換擋軸螺紋與螺母滑牙分析及質(zhì)量提升

文敏 米世生 梁甲 韋鈰濰

摘 要：本文提出了一種自動變速箱換擋軸螺紋滑牙的分析方式，通過功能分析、DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)、假設(shè)檢驗(yàn)等方法進(jìn)行分析，對問題分析及質(zhì)量提升有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：螺紋;螺母;DOE;滑牙

1 引言

某款自動變速器在開發(fā)階段，在將六角薄螺母裝配到換擋軸上時，出現(xiàn)滑牙現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)換擋軸螺牙損壞嚴(yán)重，螺母螺牙損壞輕微。本文針對該換擋軸滑牙問題進(jìn)行失效分析，并得出解決辦法，在現(xiàn)有條件下對過程和設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化;旨在針對問題分析和解決提供一種分析思路和方法。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

換擋軸是自動變速箱中換擋機(jī)構(gòu)總成中的軸類零件，其通過緊固件與換擋搖臂固定連接在一起，起到傳遞換擋扭矩的作用進(jìn)而驅(qū)動與換擋軸連接的其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動變速器換擋機(jī)構(gòu)總成包含換擋軸、換擋搖臂、彈性墊圈、螺母以及其他相連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中螺母和彈性墊圈將換擋搖臂固定在換擋軸上。換擋搖臂上的拉索球頭受到換擋拉鎖的推動或拉動力作用下，使得換擋搖臂圍繞換擋軸中心轉(zhuǎn)動，此時換擋搖臂和換擋軸之間存在相對運(yùn)動的趨勢。當(dāng)換擋搖臂相對換擋軸發(fā)生位移變化時，將影響換擋精度甚至導(dǎo)致?lián)Q擋功能失效。因此，在設(shè)計(jì)、制造和裝配過程中應(yīng)充分考慮各種因素對螺紋副的影響，通過穩(wěn)健的設(shè)計(jì)方法保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.2 功能分析

通過功能分析，從功能上認(rèn)識和了解“系統(tǒng)”和“超系統(tǒng)”，獲得思考方向，并尋找潛在的解決辦法（表1）。

根據(jù)功能描述，排查設(shè)計(jì)魯棒性、零件質(zhì)量和過程控制，查找造成滑牙的真因。

2.3 螺絲滑牙失效現(xiàn)象

檢查發(fā)現(xiàn)，換擋軸螺牙損壞嚴(yán)重，螺母螺牙損壞輕微（圖2）。

3 分析過程

3.1 原因分析

輸入信號有3個，過程的影響因素有5個，以客戶需求作為輸出有兩個方面，如圖3所示。

螺紋產(chǎn)生滑牙，即螺紋承受的有效剪切應(yīng)力超出許用范圍，參數(shù)計(jì)算如下：

3.1.1 故障樹分析

針對螺紋滑牙現(xiàn)象，分別從人、機(jī)、料、法、環(huán)以及設(shè)計(jì)六個方面去排除，如圖4所示，表3為排除因素說明;鎖定有3個影響因子，分別是沖擊載荷、油污和設(shè)計(jì)魯棒性。

3.1.2 設(shè)計(jì)魯棒性測量確認(rèn)

理論計(jì)算，在無油狀態(tài)下裝配，換擋軸和螺母均滿足設(shè)計(jì)要求;在帶油狀態(tài)下裝配，換擋軸和螺母強(qiáng)度不滿足要求。理論計(jì)算結(jié)果見表4中：

選取15組合格零件在無油狀態(tài)下進(jìn)行破壞扭矩測量，其結(jié)果如（圖5，圖6）：

15個樣本均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但按照Weibull失效概率對破壞扭矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，均值為28.69Nm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.55Nm;如果按照20Nm進(jìn)行控制，失效概率為0.12%，95%置信區(qū)間的失效概率為： [0.000044 ?0.028549]。

從實(shí)測15組樣本評估整體失效概率需提升。

3.2 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及評估標(biāo)準(zhǔn)

在不考慮設(shè)計(jì)魯棒性對滑牙失效的因素，評估沖擊載荷及油液對失效扭矩的影響，并策劃DOE測試進(jìn)行分析。

1）目標(biāo)：評估在沖擊載荷和油液影響下的螺紋扭矩的影響;

2）評估標(biāo)準(zhǔn)（響應(yīng)Y）：破壞扭矩值;

3）篩選影響因素（因子X）：

選擇DOE方案及測試結(jié)果：2水平2因子，測試3次取其平均值進(jìn)行分析。

3.2.2 評估主效應(yīng)及交互影響

從試驗(yàn)結(jié)果評估沖擊載荷對螺紋的失效扭矩點(diǎn)影響較大，為主要影響因素（圖7，圖8）。

3.2.3 小結(jié)

結(jié)合上述的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，鎖定方案：

1）增加螺紋有效接觸數(shù)：調(diào)整螺母厚度，厚度由5mm，增加到6mm;

2）避免螺紋擰緊過程的沖擊載荷;

3）在增加螺紋有效長的情況下，重新評估油品的影響。

4 假設(shè)檢驗(yàn)

4.1 檢驗(yàn)6mm螺母方差是否相等

設(shè)：H0：σ1= σ2; H1：σ1≠σ2，顯著水平設(shè)定為α=0.05，用F檢驗(yàn)確認(rèn)結(jié)果如下：

P=0.526，兩條件下其方差相等。

4.2 檢驗(yàn)6mm在有無油的條件下失效扭矩是否變化

設(shè)：H0：u1=u2;H1：u1

結(jié)論：P=0.526，采用6mm螺母在有油和無油狀態(tài)其螺母失效扭矩并無顯著變化。

4.3 檢驗(yàn)螺母調(diào)整到6mm，其失效扭矩是否提升

設(shè)：H0：u1=u2;H1：u1

結(jié)論：P值=0，拒絕原假設(shè)，從圖形可以判定，將螺母厚度增加到6mm螺母后失效扭矩點(diǎn)提升，提升值在95%置信下限為9.53Nm。

5 結(jié)束語

從分析及試驗(yàn)結(jié)果看，增加螺母厚度對失效扭矩的提升有較大幫助，沖擊載荷導(dǎo)致螺紋失效扭矩降低，油液對螺紋的污染讓失效扭矩變得更加離散不可控，故在生產(chǎn)過程中需避免。

本文通過功能分析、過程試驗(yàn)，采用假設(shè)檢驗(yàn)等方法，在現(xiàn)有條件下對過程和設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得出解決螺紋滑牙的辦法，對問題分析和解決提供一種分析思路和方法的參考。