淺析變速器換檔撥叉斷裂失效原因及預防措施

黃華波

摘 要：為確定某汽車變速器換檔撥叉斷裂原因，對該撥叉進行了斷口宏觀分析、SEM電鏡分析、尺寸及相關性能檢測分析、裝配鉚壓工藝調查及CAE受力分析。分析表明：由于撥叉斷裂部位過渡圓角過小，在壓鑄脫模或壓裝工序容易造成圓角部位應力集中;撥叉斷口處存在氣縮孔鑄造缺陷，降低了撥叉強度，同時撥叉襯套鉚壓時可能引起的損傷加劇撥叉斷裂風險。上述綜合因素導致撥叉在使用中受到較大外力時發生斷裂，針對上述導致撥叉斷裂的風險因素，制定了相應的解決方案。

關鍵詞：撥叉 斷裂 過渡圓角 應力集中 氣縮孔

隨著汽車產業的飛速發展，汽車已成為人們出行的必要交通工具，變速器作為汽車的核心傳動部件，其性能越來越受到人們的關注，變速器問題也成為用戶最為關心的問題之一，變速器質量問題除了一些影響NVH及操控性能問題外，還有一些會影響到行車安全，可能導致交通事故的發生。因此，人們對汽車變速器的安全性、可靠性提出了越來越高的要求。變速器撥叉斷裂會導致車輛無法正常掛檔，極端情況下撥叉碎塊可能造成變速器內部齒輪卡死，車輛無法正常行駛，屬于變速器最嚴重的失效模式之一。撥叉斷裂的原因很多，包括材料選用、強度設計、鑄造工藝、裝配鉚壓工藝、環境因素（使用或腐蝕）等。

本文針對變速器撥叉斷裂原因進行分析研究，以期對撥叉及其它壓鑄類零件斷裂失效分析提供參考。

1 問題描述

某車型變速器在做動力總成耐久試驗過程中，三四檔撥叉發生斷裂，斷裂部位為撥叉軸孔處。經確認，該撥叉材質采用R14鋁合金，毛坯件通過壓鑄而成，撥叉通過機加工處理后進入撥叉裝配工位，主要有撥叉襯套鉚壓工位、撥叉與撥叉軸拼裝工位。此次撥叉斷裂部位為撥叉軸孔部位（見圖1），在結構設計上，撥叉軸兩端支撐在變速器殼體上，需要換檔時通過撥頭撥動撥塊，使撥叉沿撥叉軸軸向方向運動，并推動齒套（同步器）移動，從而達到換檔目的。撥叉工作時受到撥塊、齒套及撥叉軸的共同作用力，如圖2所示。

2 檢測及分析

2.1 斷裂件鑄造圓角檢測

如下圖3所示，對撥叉鑄造圓角R1和R2進行檢測，R1圓角數值為0.20mm，R2圓角數值為0.12mm，技術要求R圓角為1.00～1.20mm。分析認為，R1/R2圓角過小，撥叉在壓鑄過程的脫模工序，或在裝配過程撥叉軸孔的襯套壓裝工序，都極易造成R1/R2圓角部位的應力集中。

2.2 宏觀斷口分析

經對斷裂撥叉的斷口進行宏觀觀察，斷口位置位于撥叉軸孔位置（見圖4），斷口為多源斷裂，裂紋源位置如圖4方框所示;裂紋拓展方向如圖4綠色箭頭所示;斷口中含有較多氣縮孔（見圖5）。

2.3 SEM分析

利用SEM對斷口進行微觀觀察發現，斷口為多源斷裂，裂紋呈平行狀拓展（見圖6）;裂紋源未見微裂紋、夾雜等缺陷，存在較多氣縮孔（見圖7），最大氣縮孔直徑1.26mm;裂紋源高倍鏡下為準解理花樣+初晶硅相（見圖8）;裂紋拓展區撕裂棱呈平行狀分布，高倍鏡下為解理花樣+初晶硅相（見圖9）;在斷口上沒有發現任何的腐蝕痕跡，可以排除環境介質因素促使斷裂的可能性。通過上述分析得出，鑄造氣縮孔使撥叉強度降低，在使用工況受到較大載荷條件下，撥叉應力集中處萌生了裂紋源，繼而形成了裂紋，導致撥叉發生了快速的解理性斷裂。

2.4 材質檢測

該撥叉材質采用R14鑄鋁，根據EDS-M-2108 《換檔撥叉鋁合金》標準，檢測結果如表1所示，化學成分檢測結果均符合標準要求。

2.5 金相組織檢測

金相組織檢測依據標準為《EDS—M—2108》，經檢測，撥叉金相組織為α固溶體+共晶硅（條狀/小塊狀）+初晶硅（大塊狀），標準要求初晶硅尺寸<50μm，實測最大值34μm，金相檢測結果符合標準要求。

2.6 硬度檢測

根據EDS-M-2108 《換檔撥叉鋁合金》標準，對斷裂撥叉不同部位硬度進行檢測，經檢測，撥叉硬度符合標準要求，檢測結果如表2所示。

2.7 撥叉鉚壓工藝調查

撥叉軸孔內壓裝有襯套，為了防止襯套脫出，壓裝后需進行鉚壓（見圖11、12），鉚壓力過小可能造成襯套防脫力不夠，使用過程中襯套脫出，鉚壓力過大可能對撥叉鑄件本體造成損傷，產生初始裂紋甚至開裂，因此襯套鉚壓應盡可能在保證襯套不會脫出的前提下降低鉚壓力。該撥叉原狀態采用矩形鉚壓頭，采用8.5～9.5KN的鉚壓力，存在壓傷撥叉本體風險。為降低鉚壓力，現對鉚壓頭進行優化，將矩形鉚頭增加錐度及圓角，減小正面接觸面積，鉚壓力降低為5～6KN，經測試驗證，襯套拔脫力和原狀態差異不大，能夠滿足拔脫力要求。

2.8 CAE分析

根據撥叉材料屬性及使用工況，通過CAE模擬撥叉受力情況，對撥叉進行受力分析及校核，經分析可以看出撥叉所受最大拉應力位于撥叉軸孔處（見圖13），與撥叉斷裂位置一致，該處最大拉應力為85MPa，安全系數1.41，正常情況能夠滿足撥叉使用強度要求。

3 分析與討論

通過上述分析，我們知道：

（1）該斷裂撥叉的化學成分、金相組織、硬度檢測均符合相關標準要求。

（2）該撥叉毛坯件采用壓鑄生產，斷裂件氣縮孔較多，且最大氣縮孔直徑達到1.26mm，該鑄造缺陷降低了撥叉強度，產生氣縮孔主要由于鑄造工藝或鑄造模具引起，如鋁液溫度控制不合理，波動大或鋁液除氣不徹底;壓鑄模具溫度過低，尤其剛開班前幾件，模具溫度未達到正常穩定溫度;模具本身設計不合理，壓鑄時空氣不能有效排出等因素。

（3）撥叉斷裂部位過渡圓角R1/R2過小（數值分別為：0.20mm和0.12mm），撥叉在壓鑄過程的脫模工序，或在裝配過程撥叉軸孔的襯套壓裝工序，都極易造成R1/R2圓角部位存在較高應力集中，在載荷作用下容易產生裂紋源，繼而形成裂紋導致斷裂。

（4）撥叉襯套鉚壓工位，因鉚壓力較大，在鉚壓襯套時可能會造成撥叉軸孔周邊部位存在壓裂或微裂紋風險，導致使用過程受到較大載荷時沿裂紋處發生斷裂。

（5）根據CAE分析，撥叉在受載過程中，撥叉軸孔處所受拉應力最大，該處屬于撥叉薄弱部位，在設計時應對該處結構進行優化，增強設計強度，提高安全系數。

4 解決方案及建議

（1）優化調整撥叉壓鑄模具排氣工藝，控制氣孔產生，增加模具溫度實時監測及報警功能;并增加X光探傷頻次，及早發現存在氣縮孔的缺陷零件，防止流入后續工序。

（2）對撥叉磨具重新修模，增大過渡圓角，減小應力集中。

（3）撥叉襯套鉚壓工裝及工藝改進，優化鉚壓頭形狀，降低鉚壓壓力。

（4）優化撥叉結構設計：撥叉軸孔支撐長度加長，孔口處厚度加厚，加強撥叉強度，使受扭轉力矩時支撐效果更好，安全系數明顯提高。

5 結束語

本文通過宏觀、微觀斷口分析，相關尺寸性能檢測、撥叉裝配鉚壓工藝調查及CAE受力分析，確定造成撥叉斷裂的影響因素，從而制定相應解決方案，提高了撥叉使用可靠性，防止撥叉斷裂故障再次發生，消除用戶抱怨及行車安全隱患。其分析方法對其它相關斷裂失效件也有著借鑒意義，在零件結構設計、壓鑄工藝、裝配及鉚壓工藝等方面應盡可能避免上述因素造成的零件斷裂失效。

參考文獻：

[1]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]文九巴.機械工程材料[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]陳國楨. 鑄件缺陷和對策手冊[M].北京：機械工業出版社，1996.