某手動變速器中五齒軸用彈性擋圈斷裂分析

文/靳倩倩（安徽星瑞齒輪傳動有限公司技術中心）

一、軸用彈性擋圈作用

軸用彈性擋圈常安裝于槽軸上，用作固定零部件軸向運動。該類擋圈解決了由于軸本身的結構限制或者整箱裝配需求而使軸徑減小，導致軸上零部件無法限位的問題[1]。軸用彈性擋圈可簡單方便地進行安裝及拆卸；組件更輕，體積更小；節約原材料，杜絕浪費；提高生產效率，降低人工及材料成本；還可使組件保持完整性。

軸用彈性擋圈按照其內外徑是否同心可分為偏心型和同心型。偏心型軸用擋圈前端有安裝孔，可方便安裝與拆卸，另外可作為擋肩以增加固定力，因此可應對較高的推力負荷。同心型軸用擋圈與偏心型相比，雖可提供更多的擋圈內（外）空間，但不容易安裝與拆卸，承受的推力負荷也比偏心型低。

二、某手動變速器中五齒軸用彈性擋圈斷裂情況及失效模式原因分析

根據3MIS（Three Months in Service）市場信息統計，該款變速器在2018 年1—12 月，共計發生了9 例軸用彈性擋圈斷裂故障，多數集中在2018 年7 月、8 月、9 月三個月份。其中，6 例是新購車輛在進行首次保養更換變速器潤滑油時，發現斷裂的擋圈混在潤滑油中一同流出，2例是車輛行駛過程中有異響。

軸用彈性擋圈斷裂的故障件如圖1 所示。故障件與齒輪和軸的接觸面均磨損嚴重，從擋圈中部斷裂，且厚度方向上變形嚴重。

圖1 軸用彈性擋圈故障件

結合市場反饋的故障信息，統計中五齒軸用彈性擋圈斷裂故障信息表，并從整車故障里程、故障箱生產時間進行分析。按照故障里程分析，66.7%的整車故障里程集中在8000km 以內發生，最小里程為3880km；11.1%的整車故障里程發生在8000～15000km；22.2%的整車故障里程發生在15000～30000km。按照故障箱生產時間分析，生產日期在1 月和7 月各占11.1%，生產日期在8 月的占33.3%，生產日期在9 月的占44.4%。

該變速器總成為本公司成熟量產產品，市場保有量大（約50 萬臺左右），前期無一例此類故障發生，結合上述故障分類統計分析，可初步判定為非設計可靠耐久性引起的市場故障。

為查找故障原因，全面地從設計、裝配以及零件質量等方面進行FTA 故障樹原因分析，如圖2 所示。

三、要因分析與確認

針對FTA 故障樹分析出的應對策略進行逐一排查驗證，根據排查驗證結果確認是否為故障要因。

圖2 中五齒軸用彈性擋圈斷裂FTA 故障樹分析

1.軸用彈性擋圈設計強度校核確認

軸用彈性擋圈的承載能力與接觸的零件的端面情況有關，分為無倒/圓角的端面和有倒/圓角的端面。分別按照兩種狀態對軸用彈性擋圈承載能力進行校核，校核結果顯示：接觸零件的斷面無倒/圓角時軸用彈性擋圈的承載能力為49.3kN，而通過MASTA 軟件建模，變速器五檔輸入扭矩300N·m 時，5 檔齒輪副嚙合傳遞扭矩時，中五齒承受的軸向力為3.7kN，此狀態下的后備安全系數為13.32；接觸零件的端面有倒/圓角時，軸承擋圈的承載能力為9.6kN，此狀態下的后備安全系數為2.59。該變速器的中五齒端面采用的是無倒/圓角的端面，后備安全系數充裕，滿足設計要求，故軸用彈性擋圈設計強度為故障非要因。但需要注意，若中五齒端面采用有倒/圓角的端面，后備安全系數2.59，剛達到設計要求2.5，且與前者狀態相比有較大差異，故中五齒端面采用無倒/圓角的端面優于有倒/圓角的端面。

2.軸用彈性擋圈表面硬度、金相組織、幾何尺寸及折彎試驗確認

表面硬度確認。按照GB/T 959.1 標準，該軸承彈性擋圈熱處理后表面硬度范圍是44～51HRC。按照標準對故障件和庫存件分別進行檢測，故障件49～49.4HRC，庫存件46.9～47.2HRC，滿足標準要求，非故障要因。

金相組織確認。按照GB/T 959.1 標準，該軸承彈性擋圈熱處理后金相組織應為回火托式體。按照標準對故障件和庫存件分別進行檢測，故障件合格，庫存件合格，滿足標準要求，非故障要因。

幾何尺寸確認。產品設計要求，軸用彈性擋圈厚度為1.75mm±0.06mm。按照要求對故障件和庫存件分別進行檢測，故障件1.76～1.78mm，庫存件1.75～1.78mm，滿足設計要求，非故障要因。

折彎試驗確認。按照GB/T 959.1 標準，將擋圈的一半夾在兩個鉗口中，鉗口的圓角半徑應與擋圈厚度相同（r=s），然后反復輕捶打或使用杠桿將擋圈彎曲至30°。試驗后擋圈未斷裂，滿足標準要求，非故障要因。

3.中五齒限位可靠性確認

中五齒軸向間隙確認。對中五齒軸向間隙尺寸鏈校核計算，分別使用完全互換法和概率互換法（也稱不完全互換法）[2]，詳見表1。完全互換法計算尺寸鏈，中五齒軸向間隙范圍是-0.08～0.27mm，極限情況下中五齒軸向過盈0.08mm。概率互換法計算尺寸鏈，中五齒軸向間隙范圍是0.016～0.174mm。其中尺寸1、2、4 均采用熱后車削工藝，過程能力水平可達1.67 以上，保守計算按照3σ過程能力計算，尺寸3 由板材厚度保證，過程能力按照3σ 計算。根據以上計算，對相關產品實物尺寸進行檢測，均滿足過程能力要求的公差范圍，非故障要因。

中五齒徑向限位確認。對中五齒徑向限位尺寸鏈校核計算，詳見表2。校核結果顯示：單邊重合量最小極限情況1.36mm，滿足設計要求。根據以上計算，對相關產品實物進行檢測，發現中五齒故障件孔口倒角直徑嚴重超差，達到46.70～46.78mm，其他尺寸滿足設計要求。

針對以上中五齒故障件，與中間軸后軸承實物裝配發現：由于中五齒孔口倒角大，中五齒凹陷到中間軸后軸承內，如圖3 所示。另外通過拼圖（如圖4 所示）計算，中五齒軸向竄動1.6mm，遠超設計范圍。此狀態易導致中五齒軸向限位失效，正反拖工況，中五齒撞擊軸用彈性擋圈，使其承受額外載荷；中五齒端面變為有邊緣間距的截面，與鋒利截面相比，軸用彈性擋圈的承載能力大幅度下降。故兩者綜合作用，導致中五齒軸用彈性擋圈斷裂，為故障要因。

表1 中五齒軸向間隙尺寸鏈校核計算

表2 中五齒徑向間隙尺寸鏈校核計算

圖3 中五齒與軸承擋圈實物裝配

圖4 中五齒拼圖計算

四、整改優化措施及驗證

針對中五齒孔口倒角大導致軸向限位失效以及軸用彈性擋圈承載能力下降問題，可以從兩方面著手：一是校核軸承擋圈與保持架間隙，選配外徑合適的軸承擋圈，使其有效限位中五齒軸向間隙；二是在中五齒端面增加支撐墊圈，創造一個無倒/圓角的端面（見圖5），以此提高軸用彈性擋圈承載能力。

圖5 在軸用彈性擋圈和中五齒之間增加支撐墊圈

采取第一種經濟性措施進行驗證，選擇較大的軸承擋圈，使中五齒軸向間隙保證在0.17mm 以內，搭載整車完成30000km 可靠性試驗，拆解樣箱中五齒軸用彈性擋圈未發生斷裂。由此可見，中五齒有效軸向限位，保證合適的軸向間隙，可解決軸用彈性擋圈斷裂故障。

五、結語

通過軸用彈性擋圈承載能力的設計計算，對某手動變速器中五齒軸用彈性擋圈斷裂故障FTA 分析，以及優化措施的驗證，提供了故障分析的整體思路，識別了產品設計計算校核和零部件質量控制的關鍵點。