麻建國

摘 ?要：變速箱是汽車的重要組成部分，可以應(yīng)對不同的行駛工況，保證整車系統(tǒng)的正常運行。而止推卡簧做為液力自動變速箱的關(guān)鍵部件之一，其對變速箱的零部件起到軸向固定作用，保證變速箱傳動的準(zhǔn)確性和安全性。本文介紹了一種變速箱止推卡簧的開發(fā)應(yīng)用策略，對該止推卡簧的應(yīng)用開展了一系列的受力機理分析、設(shè)計結(jié)構(gòu)分析、有限元分析、裝配工藝分析等綜合分析工作，并根據(jù)分析結(jié)果對其開發(fā)應(yīng)用進行了優(yōu)化提升，同時制造了極限樣件，通過整車試驗驗證了優(yōu)化方案的有效性和可靠性，為止推卡簧的開發(fā)應(yīng)用提供了依據(jù)，提升了變速箱性能，為該類變速箱用止推卡簧的開發(fā)應(yīng)用提供了行之有效的工程方案。

關(guān)鍵詞：自動變速箱;止推卡簧;定位;有限元分析;優(yōu)化方案

中圖分類號：U463 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0116-05

Research On The Working Mechanism of ?Transmission Snap Ring

MA Jian-guo

（ Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201， China ）

Abstract： Transmission is an important part of vehicle， it can deal with all kinds of driving conditions， to ensure the normal function of the vehicle. As one of the key part of automatic transmission， the snap ring plays an axial role in fixing the components to ensure the accuracy and safety of AT.This paper introduces a development strategy of the snap ring， and carried out a series of comprehensive analysis， such as force analysis， mechanism analysis， design analysis， finite element analysis， manufacturing and assembly process analysis，and got the optimization scheme per the analysis result， then making the limit samples. Through the vehicle test to verify the effectiveness and reliability of the measures， and provide a basis for the optimization， which can effectively improve transimission performance，provides some engineering feasible technical basis for the snap ring of automatic transmission.

Key Word： Automatic Transmission; Snap ring; Position; Finite Element Analysis; Optimization Scheme

麻建國

畢業(yè)于上海理工大學(xué)，碩士研究生，機械設(shè)計制造及自動專業(yè)。現(xiàn)就職于泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，任變速箱系統(tǒng)工程師，長期從事變速箱開發(fā)應(yīng)用工作，對于變速箱的全過程開發(fā)有豐富的經(jīng)驗。

前 ? ?言

自動變速箱是汽車動力傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，而結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其容易發(fā)生故障。變速箱的故障會直接影響整車的動力性能和駕駛性能，嚴(yán)重情況下會影響到車輛的行駛安全。多片式離合器做為自動變速箱的關(guān)鍵部件之一，決定了變速箱是否能夠正常工作，目前常使用卡簧對多片式離合器的軸向位置進行限制，防止相關(guān)零部件的軸向移動超出其允許的工作范圍，而出現(xiàn)動力輸出異常，使其能夠正常工作，以保證變速箱元件工作狀態(tài)的穩(wěn)定和可靠[1-3]。

本文針對自動變速箱常用的一種離合器止推卡簧應(yīng)用策略進行分析研究，根據(jù)其工作機理和工作工況分析，優(yōu)化了止推卡簧設(shè)計結(jié)構(gòu)和裝配工藝要求，提高了該止推卡簧設(shè)計的穩(wěn)健性，并為該類變速箱用止推卡簧的開發(fā)應(yīng)用提供了行之有效的工程方案。

1 ? ?止推卡簧位置結(jié)構(gòu)

文中所述為一種變速箱用止推卡簧，在自動變速箱內(nèi)裝配結(jié)構(gòu)示意圖見圖1：

止推卡簧整體結(jié)構(gòu)呈開口圓形，截面為楔形結(jié)構(gòu)，其安裝在變速箱殼體內(nèi)部的卡簧槽內(nèi)，其通過徑向嚙合對離合器片、支撐片、活塞等變速箱零部件進行軸向固定限位。

2 ? ?止推卡簧受力原理分析

本文所述的止推卡簧為自鎖式設(shè)計，通過利用止推卡簧的彈性預(yù)緊力和卡簧的楔形特征給位于卡簧下側(cè)的零件施加軸向預(yù)緊力，這樣可以消除軸向零件之間因尺寸波動等帶來的軸向間隙和實現(xiàn)對零件的固定限位作用，防止零件產(chǎn)生軸向位移，包括克服被固定零件由于油壓波動而產(chǎn)生的軸向移動。該止推卡簧截面呈楔形，止推卡簧外徑與卡簧槽嚙合，可以提供足夠的外徑和內(nèi)徑尺寸，以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時該止推卡簧可以在卡簧槽內(nèi)提供足夠的徑向嚙合尺寸，并根據(jù)設(shè)計要求和工作狀態(tài)來調(diào)整卡簧截面錐度。與止推卡簧直接接觸的支撐片在工作時會受到離合器所傳遞的扭矩的影響而發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，且在離合器活塞軸向力的作用下，變速器系統(tǒng)的變形同時會導(dǎo)致卡簧受力變形而存在徑向變形因而存在滑移蠕動，在離合器接合、釋放的變化工況中，止推卡簧將會不斷受到上述圓周方向和軸向作用力的影響。止推卡簧的受力情形分析如圖2所示，其受力計算如下式所示[4-6]：

式中Nr--支撐片和止推卡簧間的作用力，N;

Nh -- 殼體卡簧槽和止推卡簧楔形面的垂直作用力，N;

θ--止推卡簧楔形面的斜角， °;

式中μr --支撐片和止推卡簧間的摩擦系數(shù)，

μh --止推卡簧和卡簧槽間的摩擦系數(shù)，

其應(yīng)變關(guān)式為，用εx，εy，εz，表示任意一點在X，Y，Z方向上的正應(yīng)變，γxy，γyz，γxz分別表示在XY，YZ，XZ平面上的應(yīng)變。

根據(jù)應(yīng)變與位移的關(guān)系，柯西幾何方程的完整表示為：

上式中，ε為零件單元總應(yīng)變，將位移模式方程（4）帶入幾何方程（3），可以將總應(yīng)變進一步表示為：

式中B為應(yīng)變矩陣，δe 為單元e的位移;

應(yīng)力是指某一點處單位面積上的內(nèi)力，即分布內(nèi)力系在某點的分布內(nèi)力集度，將應(yīng)力沿該點截面的不同方向進行分解可以得到正應(yīng)力和剪應(yīng)力。根據(jù)虎克定律，某一點應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系式為{σ}=[D]{ε}，即

式中σx，σy，σz，為某一點在X、Y、Z方向的正應(yīng)力分量，τxy，τyz，τzx，為剪應(yīng)力分量，D為材料的本構(gòu)方程，且只與彈性模量E和泊松比有關(guān)。

根據(jù)應(yīng)變與位移的關(guān)系式（5），再結(jié)合應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系式（6）即可以得出應(yīng)力與位移之間的關(guān)系式[7-8]。

3 ? ?止推卡簧及安裝鍵槽FEA分析

在對止推卡簧和卡簧安裝槽進行FEA分析時，作用力加載在支撐片上，作用力選取離合器系統(tǒng)可產(chǎn)生的最大軸向力，圖3為止推卡簧開口偏左即開口靠近花鍵1位置狀態(tài)時的FEA簡化分析結(jié)果，圖4為止推卡簧位于花鍵1和花鍵2中間位置狀態(tài)時的FEA簡化分析結(jié)果，圖5為止推卡簧開口偏右即開口靠近花鍵2位置的FEA簡化分析結(jié)果，3種不同開口位置的變形數(shù)據(jù)匯總見表1，從FEA分析結(jié)果可以看出，3種位置狀態(tài)下卡簧槽的應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)，僅存在彈性變形，無塑性變形和壓潰現(xiàn)象，止推卡簧開口位于花鍵1和2中間位置的應(yīng)力、變形（包括軸向和向內(nèi)徑側(cè)的周向）最優(yōu);止推卡簧開口偏右狀態(tài)的應(yīng)力、變形稍差，和開口位于花鍵中間位置基本相當(dāng);止推卡簧開口偏左狀態(tài)的應(yīng)力、應(yīng)變最差，同時，針對卡簧開口未位于花鍵中間位置狀態(tài)的卡簧，其左側(cè)部分的應(yīng)力、變形/翻轉(zhuǎn)（包括軸向和向內(nèi)徑側(cè)的周向）均大于右側(cè)，而使得左側(cè)部分易脫出卡簧槽。

綜合以上FEA分析，止推卡簧開口未位于殼體花鍵開口中間位置，尤其偏左位置，會導(dǎo)致卡簧入槽深度不同。在實際工作中，入槽深度較多的一端，會使卡簧的周向轉(zhuǎn)動受到限制，而另一端由于入槽深度較淺，會繼續(xù)周向移動，并導(dǎo)致卡簧變形、有效半徑變小，進而導(dǎo)致卡簧軸向限制不足，而易脫出卡簧槽。通過調(diào)整卡簧安裝位置使其位于花鍵中間位置，可以顯著降低卡簧的應(yīng)力分布不均勻性和卡簧周向、軸向變形，降低止推卡簧的變形，甚至脫出風(fēng)險，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 ? ?優(yōu)化方案確定及驗證

4.1 ? 優(yōu)化方案

通過FEA仿真分析和相關(guān)零部件的研究分析，止推卡簧安裝時開口位置是防止卡簧出現(xiàn)異常變形甚至脫出的關(guān)鍵設(shè)計要求。異常的開口位置會導(dǎo)致卡簧軸向應(yīng)力分布不均勻，出現(xiàn)變形，甚至脫出等風(fēng)險，因此需要對止推卡簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，安裝位置等進行要求。經(jīng)過分析驗證后得到以下優(yōu)化方案：1）針對卡簧槽位置，增加毛刷去毛刺工藝，使得卡簧在入槽過程中，卡簧表面與卡簧安裝槽表面能夠充分貼合，杜絕了鋁屑夾在卡簧表面而導(dǎo)致卡簧受力不均勻的情況出現(xiàn)，解決了卡簧槽邊緣出現(xiàn)翻邊的問題;2）優(yōu)化卡簧槽的高度尺寸，以增大卡簧入槽深度，進而增大卡簧和安裝槽的徑向嚙合面積;3）優(yōu)化卡簧的開口尺寸，以減小其接觸零部件的應(yīng)力集中現(xiàn)象;4）優(yōu)化裝配工藝和工裝設(shè)備，增加位移傳感器、檢測桿等，用以監(jiān)測卡簧的入槽深度，確保止推卡簧的入槽深度滿足設(shè)計要求;5）增加預(yù)壓縮工裝及導(dǎo)向工裝，確保止推卡簧的開口位置均勻的位于花鍵中間位置，使得卡簧整體入槽深度一致，受力均勻。

4.2 ? 試驗驗證

為進一步驗證理論分析結(jié)果，及優(yōu)化方案的有效性，制作了極限樣件，并在止推卡簧一側(cè)焊裝凸臺結(jié)構(gòu)將卡簧的一端強制固定（見圖6），通過搭載整車進行濫用試驗發(fā)現(xiàn)：1）安裝時調(diào)整止推卡簧開口使其位于花鍵中間位置，試驗結(jié)束后，拆解未見有異常，未見卡簧出現(xiàn)變形等失效故障;2）安裝時調(diào)整止推卡簧開口使其位于偏左位置，試驗結(jié)束后拆解發(fā)現(xiàn)止推卡簧表面初始裝配痕跡明確清晰，且存在周向和徑向滑動的痕跡，左側(cè)部分有向徑向內(nèi)側(cè)收縮，卡簧內(nèi)徑變小，并存在輕微脫出跡象。

對存在止推卡簧變形內(nèi)徑變小情形的變速箱殼體和止推卡簧進行進一步分析，使用Olympus內(nèi)窺鏡并對變速箱殼體止推卡簧安裝槽周圍進行切割檢查，通過目視斷面和內(nèi)窺鏡觀察和CT掃描，見圖7，所有安裝鍵槽的上端面、下端面、中端面均無縮孔現(xiàn)象。

圖7 CT掃描卡簧安裝鍵槽

對止推卡簧進行尺寸檢測及尺寸鏈校核均滿足設(shè)計要求，其中翹度（安裝后厚度和初始厚度變化量）信息見表2，測點位置見圖8：

圖8 卡簧位置點圖

表2 卡簧變形收縮前后厚度變化

從以上測量數(shù)據(jù)，可以看出卡簧開口處及左側(cè)部門的變形翹度較大，試驗趨勢和理論分析相符合。

5 ? ?總結(jié)

本文闡述了一種變速箱止推卡簧的開發(fā)應(yīng)用策略，研究了其結(jié)構(gòu)和使用要求，并從卡簧的工作原理，極限工況進行了FEA分析，針對安裝工藝等角度進行了研究，并提出了優(yōu)化方案。最后通過實物試驗的方法予以證明：

1）提升止推卡簧零件的表面質(zhì)量;

2）優(yōu)化卡簧和卡簧安裝槽的尺寸，以增大入槽深度和嚙合面積;

3）增加位移傳感器等工裝，監(jiān)測安裝過程和入槽深度滿足要求;

4）增加安裝工裝確保止推卡簧的開口位于花鍵中間位置;

最終措施有效的提升了該止推卡簧的穩(wěn)健性，提高了自動變速箱的可靠性，同時為該類止推卡簧的開發(fā)應(yīng)用提供了開發(fā)應(yīng)用思路和工程可行方案。

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