吳剛

摘要：通過對(duì)國(guó)產(chǎn)某品牌汽車變速器在路試過程中出現(xiàn)的二擋脫擋故障的分析研究，拆解故障變速器并檢測(cè)二擋換擋相關(guān)零部件后，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉偏擺量過大，初步分析出一二擋撥叉偏擺量過大的原因及其對(duì)二擋脫擋有一定貢獻(xiàn)，評(píng)估出失效風(fēng)險(xiǎn)，提出遏制措施和后續(xù)優(yōu)化方案，對(duì)解決該型號(hào)變速器二擋脫擋及后續(xù)變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高變速器的換擋性能，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：變速器；撥叉；脫擋；優(yōu)化

針對(duì)某國(guó)產(chǎn)品牌汽車的一款前驅(qū)變速器在路試過程中出現(xiàn)的二擋跳擋問題，通過互換試驗(yàn)排除整車因素和變速器外圍件影響后，拆解故障變速器并檢測(cè)換擋相關(guān)零部件，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉在使用過程中受力變形導(dǎo)致?lián)懿嫫珨[量過大。而該型號(hào)變速器二擋換擋行程尺寸鏈要求又較為苛刻，撥叉偏擺超差后對(duì)二擋跳擋有一定貢獻(xiàn)，后續(xù)采用設(shè)計(jì)優(yōu)化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）或零件加工工藝優(yōu)化（提升撥叉的硬度和強(qiáng)度）等方法，抑制因撥叉偏擺量過大對(duì)二擋換擋行程帶來的影響，降低該失效模式的發(fā)生概率。

故障原因分析

1.故障現(xiàn)象描述及原因探究

某國(guó)產(chǎn)品牌汽車在路試過程中，反饋在正常行駛中發(fā)生二擋脫擋現(xiàn)象。更換整車操縱機(jī)構(gòu)和換擋拉索，故障依舊存在，說明此二擋脫擋現(xiàn)象與整車操縱機(jī)構(gòu)及換擋拉索無關(guān)。然后通過把跳擋車和不跳擋車變速器互換，二擋脫擋這一故障模式跟隨變速器轉(zhuǎn)移，失效源鎖定變速器。

2.換擋原理

為了最大限度地滿足汽車總體布局的需要，目前手動(dòng)變速器的操縱機(jī)構(gòu)基本采用拉索式結(jié)構(gòu)，即外部操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通過拉索傳給內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

外部操縱機(jī)構(gòu)由換擋桿鉚合件、底座焊合件、連動(dòng)板組件、滑套和扭簧等構(gòu)成，如圖2所示。

內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)包括操縱器蓋、選擋搖臂、選擋撥頭、換擋搖臂、換擋撥頭、撥叉軸、撥塊、自鎖、互鎖和安全裝置等。駕駛員撥動(dòng)變速桿左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，變速桿的下端帶動(dòng)選擋拉索中的軟軸在套管中實(shí)現(xiàn)推、拉運(yùn)動(dòng)。選擋搖臂在拉索軟軸的作用下壓縮操縱器蓋中的回位彈簧，使卡在換擋撥頭槽中的選擋撥頭做橫向運(yùn)動(dòng)，換擋撥頭在撥塊槽中進(jìn)行橫向選擋，這一過程即為選擋；空擋時(shí)撥頭被回位彈簧限定在撥塊槽中。當(dāng)換擋撥頭到達(dá)所選定擋位的撥塊槽中部時(shí)，駕駛員向前、后方向推動(dòng)變速桿，換擋拉索軟軸帶動(dòng)換擋撥頭推動(dòng)撥塊移動(dòng)，使得撥叉帶著同步器接合套與待結(jié)合齒嚙合，實(shí)現(xiàn)換擋。

由此可見，駕駛員的換擋過程應(yīng)該是：先選擋（推動(dòng)變速桿左、右運(yùn)動(dòng)）再進(jìn)擋（推動(dòng)變速桿前、后運(yùn)動(dòng)），變速桿的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)“王”字形。

尺寸測(cè)量和失效原因分析

1.尺寸測(cè)量

故障變速器拆解后，對(duì)二擋脫擋重點(diǎn)關(guān)注零件項(xiàng)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表1。

根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果，操縱蓋換擋行程、后殼體位置度等重點(diǎn)關(guān)注零件尺寸均符合圖樣要求，唯獨(dú)一二擋撥叉偏擺量明顯偏大。

2.失效原因鎖定

為探究一二擋撥叉偏擺量明顯偏大是否偶發(fā)個(gè)案，從市場(chǎng)返回件倉(cāng)庫(kù)隨機(jī)挑選18臺(tái)失效模式為二擋脫擋的變速器進(jìn)行拆解，并就一二擋撥叉偏擺量展開測(cè)量（測(cè)量位置A處、B處和C處見圖3），測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

基于表2中18臺(tái)測(cè)量出的變速器一二擋撥叉偏擺量，繪制出一二擋撥叉偏擺量分布圖（見圖4）。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該型號(hào)變速器一二擋撥叉偏擺量經(jīng)驗(yàn)值為0.5mm，A、B、C三點(diǎn)測(cè)出的撥叉偏擺量，A處最為突出，全都大于該經(jīng)驗(yàn)值，甚至達(dá)到了1.05mm，勢(shì)必使得撥叉叉口兩平面與叉孔中心不垂直（發(fā)生一定量的傾斜），二擋換擋行程也隨之發(fā)生變化。

3.原因分析

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析，該型號(hào)變速器操縱蓋換擋行程、后殼體位置度等重點(diǎn)零件尺寸均符合圖樣要求，唯獨(dú)一二擋撥叉偏擺量明顯偏大，一二擋撥叉偏擺量明顯超出經(jīng)驗(yàn)值為0.5mm，有可能是引起二擋跳擋的直接原因。

（1）零件質(zhì)量問題 生產(chǎn)線上隨機(jī)挑選50件未裝配使用的撥叉進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，并跟蹤檢測(cè)壓裝后尺寸，壓裝襯套各相關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果均符合圖樣要求（一二擋撥叉偏擺量更是分布在0.2～0.45mm，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3）。

（2）壓裝工藝排查 根據(jù)工藝要求，襯套裝配后100%通止規(guī)檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)排查，通止規(guī)尺寸符合圖樣要求。抽取5件對(duì)撥叉軸孔的圓度進(jìn)行排查，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)呈現(xiàn)橢圓狀，確認(rèn)為撥叉變形導(dǎo)致偏擺超差。

（3）變形誘因 變形是機(jī)械零部件在使用過程中普遍存在的一種現(xiàn)象，會(huì)使零部件的質(zhì)量和使用性能發(fā)生改變，從而影響零部件的精度和壽命。此處撥叉孔變形，大致可以從磨損和受力兩個(gè)方面進(jìn)行深入排查。

1）磨損變形。排查結(jié)果：倉(cāng)庫(kù)隨機(jī)抽取5件對(duì)襯套鉬層厚度進(jìn)行檢測(cè)（見圖5），發(fā)現(xiàn)襯套內(nèi)側(cè)磨損均勻，故排除因?yàn)槟p導(dǎo)致的撥叉軸孔變形。

2）受力變形。從市場(chǎng)返回二擋脫擋故障變速器，隨機(jī)挑選5套測(cè)量襯套圓度（襯套安裝在撥叉上）、撥叉軸孔圓度和撥叉二擋側(cè)硬度，排查結(jié)果和相關(guān)尺寸見表4。

從表4數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用，襯套有了一定程度上的變形，二擋側(cè)圓度分布在0.03mm左右；對(duì)比撥叉孔圓度，二擋側(cè)圓度基本在0.01mm左右，

設(shè)定換擋力為1200N，在拉力和壓縮情況下，軸套孔邊緣棱線最大位移分別為0.3296mm和0.2124mm。

整改措施及總結(jié)

根據(jù)以上分析，針對(duì)零公里和市場(chǎng)反饋的二擋脫擋情況，后續(xù)建議更換偏上差的操縱蓋，二擋換擋凸輪角度由18.05°-0 -0.5更改為18.55°-0 -0.5，提高產(chǎn)品的魯棒性。目前整改措施實(shí)行后，市場(chǎng)反饋良好，未有新的問題產(chǎn)生。

根據(jù)故障重現(xiàn)試驗(yàn)、二擋脫擋重點(diǎn)關(guān)注尺寸測(cè)量、壓裝工藝排查和CAE分析等，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉在使用過程中受力變形導(dǎo)致?lián)懿嫫珨[量過大，而該型號(hào)變速器二擋換擋行程尺寸鏈要求又較為苛刻，撥叉偏擺超差后對(duì)二擋跳擋有一定貢獻(xiàn)。

根據(jù)一二擋撥叉變形誘因，提出以下兩點(diǎn)優(yōu)化方案，抑制因撥叉偏擺量過大對(duì)二擋脫擋帶來的影響，降低該失效模式的發(fā)生概率。

1）撥叉（目前采用R14材料），現(xiàn)有硬度水平在65HRB左右，優(yōu)化零件加工工藝（提升撥叉的硬度和強(qiáng)度）。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）。

CAE分析中，換擋力設(shè)定為1200N；駕駛?cè)嗽趯?shí)際駕駛過程中換擋力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1200N，則可認(rèn)為撥叉孔最終變形量<0.3mm，并且現(xiàn)有零件狀態(tài)可以抑制撥叉孔變形量<0.3mm引起的二擋換擋行程變化。目前市場(chǎng)使用變速器正常行駛6000km以后，若無其他零件明顯超差或存在異常磨損，一二擋撥叉偏擺量引起的二擋跳擋風(fēng)險(xiǎn)概率極低。

結(jié)語

本文對(duì)某型號(hào)變速器二擋跳擋問題分析，通過互換試驗(yàn)、零件測(cè)量和CAE有限元分析，發(fā)現(xiàn)一二擋撥叉在使用過程中受力變形導(dǎo)致?lián)懿嫫珨[量過大，對(duì)二擋跳擋有一定貢獻(xiàn)，后續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）或零件加工工藝優(yōu)化（提升撥叉的硬度和強(qiáng)度）等方法，抑制因撥叉偏擺量過大對(duì)二擋脫擋帶來的影響，降低該失效模式的發(fā)生概率。

盡管是對(duì)某一型號(hào)變速器具體故障的失效分析，并不具有普遍的指導(dǎo)意義，但是找到了一二擋撥叉偏擺量過大的直接原因，對(duì)于解決變速器脫擋問題，提升變速器性能，避免類似失效模式再次發(fā)生，依舊具有一定的實(shí)用性，為今后變速器的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

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