李敬杰

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

重型卡車作為公路運輸?shù)闹髁?，承?dān)著北方地區(qū)主要的貨物運輸任務(wù)。變速箱為重型卡車傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，一般的傳動方式以直齒行星齒輪系為主，采用雙支撐軸承對行星傳動輪系進(jìn)行支撐，通過鎖環(huán)式同步器實現(xiàn)對變速箱的換擋操作。由于重卡汽車所應(yīng)用的環(huán)境相對惡劣、溫差較大，售后服務(wù)人員反映該型號重卡汽車所采用的鎖環(huán)式同步器氣動換擋方式出現(xiàn)了同步器撥叉和撥塊磨損較為嚴(yán)重的現(xiàn)象，導(dǎo)致變速箱出現(xiàn)掉擋和齒套打齒的問題，最終造成鎖環(huán)式同步器失效，直接影響該型重卡汽車的使用效果和安全[1]。本文重點對導(dǎo)致上述問題的關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

1 重卡變速箱后置副箱概述及故障分析

1.1 重卡變速箱后置副箱概述

重卡變速箱分為主箱和副箱兩部分。其中，主箱實現(xiàn)五個擋位的基礎(chǔ)變換，主要采用手動方式完成。副箱主要實現(xiàn)高擋位和低擋位之間的切換，主要采用氣動操作方式完成。本文重點對變速箱管的后置副箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

重卡變速箱的基本三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括強制潤滑系統(tǒng)、互鎖機(jī)構(gòu)、小蓋操縱、行星輪系以及副箱范圍擋。

圖1 重卡變速箱三維結(jié)構(gòu)示意圖

互鎖機(jī)構(gòu)主要是對變速箱主箱和副箱之間的換擋撥叉進(jìn)行互鎖，基于杠桿原理，保證在主箱換擋過程中對副箱的同步器進(jìn)行保護(hù)。重卡變速箱副箱強制潤滑系統(tǒng)通過主動潤滑和被動潤滑相結(jié)合的方式，實現(xiàn)其功能。

1.2 重卡變速箱后置副箱故障分析及改進(jìn)思路

1.2.1 重卡變速箱后置副箱故障分析

重卡汽車在實際應(yīng)用中由于路況不佳、工況惡劣且其換擋的頻率較高，加之司機(jī)的操作習(xí)慣問題，導(dǎo)致重卡變速箱的故障率較高。據(jù)統(tǒng)計，重卡變速箱的故障主要集中在后置副箱。具體表現(xiàn)為：

1）由于司機(jī)的操作習(xí)慣問題，在高擋位和低擋位運行時切換時間延長，加劇了同步器的損壞。

2）在重載沖坡的工況下，由于司機(jī)的換擋時機(jī)把握不合理，常存在換擋時機(jī)較晚，對行星架支撐軸的沖擊較大，造成行星架輸出軸斷裂。

總之，重卡變速箱后置副箱的故障原因主要為司機(jī)在操作換擋時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速過高所導(dǎo)致，或者因司機(jī)換擋頻率過高所導(dǎo)致[2]。

具體的故障形式主要表現(xiàn)為：變速箱后置副箱的高低擋錐轂?zāi)p、撥叉、撥塊嚴(yán)重磨損、同步器滑套發(fā)生磨損以及高低擋錐轂的端面磨損打齒。

1.2.2 重卡變速箱后置副箱改進(jìn)思路

針對司機(jī)操作不當(dāng)?shù)膯栴}，通過對司機(jī)進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)來解決。同時，為提升重卡汽車在復(fù)雜工況以及過載情況下的安全性和可靠性，從如下幾個方面對重卡變速箱后置副箱加以改進(jìn)：

1）設(shè)計一體化行星架替換原后置副箱的行星架，以提升其強度，降低故障率。

2）為適應(yīng)實際應(yīng)用中高頻率的換擋需求，對后置副箱高擋位與低擋位切換的同步器進(jìn)行強化處理。

3）針對撥叉、撥塊磨損嚴(yán)重的問題，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以提升其耐磨性。

4）對撥叉的薄弱部位進(jìn)行強化設(shè)計，解決撥叉變形嚴(yán)重的問題。

2 高低擋位同步器的強化設(shè)計

本文重點開展高低擋位同步器的強化設(shè)計，對變速箱后置副箱進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 高低擋位同步器強化設(shè)計思路

同步器直接決定重卡變速箱換擋操作的舒適性，減小換擋操作的噪聲，提升換擋的速度。重型卡車高低擋位同步器根據(jù)實際運行工況包括偏轉(zhuǎn)、鎖止、同步以及掛擋四個工作過程[3]。結(jié)合國外先進(jìn)同步器的特點，包括ZF-5S111GP、ZF-16S2501 以及ZF-Astronic 等不同型號的同步器，通過以下幾方面的措施對高低擋位同步器進(jìn)行強化設(shè)計：

1）通過增大同步環(huán)和同步錐轂的錐面高度增大摩擦錐面面積，減小二者之間的磨損速度。同時，增加同步錐轂和齒套相接觸位置的長度，解決由于撥塊磨損嚴(yán)重而導(dǎo)致結(jié)合齒打壞的問題。

2）將原鎖止齒的齒面改進(jìn)為單側(cè)斜面的形式，增加了鎖止齒齒面的斜面面積，降低鎖止齒的失效概率。同時，增加鎖止齒的模數(shù)，從而達(dá)到提升單個鎖止齒的抗沖擊能力。

3）增加同步錐轂錐面上的油孔，減小在非同步工況下同步齒套超越同步環(huán)的概率。

2.2 高低擋位同步器強化設(shè)計的實施路徑

結(jié)合上述的強化設(shè)計總體思路，其對應(yīng)的具體實施路徑如下：

1）同步器進(jìn)行加寬處理后的尺寸與原同步器的尺寸對比，如圖2 所示。

圖2 同步器加寬強化設(shè)計后尺寸對比

圖中括號內(nèi)數(shù)字為原尺寸，相鄰的數(shù)字為同步器加寬強化設(shè)計后的尺寸。強化設(shè)計后，各個位置的尺寸對比如表1 所示。

表1 同步器加寬強化設(shè)計各位置的尺寸對比

2）將鎖止齒的模數(shù)從3 增大至3.5，將同步器結(jié)合齒的齒數(shù)從63 減少為54。

3）在同步器錐轂錐斜面上增加直徑為1.2 mm 的油孔，保證油孔均勻布置。

2.3 高低擋位同步器改進(jìn)效果評估

為驗證高低擋位同步器強化改進(jìn)設(shè)計后的效果，采用專業(yè)試驗臺對高低擋位同步器改進(jìn)前后的換擋性能和壽命進(jìn)行試驗[4]。

2.3.1 高低檔位同步器改進(jìn)前后換擋性能對比

通過對比改進(jìn)前后高低檔位的換擋力、換擋時間和同步時間，分析換檔性能，對比結(jié)果如表2 所示。

表2 高低擋位同步器改進(jìn)前后換擋性能數(shù)據(jù)

對高低擋位同步器強化改進(jìn)設(shè)計后，系統(tǒng)換擋力得到顯著提升，對應(yīng)的換擋時間和同步時間明顯減少。

2.3.2 高低擋位同步器壽命試驗

結(jié)合QC/T 29063.4—2010 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求高低擋位同步器在十萬次換擋操作后，不得出現(xiàn)連續(xù)5 次撞擊聲的情況。經(jīng)試驗證明，改進(jìn)后的高低擋位同步器在完成十萬次的換擋操縱后，未出現(xiàn)連續(xù)5 次的撞擊聲音和其他失效形式[5]。同時，經(jīng)對裝置拆卸后發(fā)現(xiàn)，高低擋位同步器的后備行程由2.9 mm降低為2.35 mm，對應(yīng)的磨損量僅為0.55 mm，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

變速箱為重卡汽車的關(guān)鍵零部件，分為主箱和后置副箱。本文重點對后置副箱在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的故障類型進(jìn)行研究，并重點以高低擋位同步器為例對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以提升高低擋位同步器的換檔性能，減少其磨損量。具體總結(jié)如下：

1）針對高低擋位同步器在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的主要故障，通過加寬同步器、增加鎖止齒磨損、減少鎖止齒齒數(shù)以及在同步器錐轂斜面均勻分布油孔的形式對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

2）經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，高低擋位同步器經(jīng)改進(jìn)設(shè)計后系統(tǒng)換擋力得到顯著提升，對應(yīng)的換擋時間和同步時間明顯減少。同時，高低擋位同步器的壽命也滿足QC/T29063.4-2010 的相關(guān)規(guī)范要求。