超速擋變速箱上蓋殼體故障分析及優化改進

余淼 李敏捷

摘 要：帶超速擋的重型變速箱，由于用戶使用習慣的需要，用戶在掛超速擋時變速器內部需要完成一次撥叉運動的換向。變速器換向機構為杠桿機構，其中的鉸鏈支點布置在變速器上蓋殼體上，文章針對用戶反饋的超速擋換向困難、上蓋殼體換向凸臺斷裂等問題進行了理論分析、CAE分析等，找到了超速擋掛擋困難的原因，并提出了優化改進方案。優化方案在市場上做了小批量驗證，改進效果顯著，為其它類似問題的分析和解決提供了一些參考價值。

關鍵詞：變速器；超速擋；故障分析；改進

中圖分類號：U461.99 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-147-03

Abstract： Because of the need of users' usage， the overspeed transmission， users should complete the commutation of the fork movement in the transmission when they are hanging the overspeed gear. The reversing mechanism of transmission is a lever mechanism， the hinge fulcrum is arranged on the upper cover shell of the transmission， in this paper， the theoretical analysis and CAE analysis are carried out to solve the problem， such as the fault of the reversing convex of the upper cover shell and difficulty in speeding up the stall. The optimization scheme has done a small batch verification in the market， the improvement effect is remarkable， and it provides some reference value for the analysis and solution of other similar problems.

Keywords： transmission； overspeed； fault analysis； optimization

CLC NO.： U461.99 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-147-03

前言

帶超速擋的重型變速器，超速擋齒輪副布置在直接擋齒輪副之后，由于用戶操作習慣的需要，一般情況下駕駛室擋位排布為奇數擋位在一側。

偶數擋位在另外一側[1]，因此在換擋時變速器內部就需要進行一次換向才能滿足用戶操縱習慣。該換向結構集成于變速器上蓋總成中，由于結構簡單、成本低廉且操作可靠，因此，廣泛應用于超速擋變速器中，并持續贏得客戶的信賴。但是在實際使用過程中，由于超載、換擋時離合器分離不徹底、換擋操縱器效率低等各方面的原因還是可能會到導致故障的發生。本文闡述的就是一種典型的故障分析方法和改進措施。

1 故障描述

某用戶反饋某12擋帶超速擋鋁合金變速箱的鋁合金上蓋上擺動撥頭孔位置磨損，掛超速時掛擋困難（如圖1所示）。檢查舊件發現：鋁合金上蓋換向位置凸臺均是從根部斷裂，且斷口形貌相似，銷孔有磨損痕跡。

2 故障原因分析

首先對故障件進行理化分析檢測，以排除鑄造缺陷引起的強度不足；同時，對上蓋殼體進行CAE分析，判斷鋁合金上蓋的設計強度是否滿足使用需求。

理化分析檢測報告顯示：零件材質、硬度均符合要求，換向位置斷口處未發現鑄造缺陷[2]，從而排除了鑄造缺陷引起的鋁合金上蓋殼體擺動撥頭孔位置磨損；同時，CAE分析報告顯示，上蓋殼體強度滿足材料疲勞強度要求。

至此，常規的故障原因檢測手段都顯示殼體滿足使用要求，重新從上蓋殼體本身、該超速換擋結構以及工作原理分析該上蓋殼體換向凸臺斷裂的可能原因。以六擋變速器為例，超速擋變速器換向結構簡圖如圖2和圖3所示。

五六擋換擋導塊向圖中左側滑動時，帶動擺動撥頭以固定在上蓋上的支承軸銷為中心順時針旋轉，撥動五六擋撥叉和一二擋撥叉軸在上蓋殼體中向右滑動，就實現了一次換向[3]。在這個過程中，撥叉帶動擺動撥頭和支承軸銷對上蓋擺動撥頭凸臺會造成沖擊，上蓋換向凸臺一直工作在交變載荷的作用下。因此，該換向凸臺處可能會發生疲勞斷裂。

3 改進方案

雖然CAE分析報告顯示該換向凸臺處的疲勞強度滿足要求，但是本著優化提升的原則對此處進行了加強設計，設計思路主要是此凸臺附近增加加強筋。由于該上蓋殼體材料是鋁合金，殼體上本身分布著加強筋，因此，加強筋的合理布置也是改進優化的一個難點，本文對于凸臺附近筋的增加做了兩種方案。

方案一：原有結構換向凸臺周圍本身分布著上蓋殼體的4條平筋（如圖4（a）所示），因此考慮將這四條筋改成由換向凸臺開始的斜筋，另外，再增加4條斜筋，增加的4條斜筋末端長到上蓋殼體平面上，效果圖如圖4（b）所示。

方案二：在方案一的基礎上，將增加的4條斜筋末端連接到上蓋原有平筋上，使該4條斜筋與其他筋聯接為一個整體，從而進一步增加凸臺強度，效果圖如圖4（c） 。

為了驗證方案的可行性，同時對比2種方案的強度，對上蓋殼體進行了ANSYS分析，分析結果如圖4和表1所示：

從圖4和表1中可以看出改進之后的2種方案疲勞強度都有較大提高，但是方案二相比與方案一，疲勞強度提高并不明顯。由于方案二中4條斜筋與上蓋殼體上其他加強筋聯接起來，筋的布置相對方案一較為密集，容易在鑄造過程產生縮松或縮孔[4]。因此，考慮到鑄件殼體毛坯質量的穩定性，最后采用方案一。

4 整改后測試

按照方案一改進的鋁合金上蓋，目前已小批量投放到市場上，經過近2個月的持續跟蹤，市場反饋超速擋掛擋手感良好，上蓋殼體上換向凸臺斷裂的問題沒有在出現。

5 結論

本文針對12擋鋁合金超速擋變速器出現的超速擋掛擋困難得問題，經過問題識別、原因分析、優化改進、市場驗證等方式，完美解決了該問題。消除了變速器的潛在故障隱患，對整車安全性有了極大保證，同時對其他類似問題的分析和解決提供了一定的參考價值。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造：上，下冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2] GB/T 230.1-2009金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法.

[3] 徐萬里.變速器同步器失效過程與失效機理分析[J].機械工程學報，2014.7.

[4] 劉志明，王平原，李杰.壓力鑄造技術與應用[M].天津大學出版社， 2010.9.