某車型低溫起動時變速器異響問題研究

孫鵬翔 楊菲菲

（1.一汽-大眾汽車有限公司轎車二廠質保部,長春130011；2.中國第一汽車集團有限公司質保部,長春130011）

主題詞：變速器 異響 同步環 冷啟動

1 引言

變速器異響是汽車的一種常見故障，由于變速器內部齒輪眾多，嚙合工況復雜，變速器是很容易產生異響故障的部件之一。如果發生異響，很可能變速器內部已發生故障，必須立即檢查維修，否則可能導致變速器的永久性損壞[1-3]。

自2014年冬季開始，某品牌車型出現市場抱怨，車輛在冬季低溫冷起動并進入怠速(環境溫度＜-10 ℃)時，變速器發出“咔咔”異響。異響在車輛起動5～10 min后消失。對變速器進行拆解分析，所有齒輪、軸承類零件均沒有損壞失效痕跡，無法判斷故障來源，只能更換變速器總成，給公司造成巨大經濟損失。

現場分析表明，車輛起動后，在車內能明顯聽見異響。踩下油門，隨著發動機轉速的提高，異響頻率也隨之加快。踩下離合器，異響立即消失。將故障車變速器與正常車輛進行對換，異響隨變速器轉移，由此初步判斷異響來自變速器內部。

2 基于數據和零件替換試驗的異響來源分析

2.1 數據分析

按抱怨日期統計，每年冬季(11 月至次年3 月)故障數明顯上升。地域上，黃河以北區域明顯高于其他區域。

按變速器生產日期統計發現，2014年之前沒有抱怨產生。追溯2014年生產變化點如下。

a.3 擋、4 擋同步環技術更改，摩擦面材料由燒結銅、噴鉬兩種材質變為碳纖維；

b.齒輪油供應商發生變更。

2.2 零件替換試驗

根據上面的判斷，對故障車進行了如下試驗。

a.更換同類型新的齒輪油，待車輛完全冷卻后試車。異響沒有消失；

b.在車輛怠速時，不踩離合器，將換擋桿輕輕向3擋、4 擋方向推動(不掛入擋位)，試車后異響消失。將故障車變速器進行拆解，觀察3擋、4擋同步環未發現損傷。更換新的同步環并重新試車，異響消失。

根據上述試驗，基本確認異響來自3擋、4擋同步環(該車型變速器3擋、4擋同步環完全相同，數據分析表明4擋異響占異響總數約80%)。

2.3 小結

基于上面的數據分析、生產變化點追溯以及零件替換試驗，初步判斷異響可能的原因為變速器生產廠在變更同步環與齒輪油時，沒有進行充分的產品驗證與認可導致售后市場產生用戶抱怨。

3 異響產生原因

3.1 異響頻譜分析

利用Spectrogram 軟件，對異響音頻進行了頻域-時域分析，如圖1所示，結果如下。

a.異響在時域上是不連續的，分布無規律；

b.異響在頻域上自0～10 kHz 均有分布，各個頻域聲強基本呈均勻分布，沒有特別的聲強波峰頻率。

與齒輪異響和軸承異響的頻域-時域分析(圖2、圖3)進行對比發現，低溫同步環異響與后兩者有很大區別。齒輪異響在時域上呈周期分布，這是由齒輪轉動和嚙合的周期特性決定的。例如，圖2是一臺差速器主減速齒損傷異響的頻域-時域分析圖，可以很明顯的看到1 kHz左右頻域有明顯異響周期性峰值。而軸承異響一般在頻域上有非常明顯的波峰，在時域上一般呈連續分布，如圖3所示。

圖1 低溫變速器異響頻域-時域分析

基于以上分析，進一步排除了齒輪或軸承產生異響的可能性。而同步環低溫工況下產生異響的原因為發動機怠速、低速時其轉速波動使得非工作的3擋、4 擋同步環在低溫齒輪油潤滑不好時，同步環發生軸向激振，與換擋齒輪和同步器發生無規律隨機碰撞產生。

圖2 齒輪異響頻域-時域分析

圖3 軸承異響頻域-時域分析

3.2 變速器拆解分析

3.2.1 同步環尺寸差異

可能影響異響產生的尺寸有：

a.同步環軸向結構尺寸；

b.內錐面錐角；

c.內錐面錐深度；

d.內錐面油槽尺寸。

對比測量發現，故障同步環的內錐面油槽寬度和長度尺寸小于圖紙下限值，如圖4所示。油槽的作用是換擋時切斷同步環和換擋錐面的油膜，幫助產生摩擦力。在怠速時可以起到存貯一部分潤滑油，幫助潤滑的作用。過小的油槽尺寸不利于怠速時同步環和換擋錐面之間的潤滑。

我國社會發展階段是以集體利益的增長為目標進行的，個人也要以集體為重，當個人價值觀與集體價值觀發生碰撞時，個人應當服從集體。西方國家在此方面截然不同，是將個人放在首位，對利益的理解也是先個人，后集體。由于國情不同，交易的思維方式也必然存在差異。跨國貿易順利開展首先要處理好這兩者之間的關系，以雙方樂于接受的方式進行翻譯。思維方式的差異還表現在對時間的記錄形式上，國內習慣的方式是由大到小，依次為年、月、日，以及準確的時間。西方國家則有不同的習慣，在跨文化商務交際中要確保正確使用，以免不必要的誤會與爭議。

圖4 同步環油槽尺寸差異

3.2.2 同步環材質差異

上文曾述，2014年后3擋、4擋同步環內錐面摩擦材料切換為碳纖維材料。而在此之前使用的燒結青銅和噴鉬材質同步環在售后從未出現異響抱怨。對比發現，碳纖維材料動摩擦系數（0.11～0.12）高于燒結青銅和噴鉬材料（0.07～0.08）。碳纖維材料由于其較高的摩擦系數，有利于提高換擋舒適性和換擋速度。但同時增加了在冷啟動時，同步環與換擋錐面之間的摩擦力矩。

使用燒結青銅同步環代替故障變速器中的碳纖維同步環，故障消失。證實了同步環摩擦面材料對異響產生具有決定影響。

3.2.3 尺寸鏈分析—同步環軸向間隙

計算3擋、4擋同步環所在的輸入軸總成尺寸鏈，如圖5所示。尺寸鏈計算關系如下。

式中，Sx為同步環內錐面基準圓與同步器齒座內端面之間的軸向間隙尺寸；ax為換擋齒輪外錐面基準圓與齒輪端面距離；bx為換擋齒輪外錐面基準圓與同步器齒座內端面距離；cx為同步環內錐面基準圓與換擋齒輪端面距離。

計算發現，S4要比S3大0.1 mm。較大的軸向間隙顯然更容易使同步環產生振動異響。同時，計算結果也解釋了售后市場上4擋同步環異響抱怨數明顯多于3擋的現象。

圖5 尺寸鏈計算

3.3 小結

綜合上述分析，導致同步環振動異響原因如下。

a.同步環內錐面油槽尺寸不合格；

b.未經過充分試驗驗證的碳纖維摩擦材料在同步環上的使用；

c.不合理的同步環軸向間隙設計。

通過大量的試驗和市場驗證表明，單獨針對上面的影響因素進行整改優化不能起到徹底根除抱怨的效果，必須針對生產和售后維修提出系統的解決方案。

4 解決方案與實施驗證

4.1 優化油槽尺寸

油槽在怠速時可以起到存貯一部分潤滑油，幫助潤滑的作用。因此針對油槽尺寸的不合格項進行整改優化，是最快最經濟的做法。同步環供應商提供了2 套油槽尺寸合格的零件，裝車測試異響消失。新狀態零件投入生產后，通過售后驗證，市場故障率明顯下降。

4.2 更改同步環材質

試驗證明利用燒結青銅或噴鉬材質同步環替換故障車上的碳纖維材料同步環可以徹底消除用戶抱怨。但由于前兩者成本明顯高于后者，而且耐換擋沖擊性能不如后者，因此該方案無法在生產中批量使用，但可以作為售后維修的備用方案。

4.3 增加波形彈簧

不合理的同步環軸向間隙設計會導致異響產生，那么設法減小同步環軸向晃動間隙是一個可行的解決異響的方法。嘗試在同步環與換擋齒輪之間增加一個波形彈簧試驗件，如圖6所示。試驗表明該方案可以完全消除異響。但波形彈簧方案存在彈簧制造難度大、成本高的問題。

圖6 波形彈簧

4.4 優化同步環錐深度

將同步環錐深度降低，相當于將同步錐“縮小”。在其他變速器零件尺寸不變的情況下，能夠起到減小軸向晃動、消除異響的作用。為了驗證理論準確性，供應商提供了錐深度處于公差帶下限的6套同步環，通過裝車測試，裝有小錐深度同步環的車輛，異響均已消失。上述方案有效。

5 結論

利用軟件分析、替換試驗、對比測量和尺寸鏈計算工具分析異響問題，這是振動噪聲專業常用的分析與解決問題的手段，可以快速鎖定異響來源。

重點介紹了低溫下的變速器同步環異響問題分析過程，分析表明控制同步環摩擦面的尺寸狀態、合理選擇摩擦面材料對異響消除具有決定影響。此外，在產品設計階段，通過合理設計軸向尺寸鏈、選擇低溫流動性更好的齒輪油、改善離合器從動盤扭轉減振器特性多種方法也可以預防批量階段異響的產生。