裝備某款雙離合變速器車掛擋熄火問題研究

故障概要2015年，市場上陸續(xù)發(fā)現(xiàn)21例裝備某款雙離合變速器的眾泰、榮威、名爵等車型出現(xiàn)了掛D擋、R擋后起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的故障現(xiàn)象，筆者所在部門（技術(shù)中心試制車間）對發(fā)生故障的該款雙離合變速器進(jìn)行了拆解分析，并給出問題解決方案。

故障診斷筆者接到技術(shù)支援請求后，對出現(xiàn)故障的21例案例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這21例故障車輛均裝配的是同一款某雙離合變速器。筆者對故障實(shí)車檢測發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障的車輛均存儲(chǔ)有故障代碼P0841（含義是“基數(shù)離合器壓力傳感器信號(hào)偏移”）和P0846（含義是“偶數(shù)離合器壓力傳感器信號(hào)偏移”）；經(jīng)對故障車雙離合變速器實(shí)車數(shù)據(jù)（圖1）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其離合器實(shí)際壓力均高于離合器控制壓力，異常，但離合器控制壓力與控制電流相符，此時(shí)在未踩加速踏板的狀況下掛D擋或R擋，由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩較小，由于離合器實(shí)際壓力過高，便會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法帶動(dòng)后端負(fù)載而熄火。由于離合器壓力的控制電流正常，且經(jīng)檢查，離合器壓力傳感器的電阻值也正常，因此基本上可以排除信號(hào)輸入及采集端故障造成變速器故障的可能性。那么難道是閥體內(nèi)控制油路發(fā)生了阻滯而導(dǎo)致離合器實(shí)際壓力過高的？于是筆者決定對閥體進(jìn)行拆解檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電磁閥內(nèi)存在大量雜質(zhì)，經(jīng)SEM（掃描電鏡）檢測，發(fā)現(xiàn)電磁閥中雜質(zhì)的主要成分為Fe（鐵）元素。對拆解后的變速器進(jìn)行目視檢查，筆者還發(fā)現(xiàn)吸濾器磁鐵上吸附有大量的磁性雜質(zhì)（圖2），且在差速器行星軸及差速器殼（與整車驅(qū)動(dòng)半軸配合部位）處發(fā)現(xiàn)有異常磨損痕跡（圖3）。經(jīng)對異常磨損零件及其潛在影響零件的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢測，及對同批次零件質(zhì)量進(jìn)行抽檢，均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的質(zhì)量問題。

筆者對21臺(tái)產(chǎn)生同類故障的變速器都進(jìn)行了拆解，結(jié)合實(shí)際磨損情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。

圖1 問題變速器的離合器壓力曲線（截屏）

圖2 吸濾器上吸附有大量的磁性雜質(zhì)

圖3 差速器行星軸和差速器殼處的磨損痕跡

（1）磨損有3種類型，一種是僅行星軸處磨損（伴隨卷簧銷斷裂），一種是僅差速器殼（與驅(qū)動(dòng)半軸配合部位）處磨損，一種是上述2處均磨損。其中，和行星軸處磨損相關(guān)的占比高達(dá)90%。

（2）差速器殼磨損也有3種類型，一種是僅長半軸配合處磨損，一種是僅短半軸配合處磨損，一種是上述2處均磨損。其中，和長半軸處差速器殼磨損相關(guān)的占比高達(dá)90%。

（3）在拆檢的21例出現(xiàn)該故障的變速器中，裝在眾泰車上的占比較高，高達(dá)95%，而裝在榮威、名爵等車型的該款變速器發(fā)生故障的概率較低。

要分析出上述現(xiàn)象的原因，則必須要研究清楚：一是行星軸為什么會(huì)磨損？為什么此類磨損基本多發(fā)生在眾泰車？二是半軸配合處的差速器殼為什么會(huì)磨損？為什么90%的此類磨損都集中在長半軸配合處？

1 行星軸磨損原因分析及解決方案

從圖4可見，行星軸磨損部位的磨損方向與卷簧銷孔垂直。此磨損方向與動(dòng)力流傳遞路徑一致，為行星齒和行星軸受力接觸區(qū)域。在未差速時(shí)，此行星齒和行星軸相對靜止，行星軸承受正壓力。在差速時(shí)，行星齒轉(zhuǎn)動(dòng)，在正壓力作用下，發(fā)生相互摩擦。可見磨損與轉(zhuǎn)速差和正壓力相關(guān)，且摩擦力方向會(huì)使行星軸有軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，當(dāng)受力過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致卷簧銷斷裂。

圖4 磨損行星軸樣件及其磨損位置

查閱變速器生產(chǎn)廠家資料，發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的該款雙離合變速器全平臺(tái)行星軸共用同一零件，材料為SAE4320H，表面處理方式為熱處理+Mn磷化。筆者決定對行星軸的現(xiàn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行彎曲應(yīng)力校核、接觸壓應(yīng)力校核和P-V（壓力-速度）校核，從校核結(jié)果來看，該款變速器行星軸的現(xiàn)行設(shè)計(jì)并沒有問題。從發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和速比分析，搭載該款雙離合變速器的名爵（MG）銳騰（含RX5）車，1擋的最大轉(zhuǎn)矩為288 N·m，1擋速比為13.9，換算到差速器端的轉(zhuǎn)矩為4 000 N·m，而搭載該款雙離合變速器的眾泰T600車，1擋的最大轉(zhuǎn)矩為250 N·m，1擋速比為15.35，換算到差速器端的轉(zhuǎn)矩為3 838 N·m，由此可見眾泰車差速器端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要小于名爵車，且查閱變速器配套廠家的技術(shù)檔案，該款雙離合變速器在開發(fā)階段差速器耐久試驗(yàn)（高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速，其中差速比為1:1.6，1擋最大輸入轉(zhuǎn)矩）中，都沒有出現(xiàn)過行星軸失效的情況。由此可見，故障雙離合變速器行星軸磨損的主要原因并不在應(yīng)力P上。由該款雙離合變速器行星軸的P-V曲線可知，該行星軸當(dāng)前材料和表面處理方式具有可以在低轉(zhuǎn)速差下承受較大轉(zhuǎn)矩的特性，但在高轉(zhuǎn)速差下其承受大轉(zhuǎn)矩的能力較弱。因此筆者懷疑行星軸失效很有可能源于其使用工況超出了P-V曲線能力，且主要原因應(yīng)為存在有較大的轉(zhuǎn)速差V。

基于行星軸失效原因?yàn)榇嬖谳^大轉(zhuǎn)速差的猜想，筆者將故障排查的重心放在了調(diào)研眾泰車和名爵車控制轉(zhuǎn)速差能力的差異上，首當(dāng)其沖的就是TCS（Traction Control System，牽引力控制系統(tǒng)）。TCS被用來提高所有車輛行駛工況下的操縱性能，如果沒有此功能，大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)使驅(qū)動(dòng)輪（至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪）產(chǎn)生不可接受的滑移（空轉(zhuǎn)）。在此情形下，當(dāng)達(dá)到附著力極限時(shí)，TCS能通過制動(dòng)力及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的干預(yù)，控制車輛的動(dòng)態(tài)性能。TCS的觸發(fā)和輪速差相關(guān)，且最終控制也會(huì)使得輪速差達(dá)到一個(gè)相對合理的范圍。于是，筆者對眾泰車和名爵車進(jìn)行了整車TCS對比試驗(yàn)。從測試結(jié)果可見（圖5）：對于眾泰車而言，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪與非驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差在9 km/h左右時(shí)，TCS激活，實(shí)車平順性及動(dòng)力性感受可接受，最終驅(qū)動(dòng)輪與非驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差穩(wěn)定在50 km/h（圖5a）；對于名爵車而言，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪與非驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差在9 km/h左右，TCS激活，實(shí)車平順性及動(dòng)力性感受好，最終驅(qū)動(dòng)輪與非驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差穩(wěn)定在5 km/h左右（圖5b）。由此可見，眾泰車驅(qū)動(dòng)輪與非驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差高達(dá)50 km/h，這就是行星軸失效的根本原因。

從行星軸P-V曲線可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速差控制在10 km/h（換算到名爵車的行星軸和行星齒端差速為4.6 m/min）以內(nèi)時(shí)，符合行星軸P-V曲線；而當(dāng)轉(zhuǎn)速差控制在50 km/h（換算到眾泰車的行星軸和行星齒端差速為20.3 m/min），超出了行星軸P-V曲線范圍。此外，通過分析21例故障車發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障的車輛多集中在我國西南部，此區(qū)域行駛路況較為復(fù)雜，會(huì)頻繁遇到轉(zhuǎn)速差大的行駛工況。

圖5 TCS測試數(shù)據(jù)（截屏）

為了進(jìn)一步驗(yàn)證高轉(zhuǎn)速差會(huì)造成行星軸磨損的推測，筆者對該款雙離合變速器進(jìn)行了高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為1:40的差速比（轉(zhuǎn)速差約為370.5 r/min），采用50%的1擋最大輸入轉(zhuǎn)矩，試驗(yàn)時(shí)間為40 min。試驗(yàn)后對變速器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)行星軸確有異常磨損，磨損部位與前述21例故障車的返回零件相同。

至此，已明確行星軸失效的主要原因?yàn)檐囕v的使用工況超出了其設(shè)計(jì)P-V要求，主要是轉(zhuǎn)速差V過大，且不同使用區(qū)域的車輛表現(xiàn)出發(fā)生故障的概率性差異。針對此結(jié)論，筆者從變速器的角度，對行星軸的材料和表面處理方式進(jìn)行了更改，并進(jìn)行了對比試驗(yàn)。在相同高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)后，可見改進(jìn)后的行星軸耐磨性能較之前有了明顯提升（圖6）；從整車的角度，整車廠對TCS軟件進(jìn)行了優(yōu)化，通過對TCS控制軟件升級，可以將行星軸失效風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

2 半軸配合處差速器殼磨損原因分析及解決方案

從目前磨損情況可知，在未差速時(shí)，半軸和差速器殼相對靜止，在整車顛簸路況，半軸有可能局部與差速器殼接觸（與圖7所示的失效模式不符），因此筆者初步判斷失效源于差速工況下，且與半軸對于差速器殼的正壓力及相對轉(zhuǎn)速差相關(guān)。

該款雙離合變速器全平臺(tái)差速器殼共用同一零件，材料為GGG-60，經(jīng)校核，差速器殼的強(qiáng)度滿足要求。通過benchmark公司主流變速器性能指標(biāo)，該差速器殼無明顯強(qiáng)度偏弱問題。至此，筆者從設(shè)計(jì)角度同樣找不出變速器端有任何問題。鑒于21例出故障的變速器差速器殼磨損90%集中在眾泰車型上，且90%集中在長半軸配合處磨損，為此筆者重點(diǎn)排查眾泰車長半軸設(shè)計(jì)方面存在缺陷的可能。

圖6 新、老材料行星軸試驗(yàn)后的結(jié)果對比

圖7 差速器殼磨損樣件及磨損位置

圖8 長半軸整車安裝示意

經(jīng)查，眾泰車長半軸的設(shè)計(jì)理念與榮威、名爵等車相似，均采用帶支撐的長半軸。其安裝順序?yàn)椋合葘胼S花鍵插入變速器差速器半軸齒內(nèi)花鍵，而后上緊半軸支撐支架和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的螺栓（圖8）。由此裝配順序可知，花鍵處配合精度、支架和發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體配合精度及其他關(guān)聯(lián)尺寸鏈，將直接影響到裝配后差速器殼和半軸的接觸情況，于是筆者對整車廠當(dāng)前長半軸設(shè)計(jì)尺寸鏈進(jìn)行了復(fù)核。由半軸和差速器殼、半軸花鍵的配合偏擺角可知，半軸插入差速器殼半軸齒花鍵后，其右端呈自然下墜狀態(tài)，半軸左端會(huì)與差速器殼的左上角和右下角接觸，此接觸將阻止半軸進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)（圖9）。通過對此狀態(tài)下偏擺角尺寸鏈計(jì)算對標(biāo)后，發(fā)現(xiàn)半軸設(shè)計(jì)無明顯差異（表1）。通過對半軸支架螺栓上緊前后半軸軸向偏移量尺寸鏈的計(jì)算，可知名爵車半軸在螺栓上緊后可以改善半軸與差速器殼的接觸狀態(tài)（表2）。從尺寸鏈計(jì)算可知，對整車端半軸尺寸鏈進(jìn)行優(yōu)化（如通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體螺栓孔精度，提高半軸支架螺栓孔精度，或者在半軸支架與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體間增加定位銷等），可在一定程度上改善半軸安裝后與差速器殼的接觸狀態(tài)，從而減少差速器殼處的磨損。此外，如TCS能有效介入，在一定程度上也能減少轉(zhuǎn)速差，從而改善對磨狀態(tài)。鑒于此故障的發(fā)生并非個(gè)案，筆者建議變速器生產(chǎn)廠家可以考慮通過加油槽的方式來改善此處的潤滑條件，改善對磨狀態(tài)，以徹底杜絕此處異常磨損的發(fā)生。

圖9 長半軸裝入變速器后的偏擺角

故障總結(jié)對于裝備某款雙離合變速器的車輛掛D擋、R擋熄火的故障，筆者認(rèn)為是電磁閥卡滯造成離合器實(shí)際壓力過高所致。電磁閥上的雜質(zhì)主要來源于行星軸磨損、差速器殼磨損，其中，行星軸磨損的原因?yàn)椴钏俟r超出了行星軸P-V能力，其主要原因?yàn)檐囕v使用環(huán)境及整車TCS控制因素所致，通過對行星軸強(qiáng)化和TCS功能調(diào)整便可以有效解決此類磨損。差速器殼磨損主要發(fā)生在差速工況，但其根本原因?yàn)榘胼S安裝后的軸向偏移量過大，通過半軸尺寸鏈優(yōu)化和TCS功能調(diào)整便可以有效解決此類磨損。后經(jīng)按筆者提出的改進(jìn)方案進(jìn)行改進(jìn)后，此款雙離合變速器再也未發(fā)生上述故障，問題得以圓滿解決。

表1 半軸裝入變速器后的偏擺角

表2 半軸軸向偏移量