自動變速器單向離合器故障分析

武嘉文，馬靜，柴召朋，趙彥輝，楊林

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自動變速器單向離合器故障分析

武嘉文，馬靜，柴召朋，趙彥輝，楊林

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

論文通過研究自動變速器單向離合器的故障機理和故障工況，并通過試驗手段在實車環境下再現了單向離合器失效故障，根據對單向離合器失效故障發生的機理制定了滾柱式單向離合器主要元件異形彈簧的管控的優化措施和方向。為單向離合器的設計優化提供借鑒和參考。

單向離合器；滾柱式；異形彈簧

引言

自1982年以后，自動變速箱中單向離合器越來越普及，特別是在中高級車型中。起作用主要是解決車輛啟動時，因油泵轉速較低導致油壓不足離合器未完全結合產生滑摩，以及解決因轉速不匹配導致的換擋沖擊問題。雖然液力變矩器在消除換擋沖擊中可起到重要的作用，但單向離合器是用于消除換擋，特別是降檔沖擊的方法中效果最好的一種。

單向離合器主要分為滾柱式和楔塊式。其中滾柱式又可根據外圈楔形角不同分為平面型，對數螺旋型，偏心圓柱面型，由于滾珠在內外環間能自由轉動，磨損小且均勻，短時過載、滾柱打滑不會損壞離合器，扭矩減小后離合器仍能正常工作，適合在任何轉速差下結合等優點，滾柱式單向離合器在6速、8速等自動變速器中應用廣泛，但其具有傳扭能力較低的缺點；楔塊式單向離合器，由于接觸面曲率半徑大，楔塊數量多，瞬間結合性好，可承載較大扭矩，相同滾道直徑下，承載能力通常為滾柱式的5~10倍，但其超越過程中楔塊與自由滾道為靜摩擦，在高速超越工況下會降低離合器壽命；近年來新問世的新型楔塊式超越離合器，工作中當轉速高于設定值時，由于離心力作用，偏心楔塊與內外圈分離增加了工作的可靠性，但該種單向離合器尚未在工程上得到廣泛應用。

1 故障現象

自動變速箱機構中單向離合器在一次駐車試驗后，偶然發現其發生了整周異形彈簧失效的現象，并在隨后的多次駐車試驗驗證中再現了故障。雖然滾柱式單向離合器中的壓緊元件——異形彈簧，由于是滑動件，存在易發生卡滯、斷裂等問題，且在行業內前期的研究中，就有過因彈簧結構設計缺陷造成彈簧長期在高切應力狀態下工作，導致發生塑性變形甚至疲勞斷裂的現象，并在臺架試驗中得到過驗證，但本次單向離合器彈簧失效的導致原因值得在日后的單向離合器設計中引起注意。

此次自動變速箱機構中單向離合器的失效表現為，整周異形彈簧全部壓并失效，滾道內、外圈表面有明顯壓痕，已經失效的單向離合器在低扭矩工況，即實車常規工況下仍具有制動及超越的能力，無異響等現象。

滾柱式單向離合器異形彈簧的作用是給滾柱一定的初始力，由于單向離合器工作時，滾子始終受到旋轉離心力的作用，因而總是試圖從與外圍的接觸點向外偏移。所以，必須借助彈簧將滾子向開口槽小端壓緊，以制止這種偏移，彈簧的使用壽命成為影響離合器壽命的至關重要的因素。異形彈簧失效可能導致滾子脫出、打斜，單向離合器失效，甚至影響自動變速箱的正常傳動。

2 故障分析

2.1 試驗過程單向離合器受力分析

圖1 單向離合器工作機構示意圖

元件1：太陽輪；元件2：行星架；元件3：行星齒輪；元件4：外齒圈；元件5：單向離合器；元件6：制動器

駐車試驗工況

實車滿載，在一定坡度工況下，根據駐車機構耐久考核試驗標準，上、下坡各進行規定次數的試驗循環。

由于P擋及N擋，各離合器、制動器均沒有油壓，行星機構不形成傳動比，單向離合器不應承載扭矩。即使離合器存在油壓，根據傳動比計算，整車滿載自重反拖施加在單向離合器上扭矩約為300NM，小于其額定設計承載能力約1200NM。

2.2 宏觀分析

圖2 失效后單向離合器異形彈簧

圖3 失效單向離合器內圈

圖4 失效單向離合器滾子

圖5 外圈基圓直徑檢測

圖6 內圈滾道直徑檢測

圖7 內圈滾道圓度及圓柱度檢測

圖8 內圈壓痕深度檢測

2.3 單向離合器承載扭矩異常原因

分析為坡路上掛入P擋，半軸產生扭轉應力，擋P擋拔出時扭矩釋放，外齒圈發生扭轉，或者說有扭轉的趨勢，此時太陽輪的動作未能跟隨，從實測波形上看，來自齒圈的輸入速度為幾個毫秒，結果導致單向離合器承受了沖擊扭矩，即表現為異常的過載扭矩。

3 結果與討論

3.1 單向離合器失效故障的原因

后對異形彈簧進行了改善設計，有效地改善了這一問題。通過檢測數據分析和實驗驗證，此次故障為變速器單向離合器異形彈簧設計對使用工況評估不足，導致試驗過程中單向離合器失效。

3.2 單向離合器異形彈簧設計的建議

異形彈簧設計時通常注意以下內容：

（1）彈簧的壓縮量應控制在其自由長度的20~30%；

（2）彈簧的材料盡量選擇琴鋼絲、碳素鋼絲，也可選不銹鋼絲；

（3）為保證其性能，材料須經過熱處理，一般琴鋼絲熱后HRC45~50，成型后均需做定型處理；

（4）彈簧的細長比應控制在4:1以內。

彈簧力的設計考慮以下兩種極限情況：

（1）為保證離合器各滾柱楔緊之后受力均勻，提高離合器承載能力并減少其空程角，離合器自由旋轉時，各滾柱須始終保持與內圈接觸，不能產生脫離現象，因而彈簧力不能過小。

（2）自由旋轉時，滾柱與內圈應為滾動摩擦而不是滑動摩擦，因此彈簧力不能過大；一面滾出局部迅速磨損降低離合器壽命。

因此彈簧力需設定在上述兩種極限情況之間，滿足極限使用工況。此外，零件耐久性能與傳動效率之間的平衡，在零件設計過程中也應給予考慮。

[1] 賀萍等.汽車自動變速器辛普森機構中單向離合器的作用分析.[J]深圳職業技術學院學報.

[2] 龔正等.滾柱式超越離合器關鍵零件力學分析及結構改進的研究.

The analysis of a type of one-way clutch applying to automatic transmission

Wu Jiawen, Ma Jing, Chai Shaopeng, Zhao Yanhui, Yang Lin

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this article, through studying the failure mechanism of the one-way clutch applying to automatic transmission,under the vehicle failure condition of real using experiment method. Provide an optimization measure on wire spring,the key part of one-way clutch. According to the study results, the author provides reference of design of the differential.

One-way clutch; Roller-type; Wire spring

U467

B

1671-7988(2019)08-133-03

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1671-7988(2019)08-133-03

武嘉文，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.042