表面達(dá)到更高的60HRC以上，但是鍍鉻層與基體的結(jié)合強(qiáng)度不是特別理想，在需要高可靠性和壽命的要求下，該工藝可能會(huì)有剝落的隱患。此外，電鍍鉻后還必須通過(guò)磨削來(lái)對(duì)硬鉻層作精加工處理，才能達(dá)到尺寸要求，但此時(shí)高硬度表面的磨削對(duì)設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)考驗(yàn)。

2.3 火焰噴鉬［3］

鉬是C.W.Scheele在1778年發(fā)現(xiàn)的，和鎢一樣，也屬難熔金屬，具有高熔點(diǎn)、高密度、高溫強(qiáng)度、高硬度（可達(dá)60HRC以上）和摩擦系數(shù)低等性能［4］。鉬的熔點(diǎn)高達(dá)2620°C，具有良好的高溫性能和耐腐蝕性能。鉬層與基體間的結(jié)合力很好，在噴涂時(shí)只要參數(shù)控制得當(dāng)，即可保證鉬層的形狀和尺寸。采用鉬絲高速火焰噴涂，噴槍的氣體混合噴射裝置產(chǎn)生高溫燃?xì)馊紵?，特殊設(shè)計(jì)的燃燒室和氣體噴射混合室，使鉬絲在完全熔化前以極高的速度噴涂在工件表面，噴射鉬的致密度可達(dá)99%以上，結(jié)合強(qiáng)度接近100MPa。

這種工藝過(guò)程能有效地改善受磨面的耐磨性，鉬層中存在著許多可以浸漬潤(rùn)滑油的多孔表面微孔，這些微孔所吸附的潤(rùn)滑油在摩擦狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生一種獨(dú)特而有效的潤(rùn)滑作用。它應(yīng)用于汽車工業(yè)，以提高活塞環(huán)、同步環(huán)和其他受磨部件的性能，也用于修復(fù)磨損的曲軸、軸桿等機(jī)械部件［5］。

但是噴鉬時(shí)需要專門的設(shè)備，另外噴鉬工藝的應(yīng)用比較局限，在其他各類機(jī)械產(chǎn)品中采用的較少，造成了火焰噴鉬工藝唯一的缺陷是成本比較高。

2.4 尼龍66

尼龍66材料具有強(qiáng)度較高、摩擦系數(shù)低、耐磨損、自潤(rùn)滑、吸振、消音等優(yōu)良性質(zhì)［6］。在撥叉本體（鍛鋼）不需要特殊處理的前提下，僅在撥叉與滑動(dòng)離合器間的接觸區(qū)鑲嵌由尼龍66制成的嵌塊。而此嵌塊僅是由尼龍66材料經(jīng)過(guò)壓鑄成型后就可得到，單個(gè)的成本是非常低的。另外用戶在維修時(shí)不需要將上述3種工藝后得到的撥叉整體進(jìn)行更換，而只需更換幾塊價(jià)格低廉的嵌塊，因此可以大大降低維修和售后的成本，同時(shí)先期的制造成本也較低。

3 設(shè)計(jì)

基于上述尼龍66材料的優(yōu)點(diǎn)，另外某公司在輕、中型卡車變速箱撥叉的應(yīng)用中已經(jīng)批量采用了帶尼龍66嵌塊的設(shè)計(jì)。但是對(duì)于重型卡車變速箱，由于載荷的增加，在換檔時(shí)會(huì)傳遞更大的扭矩和更大的沖擊。在換入檔位的過(guò)程中需要施加更大的力，此時(shí)作用在尼龍66嵌塊上的接觸力會(huì)明顯增加，所以此嵌塊需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

3.1 方案的提出

為確保項(xiàng)目的成果和減少開(kāi)發(fā)的時(shí)間與費(fèi)用。先采用已經(jīng)批產(chǎn)的嵌塊，此時(shí)僅需將撥叉本體額外加工出可以安裝此嵌塊的特征，如圖2所示（由于多增加了兩個(gè)接觸面，所以在尺寸鏈的核對(duì)中需要格外注意，確保安裝和工作過(guò)程中的可靠）。再將帶嵌塊的撥叉總成放入變速箱中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)3萬(wàn)次的換檔后，結(jié)果見(jiàn)圖2。從結(jié)果中可以看到，尼龍66嵌塊的表面狀態(tài)基本良好。

圖2 尼龍66嵌塊3萬(wàn)次耐久試驗(yàn)后Fig.2 After 30Kdurability test cycles on PA66insert

經(jīng)過(guò)測(cè)量，嵌塊上的磨損不是非常均勻，另外在非嵌塊的表面上也有磨損痕跡，見(jiàn)圖2。此結(jié)果表明撥叉在工作工程中有比較明顯的變形，導(dǎo)致在與滑動(dòng)離合器接觸的時(shí)候并不是理想的平面與平面間的擠壓推動(dòng)。但是此變形結(jié)果也是可以預(yù)期的，因?yàn)樵囼?yàn)采用的原嵌塊中間間距較小，對(duì)于撥叉來(lái)說(shuō)勢(shì)必要加工掉更加多的材料來(lái)適應(yīng)此間距，所以就會(huì)導(dǎo)致?lián)懿娴慕Y(jié)構(gòu)剛度有所降低。

經(jīng)過(guò)以上結(jié)果綜合分析，此尼龍66嵌塊在重型卡車變速箱中是有應(yīng)用前景的，但是必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）增加尼龍66嵌塊的表面，使在換檔時(shí)的作用力均勻分布，減少壓強(qiáng)。

2）撥叉結(jié)構(gòu)更改后，盡量減少剛度的下降。

3）結(jié)構(gòu)對(duì)比優(yōu)化，使撥叉移動(dòng)時(shí)順暢。

3.2 方案的分析和優(yōu)化

上述試驗(yàn)中所采用的嵌塊在工作中的接觸面積為85×2＝170mm2，見(jiàn)圖3。在后面的實(shí)際方案中此接觸面積將增加為200×2＝400mm2，見(jiàn)圖4，并且如果確實(shí)需要，從結(jié)構(gòu)上看，還可以再增加30%－40%的接觸面積。

由于之前試驗(yàn)中采用現(xiàn)有的嵌塊，導(dǎo)致?lián)懿姹倔w被加工掉的材料厚度較大。在后續(xù)方案中將采用如上圖所示的結(jié)構(gòu)，使一側(cè)嵌塊前后面獨(dú)立承受進(jìn)出檔位的受力。這樣可使撥叉被加工掉的材料盡可能的少。

圖3 采用原有嵌塊Fig.3 Using original insert

圖4 實(shí)際方案中采用的嵌塊設(shè)計(jì)Fig.4 Actual insert design proposal

尼龍66嵌塊的具體位置在理論上可繞撥叉的中心旋轉(zhuǎn)任意布置，但為了保證撥叉與滑塊離合器在工作過(guò)程中較順暢的移動(dòng)。理論上最好是讓嵌塊的中心與滑塊離合器的水平線重合。但由于撥叉實(shí)際安裝的客觀限制和盡量減少撥叉的材料，另外由于撥叉本身鍛模的費(fèi)用也非常高，在試驗(yàn)階段不考慮重新設(shè)計(jì)撥叉。所以方案中盡量使兩者的中心線靠近［7］。

3.3 方案的確定

由于時(shí)間和成本等因素的考慮，對(duì)于最終方案的確定先采用有限元分析（FEA）的手段，通過(guò)對(duì)比新老設(shè)計(jì)中受力后撥叉腳的變形量，見(jiàn)圖5和圖6?？梢钥闯鲈性O(shè)計(jì)中在施加了2800N的力后，撥叉腳的最大變形量是0.42mm，而新設(shè)計(jì)中最大變形量是0.70mm，增加了67%。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)方案是在盡可能多的保持其余零件不變的條件下進(jìn)行的，另外尼龍66嵌塊由于是通過(guò)注塑工藝得到的，其厚度需要一定的值，必須對(duì)原有撥叉進(jìn)行一定量的加工，所以新設(shè)計(jì)撥叉的最大變形量有一定程度的增加也是可以預(yù)見(jiàn)的。最終方案選擇在接觸面積為400mm2的撥叉設(shè)計(jì)。

圖5 原設(shè)計(jì)撥叉有限元分析結(jié)果Fig.5 Original design fork FEA results

圖6 新設(shè)計(jì)撥叉有限元分析結(jié)果Fig.6 New design fork FEA results

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)目標(biāo)換檔機(jī)構(gòu)的分析、各種撥叉處理工藝的介紹、設(shè)計(jì)分析和初步的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了采用尼龍66材料嵌塊的撥叉設(shè)計(jì)，雖然由于最終設(shè)計(jì)方案的模具未投入，無(wú)法得到樣件和進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)，但是通過(guò)圖2所顯示的結(jié)果和對(duì)接觸面積的重新設(shè)計(jì)，有理由相信最終設(shè)計(jì)方案會(huì)取得理想的效果。所以尼龍66材料在變速箱換檔撥叉摩擦表面上的應(yīng)用是有廣闊前景的。

［1］陸克久.火焰噴鉬在變速器換檔撥叉摩擦表面上的應(yīng)用［J］.汽車制造與裝備，2005（4）：57－58.

［2］羅新聞，王文龍，李佳音，等.汽車傳動(dòng)系統(tǒng)原理與檢修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009（10）：41－52.

［3］王瑞坤，宋文瀾.火焰噴涂技術(shù)在車輛維修中的應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1997：12.

［4］王發(fā)展，李大成，孫院軍，等.鉬材料及其加工［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008（6）：1.

［5］殷為宏，湯慧萍.難熔金屬材料與工程應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012（6）：265.

［6］李識(shí)寒，劉建強(qiáng)，朗 松.尼龍66工程塑料的現(xiàn)狀與展望［A］.西部大開(kāi)發(fā) 科教先行與可持續(xù)發(fā)展——中國(guó)科協(xié)2000年學(xué)術(shù)年會(huì)文集［C］.2000：468.

［7］徐海山，湯夢(mèng)蕊.變速器換檔撥叉的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2002（4）：60－61.