徐海山，徐鳴蔚

(唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司，河北唐山 064099)

變速器加速掉擋的機(jī)制與預(yù)防

徐海山，徐鳴蔚

(唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司，河北唐山 064099)

從變速器掉擋現(xiàn)象入手，對車輛加速行駛中發(fā)生掉擋的機(jī)制進(jìn)行了分析，同時從設(shè)計角度有針對性地提出了預(yù)防掉擋的措施。

變速器；加速掉擋；預(yù)防

0 引言

掉擋是指車輛在行駛過程中，突發(fā)性從工作擋位脫離并回到空擋的現(xiàn)象，也稱脫擋。它是很多變速器開發(fā)甚至量產(chǎn)初期容易遇到的故障現(xiàn)象之一。一旦發(fā)生掉擋，車輛動力傳遞中斷，不能繼續(xù)行駛，同時引起客戶抱怨。而在掉擋故障中，尤以加速掉擋最為常見，文中就重點(diǎn)論證了加速掉擋產(chǎn)生的機(jī)制，結(jié)合加速掉擋的機(jī)制從設(shè)計角度提出了一些預(yù)防掉擋的方法。

1 加速掉擋發(fā)生的機(jī)制

變速器通常設(shè)計有防止脫擋的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，通過在接合套和接合齒的端部設(shè)計倒錐結(jié)構(gòu)防止掉擋。防脫出力由倒錐面的分力和摩擦力構(gòu)成。以市場上某產(chǎn)品為例計算防脫出力如下。

圖1 齒端倒斜面式防止脫擋機(jī)構(gòu)及受力分析

已知：單個接合齒傳遞圓周力F=170 N，防脫倒錐角α=4.5°，接合齒與接合套的摩擦因數(shù)μ=0.15。設(shè)防脫力為T，從圖1可得：

T=f·cosα+F·tanα

式中：f=N·μ

N=F/cosα

故：T= (F/cosα·μ)·cosα+Ftanα=(170/cos4.5°×0.15)×cos4.5°+170×tan4.5°=25.50+13.38=38.88(N)

從受力分析可知，在傳遞力和摩擦因數(shù)一定時，防脫擋力與倒錐角度正相關(guān)。當(dāng)車輛加速行駛時，變速器內(nèi)并無推動接合套使其向脫擋方向移動的力，相反有倒錐力和摩擦力阻止接合套向脫開方向移動，因此正常情況下不會發(fā)生掉擋。

事實(shí)上，車輛加速行駛時，由于變速器內(nèi)各換擋相關(guān)零件之間配合間隙的存在，導(dǎo)致接合齒與支撐軸產(chǎn)生相對擺動，接合套相對花鍵轂也發(fā)生相對擺動。這些擺動的存在導(dǎo)致接合套與接合齒之間一直存在相對運(yùn)動，這個相對運(yùn)動才是變速器發(fā)生掉擋的根源。下面詳細(xì)分析加速掉擋發(fā)生的機(jī)制。

機(jī)制一，接合套和接合齒相對擺動過程中，接合齒向外擺動時，由于接合倒齒尖角卡住接合套棱線(見圖2)，推出力驟增，推動接合套向掉擋方向移動。接合齒向回擺動時，由于倒錐角遠(yuǎn)小于倒尖角，引導(dǎo)作用很強(qiáng)，卡住點(diǎn)容易解除，接合齒對接合套的摩擦拉力不足以克服花鍵轂對接合套的拉力，接合套不能返回正常接觸位置，周而復(fù)始發(fā)生掉擋。

圖2 機(jī)制一的卡住點(diǎn)和拉力點(diǎn)

機(jī)制二，隨變速器轉(zhuǎn)速和扭矩的提高，接合齒與接合套相對擺動幅度變大。當(dāng)擺動幅度超出倒錐結(jié)合長度時，接合齒與接合套脫離[1]，發(fā)生掉擋(見圖3)。

圖3 機(jī)制二的脫開點(diǎn)

機(jī)制三，結(jié)合齒擺動時，帶動同步環(huán)跟隨擺動，同步環(huán)尖角面向外擺動時，推動接合套的倒錐后坡角向脫開方向移動[2]，移動幅度超過倒錐重合長度時也會發(fā)生掉擋(見圖4)。

改革開放以來，中國政府總體上按照“?；?、全覆蓋”的原則，推進(jìn)基礎(chǔ)教育、基本醫(yī)療和社會保障等社會事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)逐步實(shí)現(xiàn)基本公共服務(wù)均等化。這樣的社會事業(yè)發(fā)展政策，具有明顯的包容性，對于提高全體居民的教育、醫(yī)療和社會保障水平具有至關(guān)重要的影響。

圖4 同步環(huán)對接合套的推力點(diǎn)

2 加速掉擋的預(yù)防

了解掉擋發(fā)生的機(jī)制，設(shè)計時就可以針對性采取預(yù)防措施。可采取的預(yù)防措施中：首先要減小接合齒與接合套之間的相對擺動；其次，要避免因接合齒與接合套的相對擺動造成的倒錐重合長度的不足。從這兩點(diǎn)出發(fā)，可采取的預(yù)防掉擋的措施有很多，主要措施有如下幾點(diǎn)：

(1)減小接合套自身的擺動

要減小接合套的擺動，首先要減小接合套和花鍵轂相配合的花鍵鍵側(cè)間隙。轎車變速器通常鍵側(cè)間隙控制在0.08～0.22mm之間?？紤]花鍵加工過程中齒厚公差控制的難度比較大，也可以采用分組選配的方式降低接合套與花鍵轂的鍵側(cè)間隙。分組選配時，公差可縮小1倍以上。為便于生產(chǎn)現(xiàn)場檢查和控制，也可以直接控制接合套與花鍵轂配合狀態(tài)下的偏擺量。偏擺量測量方法如圖5所示，固定花鍵轂，上下晃動接合套，通過儀表即可讀出偏擺量數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)際，通常產(chǎn)品圖紙上設(shè)定的偏擺量在0.3～0.8mm內(nèi)，這樣就可以比較理想地降低接合套自身的擺動幅度。

圖5 接合套與花鍵轂的偏擺量

(2)減小接合齒的擺動

要減小接合齒自身的擺動，首先要減小接合齒與軸的徑向配合間隙。這可通過減小接合齒與支撐軸的配合直徑尺寸公差，減小徑向配合間隙的峰值(見圖6)。通常徑向間隙控制在0.015～0.07mm內(nèi)可有效控制接合齒的擺動幅度。極端工況下，比如有掉擋發(fā)生或異常振動時，需要再提升精度要求，將配合間隙控制在0.009～0.04mm內(nèi)。

圖6 接合齒與支撐軸徑向間隙

(3)控制接合套與結(jié)合齒的接觸姿態(tài)

通過試驗(yàn)得知，接合齒和接合套倒錐部位的接觸姿態(tài)對兩者之間的相對擺動量有著顯著影響。要減小接合齒與接合套的相對擺動，還需要控制兩者的接觸姿態(tài)。即通過設(shè)計接合套和接合齒的倒錐角度和倒錐部位的齒形，使它們保持理想接觸姿態(tài)(圖7)，也可以在一定程度上影響它們的相對擺動幅度。同時，接觸姿態(tài)的變化還影響到接合齒和接合套之間的摩擦力和卡滯力的變化。因此，設(shè)計倒錐角度和倒錐齒形時，盡力保持兩者相對位置處于理想接觸姿態(tài)。

圖7 接合套與接合齒的接觸姿態(tài)

圖8 去掉部分花鍵齒的分布

由于花鍵周節(jié)累積誤差的存在，工作時，接合齒與接合套的倒錐部位做不到整圈接觸，只有部分齒參與工作。此時，如

果參與工作的花鍵齒并未對稱分布，則產(chǎn)生偏載。偏載會導(dǎo)致接合套相對接合齒發(fā)生傾斜。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，這種傾斜將加劇接合齒與接合套的擺動幅度。為解決這個問題，設(shè)計上，在保證接合齒承載能力的基礎(chǔ)上，經(jīng)常會采用去掉部分花鍵齒的方法來降低周節(jié)累積誤差(見圖8)，使整圈花鍵齒受力均勻。從受力對稱角度分析，對稱去齒效果更佳。

(5)增大倒錐角

倒錐角的作用是增加接合齒與接合套在運(yùn)轉(zhuǎn)時的防脫出力。在設(shè)計上增大倒錐部位的角度，可有效提升防脫出力。另外，防脫出力的增加，還可以改變接合齒和齒套的接觸姿態(tài)，降低擺動幅度，從而有效降低掉擋風(fēng)險。

(6)增加接合套和接合齒的倒錐重合長度

根據(jù)脫擋機(jī)制二，為防止擺動過程中接合套與接合齒脫開接觸，可適當(dāng)增加二者倒錐部位的重合長度，見圖9。重合長度增加后，消除了接合齒與接合套相對擺動過程中的脫離點(diǎn)?？梢赃m應(yīng)更大的擺動量，有效減小掉擋風(fēng)險[3]。

圖9 重合長度延長后的效果

(7)縮短接合套倒錐總長度

根據(jù)掉擋機(jī)制三，為避免同步環(huán)在隨接合齒擺動時推動接合套脫出，可適當(dāng)降低倒錐總長度，見圖10。這樣，在工作時，同步環(huán)含在接合套的倒錐區(qū)域外，避免了同步環(huán)尖角部位與接合套倒錐后坡角接觸，從而消除了同步環(huán)推出接合套產(chǎn)生脫擋的風(fēng)險。

圖10 縮短接合套倒錐總長度的效果

3 結(jié)束語

綜上分析，引起變速器加速掉擋的根本原因是接合齒與接合套之間的相對擺動。要避免掉擋問題的發(fā)生，首要是降低接合齒與接合套之間的擺動幅度。因此，在設(shè)計上可通過減小接合齒與軸的徑向間隙、減小接合套與花鍵轂的鍵側(cè)間隙、增加倒錐部位重合長度、增大倒錐角、保持接合齒與接合套理想接觸姿態(tài)等措施來避免掉擋問題的發(fā)生。當(dāng)然，能夠引起掉擋的因素還有很多，比如換擋行程不足、撥叉軸的自鎖定位力小、撥叉彈性變形等，具體還需要根據(jù)實(shí)際情況采取最適合的解決辦法。

【1】張建.汽車變速器的脫檔故障分析與排除[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2015(14):46.

【2】朱碧.汽車變速箱的脫檔分析和改進(jìn)措施[J].機(jī)械管理開發(fā)，2008(5):108-109.ZHUB.MeasuresonAnalysisandImprovementoftheTransmissionNentralinVehicles[J].MechanicalManagementandDevelopment，2008(5):108-109.

【3】呂超.一種輕卡變速器脫檔原因分析與改進(jìn)[J].機(jī)械工程與自動化，2015(3):214.LYUC.ALightTruckTransmissionDesynchronizationAnalysisandStructureImprovement[J].MechanicalEngineeringandAutomation,2015(3):214.

【4】王建芳.汽車變速器脫檔機(jī)制分析與預(yù)防[J].機(jī)械工程與自動化，2012(6):202-203.WANGJF.ReasonAnalysisandPreventionofTransmissionOutofEngagement[J].MechanicalEngineering&Automation,2012(6):202-203.

【5】王瑾.汽車變速器脫檔故障研究[J].上海汽車，2014(11):6-8.

Mechanism and Prevention of Transmission out of Gear

XU Haishan, XU Mingwei

(Tangshan Aisin Gear Ltd.,Tangshan Hebei 064099,China)

From the phenomenon of the transmission out of gear, the mechanism of the transmission out of gear in the speeding up process was analyzed. From the design point of view, the methods to prevent out of gear were proposed.

Transmission; Out of gear in the speeding up process; Prevention

2016-09-29

徐海山(1970—)，男，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)槠囎兯倨鏖_發(fā)。E-mail：xhs@tagc.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.011

U463.212

B

1674-1986(2017)01-043-04