重卡變速箱關鍵部件的改進

李敬杰

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

重型卡車作為公路運輸的主力軍，承擔著北方地區主要的貨物運輸任務。變速箱為重型卡車傳動系統的關鍵機構，一般的傳動方式以直齒行星齒輪系為主，采用雙支撐軸承對行星傳動輪系進行支撐，通過鎖環式同步器實現對變速箱的換擋操作。由于重卡汽車所應用的環境相對惡劣、溫差較大，售后服務人員反映該型號重卡汽車所采用的鎖環式同步器氣動換擋方式出現了同步器撥叉和撥塊磨損較為嚴重的現象，導致變速箱出現掉擋和齒套打齒的問題，最終造成鎖環式同步器失效，直接影響該型重卡汽車的使用效果和安全[1]。本文重點對導致上述問題的關鍵部件進行改進設計。

1 重卡變速箱后置副箱概述及故障分析

1.1 重卡變速箱后置副箱概述

重卡變速箱分為主箱和副箱兩部分。其中，主箱實現五個擋位的基礎變換，主要采用手動方式完成。副箱主要實現高擋位和低擋位之間的切換，主要采用氣動操作方式完成。本文重點對變速箱管的后置副箱進行改進設計。

重卡變速箱的基本三維結構如圖1 所示，主要包括強制潤滑系統、互鎖機構、小蓋操縱、行星輪系以及副箱范圍擋。

圖1 重卡變速箱三維結構示意圖

互鎖機構主要是對變速箱主箱和副箱之間的換擋撥叉進行互鎖，基于杠桿原理，保證在主箱換擋過程中對副箱的同步器進行保護。重卡變速箱副箱強制潤滑系統通過主動潤滑和被動潤滑相結合的方式，實現其功能。

1.2 重卡變速箱后置副箱故障分析及改進思路

1.2.1 重卡變速箱后置副箱故障分析

重卡汽車在實際應用中由于路況不佳、工況惡劣且其換擋的頻率較高，加之司機的操作習慣問題，導致重卡變速箱的故障率較高。據統計，重卡變速箱的故障主要集中在后置副箱。具體表現為：

1）由于司機的操作習慣問題，在高擋位和低擋位運行時切換時間延長，加劇了同步器的損壞。

2）在重載沖坡的工況下，由于司機的換擋時機把握不合理，常存在換擋時機較晚，對行星架支撐軸的沖擊較大，造成行星架輸出軸斷裂。

總之，重卡變速箱后置副箱的故障原因主要為司機在操作換擋時發動機的轉速過高所導致，或者因司機換擋頻率過高所導致[2]。

具體的故障形式主要表現為：變速箱后置副箱的高低擋錐轂磨損、撥叉、撥塊嚴重磨損、同步器滑套發生磨損以及高低擋錐轂的端面磨損打齒。

1.2.2 重卡變速箱后置副箱改進思路

針對司機操作不當的問題，通過對司機進行專業培訓來解決。同時，為提升重卡汽車在復雜工況以及過載情況下的安全性和可靠性，從如下幾個方面對重卡變速箱后置副箱加以改進：

1）設計一體化行星架替換原后置副箱的行星架，以提升其強度，降低故障率。

2）為適應實際應用中高頻率的換擋需求，對后置副箱高擋位與低擋位切換的同步器進行強化處理。

3）針對撥叉、撥塊磨損嚴重的問題，進行改進設計，以提升其耐磨性。

4）對撥叉的薄弱部位進行強化設計，解決撥叉變形嚴重的問題。

2 高低擋位同步器的強化設計

本文重點開展高低擋位同步器的強化設計，對變速箱后置副箱進行改進。

2.1 高低擋位同步器強化設計思路

同步器直接決定重卡變速箱換擋操作的舒適性，減小換擋操作的噪聲，提升換擋的速度。重型卡車高低擋位同步器根據實際運行工況包括偏轉、鎖止、同步以及掛擋四個工作過程[3]。結合國外先進同步器的特點，包括ZF-5S111GP、ZF-16S2501 以及ZF-Astronic 等不同型號的同步器，通過以下幾方面的措施對高低擋位同步器進行強化設計：

1）通過增大同步環和同步錐轂的錐面高度增大摩擦錐面面積，減小二者之間的磨損速度。同時，增加同步錐轂和齒套相接觸位置的長度，解決由于撥塊磨損嚴重而導致結合齒打壞的問題。

2）將原鎖止齒的齒面改進為單側斜面的形式，增加了鎖止齒齒面的斜面面積，降低鎖止齒的失效概率。同時，增加鎖止齒的模數，從而達到提升單個鎖止齒的抗沖擊能力。

3）增加同步錐轂錐面上的油孔，減小在非同步工況下同步齒套超越同步環的概率。

2.2 高低擋位同步器強化設計的實施路徑

結合上述的強化設計總體思路，其對應的具體實施路徑如下：

1）同步器進行加寬處理后的尺寸與原同步器的尺寸對比，如圖2 所示。

圖2 同步器加寬強化設計后尺寸對比

圖中括號內數字為原尺寸，相鄰的數字為同步器加寬強化設計后的尺寸。強化設計后，各個位置的尺寸對比如表1 所示。

表1 同步器加寬強化設計各位置的尺寸對比

2）將鎖止齒的模數從3 增大至3.5，將同步器結合齒的齒數從63 減少為54。

3）在同步器錐轂錐斜面上增加直徑為1.2 mm 的油孔，保證油孔均勻布置。

2.3 高低擋位同步器改進效果評估

為驗證高低擋位同步器強化改進設計后的效果，采用專業試驗臺對高低擋位同步器改進前后的換擋性能和壽命進行試驗[4]。

2.3.1 高低檔位同步器改進前后換擋性能對比

通過對比改進前后高低檔位的換擋力、換擋時間和同步時間，分析換檔性能，對比結果如表2 所示。

表2 高低擋位同步器改進前后換擋性能數據

對高低擋位同步器強化改進設計后，系統換擋力得到顯著提升，對應的換擋時間和同步時間明顯減少。

2.3.2 高低擋位同步器壽命試驗

結合QC/T 29063.4—2010 的相關標準規定，要求高低擋位同步器在十萬次換擋操作后，不得出現連續5 次撞擊聲的情況。經試驗證明，改進后的高低擋位同步器在完成十萬次的換擋操縱后，未出現連續5 次的撞擊聲音和其他失效形式[5]。同時，經對裝置拆卸后發現，高低擋位同步器的后備行程由2.9 mm降低為2.35 mm，對應的磨損量僅為0.55 mm，滿足規范要求。

3 結語

變速箱為重卡汽車的關鍵零部件，分為主箱和后置副箱。本文重點對后置副箱在實際應用中出現的故障類型進行研究，并重點以高低擋位同步器為例對其進行改進設計，以提升高低擋位同步器的換檔性能，減少其磨損量。具體總結如下：

1）針對高低擋位同步器在實際應用中出現的主要故障，通過加寬同步器、增加鎖止齒磨損、減少鎖止齒齒數以及在同步器錐轂斜面均勻分布油孔的形式對其進行改進設計。

2）經試驗發現，高低擋位同步器經改進設計后系統換擋力得到顯著提升，對應的換擋時間和同步時間明顯減少。同時，高低擋位同步器的壽命也滿足QC/T29063.4-2010 的相關規范要求。