一種變速箱止推卡簧的工作機理研究

麻建國

摘 ?要：變速箱是汽車的重要組成部分，可以應對不同的行駛工況，保證整車系統的正常運行。而止推卡簧做為液力自動變速箱的關鍵部件之一，其對變速箱的零部件起到軸向固定作用，保證變速箱傳動的準確性和安全性。本文介紹了一種變速箱止推卡簧的開發應用策略，對該止推卡簧的應用開展了一系列的受力機理分析、設計結構分析、有限元分析、裝配工藝分析等綜合分析工作，并根據分析結果對其開發應用進行了優化提升，同時制造了極限樣件，通過整車試驗驗證了優化方案的有效性和可靠性，為止推卡簧的開發應用提供了依據，提升了變速箱性能，為該類變速箱用止推卡簧的開發應用提供了行之有效的工程方案。

關鍵詞：自動變速箱;止推卡簧;定位;有限元分析;優化方案

中圖分類號：U463 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0116-05

Research On The Working Mechanism of ?Transmission Snap Ring

MA Jian-guo

（ Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201， China ）

Abstract： Transmission is an important part of vehicle， it can deal with all kinds of driving conditions， to ensure the normal function of the vehicle. As one of the key part of automatic transmission， the snap ring plays an axial role in fixing the components to ensure the accuracy and safety of AT.This paper introduces a development strategy of the snap ring， and carried out a series of comprehensive analysis， such as force analysis， mechanism analysis， design analysis， finite element analysis， manufacturing and assembly process analysis，and got the optimization scheme per the analysis result， then making the limit samples. Through the vehicle test to verify the effectiveness and reliability of the measures， and provide a basis for the optimization， which can effectively improve transimission performance，provides some engineering feasible technical basis for the snap ring of automatic transmission.

Key Word： Automatic Transmission; Snap ring; Position; Finite Element Analysis; Optimization Scheme

麻建國

畢業于上海理工大學，碩士研究生，機械設計制造及自動專業?，F就職于泛亞汽車技術中心有限公司，任變速箱系統工程師，長期從事變速箱開發應用工作，對于變速箱的全過程開發有豐富的經驗。

前 ? ?言

自動變速箱是汽車動力傳動系統的重要組成部分，其內部結構極其復雜，而結構的復雜性導致其容易發生故障。變速箱的故障會直接影響整車的動力性能和駕駛性能，嚴重情況下會影響到車輛的行駛安全。多片式離合器做為自動變速箱的關鍵部件之一，決定了變速箱是否能夠正常工作，目前常使用卡簧對多片式離合器的軸向位置進行限制，防止相關零部件的軸向移動超出其允許的工作范圍，而出現動力輸出異常，使其能夠正常工作，以保證變速箱元件工作狀態的穩定和可靠[1-3]。

本文針對自動變速箱常用的一種離合器止推卡簧應用策略進行分析研究，根據其工作機理和工作工況分析，優化了止推卡簧設計結構和裝配工藝要求，提高了該止推卡簧設計的穩健性，并為該類變速箱用止推卡簧的開發應用提供了行之有效的工程方案。

1 ? ?止推卡簧位置結構

文中所述為一種變速箱用止推卡簧，在自動變速箱內裝配結構示意圖見圖1：

止推卡簧整體結構呈開口圓形，截面為楔形結構，其安裝在變速箱殼體內部的卡簧槽內，其通過徑向嚙合對離合器片、支撐片、活塞等變速箱零部件進行軸向固定限位。

2 ? ?止推卡簧受力原理分析

本文所述的止推卡簧為自鎖式設計，通過利用止推卡簧的彈性預緊力和卡簧的楔形特征給位于卡簧下側的零件施加軸向預緊力，這樣可以消除軸向零件之間因尺寸波動等帶來的軸向間隙和實現對零件的固定限位作用，防止零件產生軸向位移，包括克服被固定零件由于油壓波動而產生的軸向移動。該止推卡簧截面呈楔形，止推卡簧外徑與卡簧槽嚙合，可以提供足夠的外徑和內徑尺寸，以減少應力集中現象，同時該止推卡簧可以在卡簧槽內提供足夠的徑向嚙合尺寸，并根據設計要求和工作狀態來調整卡簧截面錐度。與止推卡簧直接接觸的支撐片在工作時會受到離合器所傳遞的扭矩的影響而發生微小轉動，且在離合器活塞軸向力的作用下，變速器系統的變形同時會導致卡簧受力變形而存在徑向變形因而存在滑移蠕動，在離合器接合、釋放的變化工況中，止推卡簧將會不斷受到上述圓周方向和軸向作用力的影響。止推卡簧的受力情形分析如圖2所示，其受力計算如下式所示[4-6]：

式中Nr--支撐片和止推卡簧間的作用力，N;

Nh -- 殼體卡簧槽和止推卡簧楔形面的垂直作用力，N;

θ--止推卡簧楔形面的斜角， °;

式中μr --支撐片和止推卡簧間的摩擦系數，

μh --止推卡簧和卡簧槽間的摩擦系數，

其應變關式為，用εx，εy，εz，表示任意一點在X，Y，Z方向上的正應變，γxy，γyz，γxz分別表示在XY，YZ，XZ平面上的應變。

根據應變與位移的關系，柯西幾何方程的完整表示為：

上式中，ε為零件單元總應變，將位移模式方程（4）帶入幾何方程（3），可以將總應變進一步表示為：

式中B為應變矩陣，δe 為單元e的位移;

應力是指某一點處單位面積上的內力，即分布內力系在某點的分布內力集度，將應力沿該點截面的不同方向進行分解可以得到正應力和剪應力。根據虎克定律，某一點應力與應變之間的關系式為{σ}=[D]{ε}，即

式中σx，σy，σz，為某一點在X、Y、Z方向的正應力分量，τxy，τyz，τzx，為剪應力分量，D為材料的本構方程，且只與彈性模量E和泊松比有關。

根據應變與位移的關系式（5），再結合應變與應力的關系式（6）即可以得出應力與位移之間的關系式[7-8]。

3 ? ?止推卡簧及安裝鍵槽FEA分析

在對止推卡簧和卡簧安裝槽進行FEA分析時，作用力加載在支撐片上，作用力選取離合器系統可產生的最大軸向力，圖3為止推卡簧開口偏左即開口靠近花鍵1位置狀態時的FEA簡化分析結果，圖4為止推卡簧位于花鍵1和花鍵2中間位置狀態時的FEA簡化分析結果，圖5為止推卡簧開口偏右即開口靠近花鍵2位置的FEA簡化分析結果，3種不同開口位置的變形數據匯總見表1，從FEA分析結果可以看出，3種位置狀態下卡簧槽的應力狀態相當，僅存在彈性變形，無塑性變形和壓潰現象，止推卡簧開口位于花鍵1和2中間位置的應力、變形（包括軸向和向內徑側的周向）最優;止推卡簧開口偏右狀態的應力、變形稍差，和開口位于花鍵中間位置基本相當;止推卡簧開口偏左狀態的應力、應變最差，同時，針對卡簧開口未位于花鍵中間位置狀態的卡簧，其左側部分的應力、變形/翻轉（包括軸向和向內徑側的周向）均大于右側，而使得左側部分易脫出卡簧槽。

綜合以上FEA分析，止推卡簧開口未位于殼體花鍵開口中間位置，尤其偏左位置，會導致卡簧入槽深度不同。在實際工作中，入槽深度較多的一端，會使卡簧的周向轉動受到限制，而另一端由于入槽深度較淺，會繼續周向移動，并導致卡簧變形、有效半徑變小，進而導致卡簧軸向限制不足，而易脫出卡簧槽。通過調整卡簧安裝位置使其位于花鍵中間位置，可以顯著降低卡簧的應力分布不均勻性和卡簧周向、軸向變形，降低止推卡簧的變形，甚至脫出風險，提高系統的穩定性。

4 ? ?優化方案確定及驗證

4.1 ? 優化方案

通過FEA仿真分析和相關零部件的研究分析，止推卡簧安裝時開口位置是防止卡簧出現異常變形甚至脫出的關鍵設計要求。異常的開口位置會導致卡簧軸向應力分布不均勻，出現變形，甚至脫出等風險，因此需要對止推卡簧的結構參數進行優化，安裝位置等進行要求。經過分析驗證后得到以下優化方案：1）針對卡簧槽位置，增加毛刷去毛刺工藝，使得卡簧在入槽過程中，卡簧表面與卡簧安裝槽表面能夠充分貼合，杜絕了鋁屑夾在卡簧表面而導致卡簧受力不均勻的情況出現，解決了卡簧槽邊緣出現翻邊的問題;2）優化卡簧槽的高度尺寸，以增大卡簧入槽深度，進而增大卡簧和安裝槽的徑向嚙合面積;3）優化卡簧的開口尺寸，以減小其接觸零部件的應力集中現象;4）優化裝配工藝和工裝設備，增加位移傳感器、檢測桿等，用以監測卡簧的入槽深度，確保止推卡簧的入槽深度滿足設計要求;5）增加預壓縮工裝及導向工裝，確保止推卡簧的開口位置均勻的位于花鍵中間位置，使得卡簧整體入槽深度一致，受力均勻。

4.2 ? 試驗驗證

為進一步驗證理論分析結果，及優化方案的有效性，制作了極限樣件，并在止推卡簧一側焊裝凸臺結構將卡簧的一端強制固定（見圖6），通過搭載整車進行濫用試驗發現：1）安裝時調整止推卡簧開口使其位于花鍵中間位置，試驗結束后，拆解未見有異常，未見卡簧出現變形等失效故障;2）安裝時調整止推卡簧開口使其位于偏左位置，試驗結束后拆解發現止推卡簧表面初始裝配痕跡明確清晰，且存在周向和徑向滑動的痕跡，左側部分有向徑向內側收縮，卡簧內徑變小，并存在輕微脫出跡象。

對存在止推卡簧變形內徑變小情形的變速箱殼體和止推卡簧進行進一步分析，使用Olympus內窺鏡并對變速箱殼體止推卡簧安裝槽周圍進行切割檢查，通過目視斷面和內窺鏡觀察和CT掃描，見圖7，所有安裝鍵槽的上端面、下端面、中端面均無縮孔現象。

圖7 CT掃描卡簧安裝鍵槽

對止推卡簧進行尺寸檢測及尺寸鏈校核均滿足設計要求，其中翹度（安裝后厚度和初始厚度變化量）信息見表2，測點位置見圖8：

圖8 卡簧位置點圖

表2 卡簧變形收縮前后厚度變化

從以上測量數據，可以看出卡簧開口處及左側部門的變形翹度較大，試驗趨勢和理論分析相符合。

5 ? ?總結

本文闡述了一種變速箱止推卡簧的開發應用策略，研究了其結構和使用要求，并從卡簧的工作原理，極限工況進行了FEA分析，針對安裝工藝等角度進行了研究，并提出了優化方案。最后通過實物試驗的方法予以證明：

1）提升止推卡簧零件的表面質量;

2）優化卡簧和卡簧安裝槽的尺寸，以增大入槽深度和嚙合面積;

3）增加位移傳感器等工裝，監測安裝過程和入槽深度滿足要求;

4）增加安裝工裝確保止推卡簧的開口位于花鍵中間位置;

最終措施有效的提升了該止推卡簧的穩健性，提高了自動變速箱的可靠性，同時為該類止推卡簧的開發應用提供了開發應用思路和工程可行方案。

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