電動(dòng)裝載機(jī)變速箱換擋撥叉故障分析及優(yōu)化

闕智堅(jiān)

摘要：針對(duì)某5t電動(dòng)裝載機(jī)變速箱換擋由于撥叉變形，導(dǎo)致脫擋、掛不上擋故障，進(jìn)行全面分析研究，提出對(duì)換擋撥叉進(jìn)行加強(qiáng)和輸出軸總成進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)實(shí)際工況驗(yàn)證，優(yōu)化后的裝載機(jī)故障率明顯下降。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)輪式裝載機(jī)；變速箱；故障；分析；改進(jìn)；強(qiáng)度提升

1? ?故障現(xiàn)象及分析

某公司針對(duì)電動(dòng)裝載機(jī)開(kāi)發(fā)了一款電控變速箱，在使用過(guò)程中客戶(hù)反應(yīng)，該電控變速箱換擋撥叉易出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)致脫擋、掛不上擋的問(wèn)題，進(jìn)而影響作業(yè)效率。鑒于此，決定對(duì)該變速箱進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

換擋撥叉故障主要表現(xiàn)在換擋撥叉變形和叉頭磨損。換擋撥叉彎曲變形如圖1所示。換擋撥叉端面磨損如圖2所示。對(duì)故障件換擋撥叉的材料、熱處理和金相組織進(jìn)行分析，無(wú)異常現(xiàn)象。從故障零件照片體現(xiàn)出來(lái)的故障表現(xiàn)上看，換擋撥叉彎曲變形，主要是換擋撥叉強(qiáng)度不足。在換擋過(guò)程中，電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)推動(dòng)換擋撥叉將滑動(dòng)齒套對(duì)齒掛入。對(duì)齒過(guò)程中，推力反作用在換擋撥叉上，由于長(zhǎng)時(shí)間操作造成換擋撥叉變形，最終導(dǎo)致脫擋、掛不上擋。

輸出軸總成中的滑動(dòng)齒套，是通過(guò)中間的環(huán)形槽安裝在換擋撥叉叉頭上的，通過(guò)換擋撥叉的移動(dòng)，使滑動(dòng)齒套分別與高速擋齒輪或者低速擋齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、空擋和倒退的擋位切換。換擋撥叉總成的擋位行程通過(guò)彈簧和鋼球進(jìn)行限定，且未對(duì)滑動(dòng)齒套進(jìn)行限位，無(wú)法保證滑動(dòng)齒套處在高速擋齒輪和低速擋齒輪的中間，造成換擋撥叉叉頭與滑動(dòng)齒套環(huán)形槽干涉，使換擋撥叉叉頭磨損，導(dǎo)致脫擋、掛不上擋。

2? ?優(yōu)化改進(jìn)措施

針對(duì)該電控變速箱換擋撥叉易出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)致脫擋、掛不上擋的問(wèn)題，進(jìn)行綜合分析認(rèn)為，需提升換擋撥叉的材料性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并對(duì)輸出軸總成進(jìn)行優(yōu)化。

2.1? ?提升換擋撥叉材料性能

分析認(rèn)為，由于目前的換擋撥叉材料為ZG310-570，并采用鑄造成型及回火處理工藝，導(dǎo)致其易存在砂眼、疏松等缺陷。參照國(guó)內(nèi)著名重卡變速箱廠商的換擋撥叉所用材料、成型工藝及熱處理工藝，將本換擋撥叉材料改為45號(hào)鋼，并采用鍛造成型及調(diào)質(zhì)處理工藝，以使換擋撥叉的機(jī)械性能得到顯著提升[1-2]。

2.2? ?提升換擋撥叉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

分析認(rèn)為，目前的換擋撥叉，是在手動(dòng)機(jī)械換擋變速箱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)在換擋過(guò)程中推力，不會(huì)因擋位掛不進(jìn)而自動(dòng)調(diào)小推力，長(zhǎng)時(shí)間操作造成換擋撥叉變形。為此，在不改變換擋撥叉外聯(lián)尺寸的情況下，對(duì)換擋撥叉進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，即在換擋撥叉兩面增加加強(qiáng)筋，并對(duì)中間幅板向U型頭采取一側(cè)逐步增厚設(shè)計(jì)，以提高換擋撥叉的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并保證互換性。

為驗(yàn)證其改進(jìn)效果，利用Inventor三維軟件進(jìn)行三維建模和有限元優(yōu)化分析，工況條件按照電控?fù)Q擋機(jī)構(gòu)撥動(dòng)推力600N·m。對(duì)優(yōu)化前、后的換擋撥叉進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化前的換擋撥叉實(shí)物彎曲部位（見(jiàn)圖1）與優(yōu)化前有限元分析結(jié)果（見(jiàn)圖3）的薄弱部位吻合，優(yōu)化后（見(jiàn)圖4）的安全系數(shù)提升了35%，且優(yōu)化前薄弱部位的強(qiáng)度得到了顯著提升[3-4]。

2.3? ?輸出軸總成優(yōu)化

2.3.1? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

在換擋撥叉總成臺(tái)階面下方設(shè)置撥叉調(diào)整墊片，并通過(guò)螺栓安裝在箱體上。換擋撥叉U型槽與電控?fù)Q擋撥指相配（實(shí)現(xiàn)換擋撥叉換擋），通過(guò)調(diào)整撥叉調(diào)整墊片的厚度，使換擋撥叉U型頭中心線位于箱體限位窗口中心線上。

箱體的臺(tái)階孔底設(shè)置輸出軸調(diào)整墊片，輸出軸調(diào)整墊片左側(cè)安裝有軸承，軸承的右側(cè)安裝有隔套，隔套的右側(cè)安裝有高速擋齒輪，高速擋齒輪上均勻分布安裝有3個(gè)限位銷(xiāo)一。高速擋齒輪右側(cè)與輸出軸中間臺(tái)階的左側(cè)面接觸，該中間臺(tái)階安裝有滑動(dòng)齒套，換擋撥叉的叉頭安裝在滑動(dòng)齒套的環(huán)形槽內(nèi)。輸出軸中間臺(tái)階的右側(cè)面接觸安裝有低速擋齒輪，低速擋齒輪上均勻安裝3個(gè)限位銷(xiāo)二，通過(guò)調(diào)整輸出軸調(diào)整墊片的厚度，使輸出軸中間臺(tái)階中心線位于換擋撥叉叉頭中心線上。

2.3.2? ?調(diào)整方法

首先，進(jìn)行換擋撥叉U型頭與箱體窗口兩限位面對(duì)中調(diào)整。分別測(cè)量箱體窗口兩限位面距離為A，和換擋撥叉的U型頭兩外側(cè)限位面厚度為B。根據(jù)上述測(cè)量出來(lái)的數(shù)值，可以計(jì)算出換擋撥叉的U型頭兩外側(cè)面到箱體窗口左右限位面距離為F，其表達(dá)式為：

F=A-B/2（1）

測(cè)量箱體窗口左側(cè)限位面到換擋撥叉總成安裝面的距離為D，再將換擋撥叉總成的換擋撥叉調(diào)整至空擋位置，測(cè)量換擋撥叉總成中撥叉支架端面到換擋撥叉左側(cè)限位面距離為E。為保證換擋撥叉與箱體窗口兩限位面對(duì)中，根據(jù)上述測(cè)量出來(lái)的數(shù)值，計(jì)算撥叉調(diào)整墊片需選取厚度t1，其表達(dá)式為：

t₁=E-D-F（2）

其次，進(jìn)行輸出軸中間臺(tái)階中心線與換擋撥叉叉頭中心線對(duì)中調(diào)整。先在輸出軸上預(yù)裝隔套，測(cè)量隔套外端面到輸出軸中間臺(tái)階左側(cè)端面距離為J，再測(cè)量輸出軸中間臺(tái)階左右兩側(cè)端面厚度為K。根據(jù)上述測(cè)量出來(lái)的數(shù)值，計(jì)算隔套外端面到輸出軸中間臺(tái)階中心線為L(zhǎng)，其表達(dá)式為：

L=J+K/2（3）

測(cè)量箱體上的輸出軸孔端面到孔底臺(tái)階深度為M，再測(cè)量換擋撥叉的U型頭中心線至叉頭中心線距離為N。為保證輸出軸中間臺(tái)階中心線與換擋撥叉叉頭中心線對(duì)中，根據(jù)上述測(cè)量出來(lái)的數(shù)值，計(jì)算軸承右側(cè)輸出軸調(diào)整墊片需選取厚度為t2，其表達(dá)式為：

t2=M+L-D-A/2-N（4）

2.3.3? ?優(yōu)化效果

輸出軸總成優(yōu)化后結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。限位銷(xiāo)一、限位銷(xiāo)二和箱體限位窗口的設(shè)置，使滑動(dòng)齒套和換擋撥叉都得到很好的限位，通過(guò)換擋撥叉U型頭與箱體窗口兩限位面對(duì)中調(diào)整，及輸出軸中間臺(tái)階中心線（即滑動(dòng)齒套中心線）與換擋撥叉叉頭中心線對(duì)中調(diào)整，使換擋撥叉的叉頭與滑動(dòng)齒套的環(huán)形槽不會(huì)干涉，避免了干涉磨損和換擋時(shí)接合齒的接合長(zhǎng)度不足造成擋位脫擋。

3? ?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某5t電動(dòng)裝載機(jī)變速箱換擋由于撥叉變形，導(dǎo)致脫擋、掛不上擋故障，進(jìn)行全面分析研究，提出對(duì)換擋撥叉進(jìn)行加強(qiáng)和輸出軸總成進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的變速箱在一年多的市場(chǎng)工況驗(yàn)證中，未出現(xiàn)因換擋撥叉、輸出軸總成故障引起的脫擋、掛不上擋故障，優(yōu)化改進(jìn)效果明顯。

參考文獻(xiàn)

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