重型商用車(chē)變速器換檔系統(tǒng)失效模式分析與控制?

原 鑫

（中國(guó)重汽集團(tuán) 大同齒輪有限公司，山西 大同 037305）

0 引言

20世紀(jì)80年代，我國(guó)相繼引進(jìn)了美國(guó)EATON、日本日產(chǎn)柴、德國(guó)ZF公司的重型商用車(chē)變速器技術(shù)［1］，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了適合于我國(guó)道路及使用工況的系列化變速器產(chǎn)品。目前，這3大系列產(chǎn)品占據(jù)著中國(guó)重型商用車(chē)85%左右的市場(chǎng)份額，但我國(guó)重型商用車(chē)配置的變速器與國(guó)外同類(lèi)型產(chǎn)品相比，在結(jié)構(gòu)重量、技術(shù)性能、安全操作等方面仍然存在著一定的差距。其中換檔性能的早期失效已成為最常見(jiàn)的故障表現(xiàn)形式，也是導(dǎo)致其功能喪失的最重要原因之一。本文應(yīng)用現(xiàn)代DFEMA設(shè)計(jì)分析技術(shù)，分析和推斷了重型商用車(chē)變速器換檔系統(tǒng)潛在失效的后果，并提出了控制對(duì)策和實(shí)施預(yù)防措施，達(dá)到提升變速器換檔可靠性、舒適性目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品壽命期內(nèi)不失效的目的。

1 變速器換檔系統(tǒng)潛在失效模式及其后果分析

1.1 變速器換檔系統(tǒng)功能及要求

要求重型商用車(chē)變速器換檔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與整車(chē)換檔機(jī)構(gòu)的有效聯(lián)接，換檔機(jī)構(gòu)裝配后應(yīng)保證檔位清晰，換檔輕便靈活，不得出現(xiàn)自動(dòng)跳檔、亂檔、掛不上檔或摘不出檔、二次掛檔的現(xiàn)象，換檔氣動(dòng)助力器助力效果可靠［2］，強(qiáng)制脫檔力F＝（1.35～2.0）Fj（Fj為靜態(tài)摘檔力）。

1.2 變速器換檔系統(tǒng)潛在失效模式、后果及起因

1.2.1 變速器換檔機(jī)構(gòu)或換檔桿件損壞

發(fā)生變速器換檔機(jī)構(gòu)或換檔桿件損壞的后果是：無(wú)法實(shí)現(xiàn)換檔；變速器功能喪失；換檔可靠性不達(dá)標(biāo)。

變速器換檔機(jī)構(gòu)或換檔桿件損壞的原因包括：換檔力太大造成零部件的損壞；換檔機(jī)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。

1.2.2 變速器換檔叉定位不準(zhǔn)確

變速器換檔叉定位不準(zhǔn)確的后果是：無(wú)法實(shí)現(xiàn)換檔；掛擋困難；換檔可靠性不達(dá)標(biāo)。

變速器換檔叉定位不準(zhǔn)確的原因主要是：由于換檔叉、換檔叉軸、變速器上蓋定位孔等零件在制造過(guò)程中產(chǎn)生尺寸及形位誤差，當(dāng)換檔系統(tǒng)裝配后，換檔叉的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)準(zhǔn)確位置偏離較大，導(dǎo)致掛檔錯(cuò)位。

1.2.3 氣動(dòng)助力器密封圈損壞

氣動(dòng)助力器密封圈損壞，造成氣缸拉傷和漏氣，其后果是：氣動(dòng)助力器不助力或助力效果不好，導(dǎo)致?lián)Q檔力大；駕駛舒適性不好。

這種故障的原因主要是：助力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與配合選擇不當(dāng)；助力器密封圈材料選擇不當(dāng)。

1.2.4 換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度不夠

換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度不夠的后果是：發(fā)生脫檔現(xiàn)象；發(fā)生自動(dòng)跳檔現(xiàn)象。

換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度不夠的原因主要包括：變速器換檔齒錐面參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)；變速器齒座與齒套間隙設(shè)計(jì)不當(dāng)；變速器接合齒跳動(dòng)大。

2 變速器換檔系統(tǒng)失效控制對(duì)策及措施

2.1 氣動(dòng)助力器換檔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)氣動(dòng)助力器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施如下：①氣動(dòng)助力器活塞桿采用雙支撐，以提高結(jié)構(gòu)的剛性與強(qiáng)度；②活塞油封采用氟橡膠設(shè)計(jì)，耐高溫不低于120℃，變形不大于18%。

氣動(dòng)助力器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。氣動(dòng)助力器主要技術(shù)參數(shù)如下：

工作壓力（MPa）： 0.5～1；

工作溫度（℃）： －30～120；

總成重量（kg）： ≤4.5。

圖1 氣動(dòng)助力器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 對(duì)換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)研究和實(shí)驗(yàn)，將換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度控制在2.5mm～3mm以?xún)?nèi)時(shí)可以達(dá)到最佳的效果。

2.3 換檔叉可調(diào)節(jié)防錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換檔叉可調(diào)節(jié)防錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施是［3］：在變速叉軸上，設(shè)計(jì)可進(jìn)行軸向調(diào)整的錐面鎖定結(jié)構(gòu)，裝配后，若換檔叉偏離設(shè)計(jì)所允許的范圍后，通過(guò)調(diào)整錐面鎖定結(jié)構(gòu)，使得換檔叉處于準(zhǔn)確位置后鎖緊，實(shí)現(xiàn)變速器的準(zhǔn)確換檔。變速叉可調(diào)節(jié)防錯(cuò)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 變速叉可調(diào)節(jié)防錯(cuò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 靜態(tài)換檔、摘檔力設(shè)計(jì)控制

國(guó)外某公司重型商用車(chē)變速器性能評(píng)價(jià)共設(shè)置25項(xiàng)內(nèi)容、30個(gè)指標(biāo)，其中靜態(tài)換檔力、靜態(tài)摘檔力為重要特性，強(qiáng)制脫檔力為關(guān)鍵特性，由此可見(jiàn)，換檔性能的好壞將直接影響到變速器總成的使用性能。在設(shè)計(jì)控制方面，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行換檔零部件的錐角、形位誤差等優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試保證換檔力、摘檔力在一定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)即可。靜態(tài)換檔、摘檔力測(cè)試裝置見(jiàn)圖3。

圖3 變速器靜態(tài)換檔、摘檔力測(cè)試裝置示意圖

2.5 變速器強(qiáng)制脫檔力設(shè)計(jì)控制

變速器強(qiáng)制脫檔力設(shè)計(jì)控制要素主要是對(duì)叉軸鎖定彈簧力、同步器鎖銷(xiāo)彈簧力、撥動(dòng)同步環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)力、撥動(dòng)錐環(huán)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)臺(tái)上經(jīng)測(cè)試在一定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)即可。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)變速器換檔系統(tǒng)失效控制對(duì)策及措施的試驗(yàn)驗(yàn)證主要分為3個(gè)方面，即：變速器靜態(tài)換檔力測(cè)試；變速器靜態(tài)摘檔力測(cè)試；換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度及強(qiáng)制脫檔力的測(cè)試。

3.1 測(cè)試條件及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）變速器靜態(tài)換檔力測(cè)試條件：

油溫（℃）： 60±5；

助力器氣壓（kPa）：750±10；

杠桿比：1∶6；

靜態(tài)換檔力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（N）：10～45。

（2）變速器靜態(tài)摘檔力測(cè)試條件：

油溫（℃）：60±5；

助力器氣壓（kPa）：750±10；

杠桿比：1∶6；

靜態(tài)摘檔力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（N）：10～45。

（3）變速器強(qiáng)制脫檔力的測(cè)試條件：

變速器輸入轉(zhuǎn)矩（Nm）：300；

轉(zhuǎn)速（r/min）：1 800；

油溫（℃）：60±5。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

首先作出換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度曲線圖，確定有效嚙合長(zhǎng)度；然后，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算強(qiáng)制脫檔力F：

其中：Fq為動(dòng)態(tài)摘檔力。

最后，繪出強(qiáng)制脫檔力圖，如圖4所示。

強(qiáng)制脫檔力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：F＝（1.35～2.0）Fj。

換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：齒錐面嚙合長(zhǎng)度在2.5mm～3mm之間。

3.3 變速器換檔性能試驗(yàn)結(jié)果

（1）變速器靜態(tài)換檔力測(cè)試數(shù)據(jù)及符合性如下：在規(guī)定測(cè)試條件下，變速器靜態(tài)換檔力測(cè)試結(jié)果為41 N，符合設(shè)計(jì)要求。

（2）變速器靜態(tài)摘檔力測(cè)試數(shù)據(jù)及符合性如下：在規(guī)定測(cè)試條件下，變速器靜態(tài)摘檔力測(cè)試結(jié)果為38 N，符合設(shè)計(jì)要求。

（3）變速器強(qiáng)制脫檔力參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)及符合性如下：換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度為2.6，符合設(shè)計(jì)規(guī)定值；強(qiáng)制脫檔力F在（1.4～1.8）Fj之間，符合設(shè)計(jì)規(guī)定值。

圖4 強(qiáng)制脫檔力圖

4 結(jié)束語(yǔ)

換檔性能早期失效是組合式、多檔位、大轉(zhuǎn)矩重型商用車(chē)變速器最常見(jiàn)的故障表現(xiàn)形式，也是導(dǎo)致其功能喪失的最重要的原因之一。本文應(yīng)用DFMEA技術(shù)對(duì)重型商用車(chē)變速器換檔系統(tǒng)的潛在失效模式及危害程度進(jìn)行分析和推斷，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了預(yù)防措施。通過(guò)對(duì)變速器換檔系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的符合性判定，證實(shí)了對(duì)該變速器采取的換檔叉可調(diào)節(jié)防錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)助力器結(jié)構(gòu)與密封優(yōu)化設(shè)計(jì)、換檔齒錐面嚙合長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的。

［1］中國(guó)齒輪專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì).重型汽車(chē)變速器［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

［2］武正河.變速箱電、氣控?fù)Q檔控制系：中國(guó)，ZL 2006 2 0127931.9［P］.2007-11-14.

［3］原果田.DC16J200T汽車(chē)變速器設(shè)計(jì)特點(diǎn)剖析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2011，35（11）：48-51.