變速器倒擋撥叉磨損故障分析及改進

宇文創成，武鑫

（陜西法士特齒輪有限公司汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

引言

客車系列變速器作為法士特公司目前在客車市場的主打產品，可廣泛匹配于公路營運大客車、城市公交、豪華旅游大巴、小中巴等各種類型客車。產品設計上廣泛采取了法士特在雙中間軸變速器技術上的先進理念，突出環保、節能、輕量化的特點。同時，根據客戶不同的整車匹配及布置需求，科學進行適應性設計實現多種操縱，更是贏得用戶廣泛認可的重要原因。但是在實際適應性設計中，一些細節性的疏漏還是存在著潛在的失效風險，本文闡述的就是一個典型的潛在失效模式分析和解決方案。

1 問題來源

某型號客車變速器根據客戶要求對倒擋進行適應性改進，為提高掛倒擋的一次進擋概率，倒擋采用大滑套結構。但在客戶完成整車試驗的拆箱檢查過程中，發現倒擋撥叉一面有明顯磨損，這種磨損會對倒擋撥叉的疲勞壽命產生明顯影響，即倒擋撥叉存在著潛在的失效風險，需對其磨損原因進行分析并改進。

2 理論分析

經對產品結構圖紙進行研究分析和橫向對比，結合倒擋撥叉磨損產生的部位，初步分析出

以下兩種情況可能造成該潛在失效風險。

（1）倒擋撥叉設計不合理，空擋情況下，倒擋撥叉與一擋齒輪位置輕微干涉，造成倒擋撥叉和一擋齒輪接觸面處出現不正常磨損。

（2）空擋情況下，雖然倒擋撥叉與一擋齒輪位置沒有干涉，但操縱由倒擋回空擋過程中，只有上蓋自鎖鋼球和自鎖彈簧和對倒擋撥叉軸限位，在駕駛員回空擋后繼續用力等情況下，倒擋撥叉軸可能越過自鎖鋼球限位，導致倒擋撥叉行程過長，造成倒擋撥叉和一擋齒輪碰撞沖擊，造成倒擋撥叉接觸面出現不正常磨損。

3 排查方案及總結

為了找出倒擋撥叉朝向一擋齒輪面不正常磨損的根本原因，通過以下兩種方案進行排查：

3.1 尺寸鏈計算

在空擋情況下，即自鎖鋼球位于倒擋撥叉軸空擋凹槽中心時，建立尺寸鏈，經計算得出倒擋撥叉和一擋齒輪之間的極限間隙為0.825～3.045mm，根據3ó法則數據調整后，得出極限間隙為1.624～2.246mm。

圖1

即尺寸鏈上，倒擋撥叉和一擋齒輪之間存在間隙。在空擋情況下，倒擋撥叉和一擋齒輪初始位置不會產生干涉，不會造成倒擋撥叉磨損。

3.2 臺架試驗

實驗中心臺架，某型客車變速器，輸入轉速400rpm。

變速器主箱掛入倒擋、掛回空擋連續重復，在掛回空擋過程中，持續用力時間稍微長點，模擬用戶可能存在的誤操作，實驗完后拆箱檢查倒擋撥叉，出現和客戶反饋的相同磨損情況。

小結：僅依靠自鎖鋼球不足以對倒擋撥叉軸限位，在用戶可能存在的由倒擋回空擋過程中，用力時間稍長情況下，會造成倒擋撥叉與一擋齒輪碰撞而磨損。

經以上兩種方案排查后得出如下結論：主箱在空擋時，即倒擋撥叉和一擋齒輪初始位置不會產生干涉，不會造成倒擋撥叉磨損。但在實際用戶操時，不可避免用戶可能存在的由倒擋回空擋過程中，用力時間稍長，倒擋撥叉軸越過自鎖鋼球的軟限位，造成倒擋撥叉與一擋齒輪碰撞而磨損。

4 改進方案和總結

經與現有其他箱型結構分析對比，提出以下兩種改進方案：

（1）方案一：增加限位套，如圖2 所示：

在倒擋撥叉軸上，換擋撥頭和上蓋之間增加一個限位套，其作用是：在用戶可能存在的誤操作時，通過限制換擋撥頭的位置，來限制倒擋撥叉軸由倒擋回空擋的行程，即在倒擋撥叉和一擋齒輪接觸之前，限位套已將換擋撥頭限位，從而避免倒擋撥叉和一擋齒輪的碰撞而磨損。

圖2

（2）方案二：改進一擋齒輪和倒擋滑套的結構，如圖3所示：

通過改進一擋齒輪和倒擋滑套的結構，其作用是：在用戶可能存在的誤操作時，倒擋回空擋過程中，倒擋撥叉和一擋齒輪接觸之前，倒擋滑套已和一擋齒輪接觸限位，從而同樣可以避免倒擋撥叉和一擋齒輪的碰撞而磨損。

圖3

總結：經對比以上兩種改進方案，對實施難度和有效性綜合考慮，可以看出第一種改進方案具有明顯的可操作性，同時改動很小，有效避免改進過程中可能引起的其他潛在失效風險。而第二種改進方案雖然也能達到同樣的改進效果，但是需要對一擋齒輪和倒擋滑套結構進行更改，特別是對于一擋齒輪，可能對其強度造成一定影響，需要重新設計考量，改動較大，可能引起其他的潛在失效風險，故不建議采用。

5 試裝驗證及結論

從改進的便利性和有效性綜合分析，第二種改進方案所需改動較多且較為復雜，故先第一種改進方案進行效果驗證，進行如下試驗：

臺架試驗：實驗中心臺架，某型號客車變速器，輸入轉速400rpm（增加限位套）。

主箱掛入倒擋、主箱掛回空擋連續重復，在掛回空擋過程中，持續用力時間稍微長點，模擬用戶可能存在的誤操作，實驗完后拆箱檢查倒擋撥叉，沒有出現類似磨損。

驗證結論：第一種增加限位套的改進方案，達到了預期的改進效果，避免了之前產生的倒擋撥叉磨損存在的潛在失效風險。由于第一種改進方案簡單有效，并且達到了預期效果，故沒有對第二種改進方案進行驗證。

6 改進措施及總結

經過多方協商討論，由于方案一具有明顯的可操作性，同時改動很小，可以有效避免改進過程中可能引起的其他潛在失效風險，并通過實驗驗證，可以達到預期的改進效果，故最終決定采用方案一，即增加限位套結構。對用戶實際使用過程中，可能存在的誤操作進行限位，從而避免倒擋撥叉與一擋齒輪發生碰撞而磨損。

該方案在供某客戶車型上批量使用驗證，使用過程中再 也沒有出現類似的故障現象，已驗證成熟。在其他相關類似結構的客車變速箱上，都已廣泛借鑒使用，在成本幾乎沒有增加的情況下，可以有效改進相關產品質量，消除潛在的失效風險，也為法士特客車系列變速器的持續推廣打下堅實基礎。