DFMEA技術在某重型汽車變速器開發(fā)中的應用

易延明

摘 要：本文首先對DFMEA技術進行概述，然后探討重型汽車變速器的失效模式及其原因，之后分析基于DFMEA技術的重型汽車變速器的失效模式控制措施，最后從潤滑性能試驗、疲勞壽命試驗、靜扭強度試驗、同步器試驗、噪聲試驗、強制脫擋試驗等方面闡述DFMEA技術在重型汽車變速器開發(fā)試驗中的應用。

關鍵詞：DFMEA技術;重型汽車;變速器開發(fā)

中圖分類號：U463.212文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0036-03

On the Application of DFMEA Technology in the Development of a Heavy Vehicle Transmission

YI Yanming

（Shaanxi Fast Gear Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710117）

Abstract： This paper first summarized the DFMEA technology， then discussed the failure mode and its causes of heavy vehicle transmission， and then analyzed the failure mode control measures of heavy vehicle transmission based on DFMEA technology. Finally， the application of DFMEA technology in the development and test of heavy vehicle transmission was described from the aspects of lubrication performance test， fatigue life test， static torsional strength test， synchronizer test， noise test and forced out of gear test.

Keywords： DFMEA technology;heavy truck;transmission development

1 DFMEA技術概述

在設計和制造產品時，F(xiàn)MEA是一種可靠性設計的重要方法。它實際上是故障模式分析（Failure Mode Analysis，F(xiàn)MA）和故障影響分析（Failure Effects Analysis，F(xiàn)EA）的組合。它對各種可能的風險進行評估、分析，以便在現(xiàn)有技術的基礎上消除這些風險或將這些風險減小到可接受的水平。及時性是成功實施的最重要因素之一，它是一個“事前的行為”，而不是“事后的行為”。為達到最佳效益，F(xiàn)MEA必須在故障模式被納入產品之前進行[1]。

設計FMEA（Design Failure Mode and Effects Analysis）應在一個設計概念形成之時或之前開始，并且在產品開發(fā)各階段中，當設計有變化或得到其他信息時及時不斷地修改，并在圖樣加工完成之前結束。DFMEA是在產品設計階段和過程設計階段，對構成產品的子系統(tǒng)、零件，對構成過程的各個工序逐一進行分析，找出所有潛在的失效模式，并分析其可能的后果，從而預先采取必要的措施，以提高產品的質量和可靠性的一種系統(tǒng)化的活動[2]。

2 重型汽車變速器的失效模式及其原因

2.1 失效模式

2.1.1 變速器功能失效。重型汽車變速器功能失效主要包括變速器油溫問題、變速器換擋可靠性問題、變速器疲勞壽命問題、變速器靜扭強度問題、齒輪總成連接可靠性問題、空倒擋開關可靠性問題等。其中，變速器油溫問題導致功能喪失的機理分為潤滑優(yōu)化分布不均勻和設計不當，容易對駕駛舒適度和可靠性造成影響;變速器換擋可靠性問題導致功能喪失的機理分為換擋力度大、設計強度不足、掛擋越位、結構設計不當、材料選擇不當、系統(tǒng)設計不當、設計尺寸不當?shù)龋菀滓l(fā)換擋可靠性下降、無法換擋、駕駛舒適度下降、變速器脫擋等后果;變速器疲勞壽命問題導致功能喪失的機理分為設計不合理、材料使用不當、參數(shù)計算不合理、制造工藝不合理等，容易出現(xiàn)傳遞轉矩不足、零部件支撐不足、輕量化指標不滿足、噪聲過大、零部件損壞等后果;變速器靜扭強度問題導致功能失效的機理分為材料不當、有限元分析不當、制造工藝落后、設備參數(shù)降低等，容易出現(xiàn)變速器可靠性下降或者零部件斷裂等后果;齒輪總成連接可靠性問題導致功能喪失的機理分為連接部位間隙不符合要求、焊接工藝落后、次輪形狀不符合要求、密封效果不良、裝配工藝不佳等，容易出現(xiàn)變速器齒輪損壞、變速器脫擋、變速器不能傳遞發(fā)動機轉矩等后果;空倒擋開關可靠性問題導致功能喪失的機理分為設計不當或者接觸不良，容易出現(xiàn)信號傳遞不準確甚至整車事故等后果。

2.1.2 變速器功能受到影響。重型汽車變速器功能受到的影響主要包括同步器性能及壽命問題、變速器油泄露問題。其中，同步器性能及壽命問題導致變速器功能受到影響的機理分為設計不當、參數(shù)計算不當、材料選擇不當、同步時間不準確、制造工藝落后、潤滑油出入不通暢等，容易造成變速器磨損過大、使用壽命下降、噪聲增大、可靠性下降、換擋失效等后果;變速器油泄露問題導致變速器功能受到影響的機理分為結構設計不合理、密封設計不合理、油封設計不合理、參數(shù)計算不合理等，容易出現(xiàn)變速器可靠性降低、潤滑油泄露、零部件磨損過度等后果。

2.1.3 符合法律法規(guī)的變速器控制失效。重型汽車變速器符合法律法規(guī)的功能失效模式包括變速器在空擋、前進擋、超速擋、倒擋、空擋等過程中產生的噪聲超過國家規(guī)定標準的問題。其失效模式機理分為參數(shù)設計不合理、零部件變形、零部件振動、材料不合格、制造工藝不合格、附加載荷增加等，容易造成駕駛疲勞、違法違規(guī)、人機事故等后果。

2.1.4 整車匹配要求失效。重型汽車變速器整車匹配要求失效模式包括變速器重量、變速器長度、變速器靜態(tài)選擋力、變速器靜態(tài)掛擋力、變速器靜態(tài)摘擋力、離合器殼止口直徑及連接孔、突緣止口直徑及連接孔等方面的問題。變速器重量超過整車匹配要求的重量時，結構設計不當和材料選擇不當會導致整車輕量化不符合要求;變速器長度超過整車匹配要求時，變速器結構設計不合理會導致整車不匹配;變速器靜態(tài)選擋力、掛擋力和摘擋力不符合要求，主要是由設計不當、參數(shù)不合理等原因導致的，容易造成駕駛疲勞或者人機事故等后果;離合器殼止口直徑及連接孔和突緣止口直徑及連接孔問題，是由直徑尺寸與設計要求不符、連接孔尺寸與設計要求不符等因素導致的，容易造成整車不匹配的后果。

2.2 重型汽車變速器失效模式產生的原因

2.2.1 失效故障狀態(tài)因素。重型汽車變速器失效模式在發(fā)生失效故障時的狀態(tài)原因具體包括未執(zhí)行功能要求故障以及執(zhí)行功能過程中的故障兩種類型。

2.2.2 控制因素。重型汽車變速器失效模式在控制方面的原因具體包括：結構、尺寸、材料等機械設計因素;零部件表面化學處理設計因素;變速器控制系統(tǒng)設計因素。

2.2.3 噪聲因素。重型汽車變速器失效模式在噪聲方面的原因具體包括：變速器產品的噪聲隨著使用時間的增長而增大;變速器產品噪聲大小對外部環(huán)境的影響;變速器產品噪聲變大的制造和裝配。

3 DFMEA技術在重型汽車變速器的失效模式控制措施

3.1 變速器功能喪失控制措施

變速器功能喪失與潤滑油問題有關，開發(fā)人員可以從潤滑油角度入手，采取具體的優(yōu)化控制措施。潤滑油在重型汽車行駛過程中會通過飛濺的方式實現(xiàn)潤滑，但是飛濺數(shù)量有限，有時不能滿足重型汽車的潤滑需求。因此，開發(fā)人員可以設計一種噴淋式潤滑技術取代飛濺潤滑技術，以通過提高潤滑效果防止重型汽車變速器功能喪失。除此之外，開發(fā)人員還可以通過強化變速器零部件強度、剛度和材料性能，優(yōu)化齒輪設計、有限元設計、焊接工藝、控制系統(tǒng)設計等控制措施達到相同的效果。

3.2 變速器功能受到影響的控制措施

變速器功能受到影響可以通過選用更合適的同步器、優(yōu)化同步器摩擦介質材料、優(yōu)化同步器防滑設計等控制措施防止變速器失效。選用更加合理的同步器可以保證同步器的結構、靜態(tài)掛擋力、同步時間、使用壽命等指標參數(shù)更加符合設計要求;采用精鍛銅合金、噴鉬、合成樹脂、碳纖維、燒結銅合金等材料能夠提高同步器摩擦介質材料的性能，從而提高其抗磨性，降低制造成本;采用更加合理的潤滑設計系統(tǒng)，可以大大提高潤滑油的使用效果，從而防止同步器零部件損壞。變速器同步時間設計要求如表1所示。

3.3 符合法律法規(guī)的變速器失效控制措施

變速器符合法律法規(guī)的失效模式可以通過采用細高齒齒輪類型、優(yōu)化齒輪形狀設計、調整齒輪方向和鼓形量等控制措施進行預防。其中，細高齒齒輪的應用可以明顯降低變速器噪聲，有利于將變速器噪聲控制在國家標準范圍內;齒輪形狀的設計可以根據設計圖紙和相關數(shù)據進行確定，有利于降低齒輪在垂直方向和水平方向的偏移量;齒輪方向和鼓形量調整的控制原理與優(yōu)化齒輪形狀相同。

3.4 整車匹配要求失效控制措施

變速器整車匹配要求失效模式可以通過對重型汽車變速器進行輕量化設計、優(yōu)化殼體材料設計兩種控制措施進行預防。其中，變速器輕量化設計可以在不降低材料性能的情況下選用重量更輕的合金材料或工程塑料，以直接減輕變速器的重量，滿足整車的要求;而優(yōu)化殼體設計的目的是對重型汽車行駛過程中變速器的殼體形變情況進行控制，這樣可以有效降低變速器導致整車事故發(fā)生的概率。

3.5 潛在失效模式及后果分析

潛在失效模式及后果如表2所示。

4 DFMEA技術在重型汽車變速器開發(fā)試驗中的應用

4.1 潤滑性能試驗

重型汽車變速器潤滑性能試驗主要對出油狀態(tài)、噴淋效果和油溫升高情況進行檢測。在試驗過程中，需要將變速器的擋位、轉速輸入值及潤滑油加油量控制在規(guī)定值，這樣潤滑性能試驗結果才能真正反映出DFMEA技術在重型汽車變速器開發(fā)試驗中的應用是否可行。

4.2 疲勞壽命試驗

重型汽車變速器疲勞壽命試驗需要先確定試驗設備、轉矩輸入值（1 960 N·m）、潤滑油注入量（17 L）、油溫（80 ℃）、轉速輸入值（1 500 r/min）等條件，然后分別測試變速器各個擋位的試驗結果，最后對齒輪的輪齒及齒面進行檢查。如果發(fā)現(xiàn)零部件損壞，變速器疲勞壽命則不符合要求[3]。

4.3 靜扭強度試驗

重型汽車變速器靜扭強度試驗需要先確保變速器安裝情況、變速器試驗擋位及變速器輸入軸加載量等符合要求，然后按照靜扭強度后備系數(shù)進行判斷，最后根據變速器的損壞情況判斷是否符合設計要求。如果2 L擋位、1 960 N·m變速器額定轉矩、5 978 N·m試驗最大轉矩條件下變速器未損壞，變速器靜扭強度則符合要求。

4.4 同步器試驗

重型汽車變速器同步器試驗需要先確保變速箱同步器、前副箱同步器、后副箱同步器的輸入軸轉速（2 200 r/min）、油溫（40 ℃）、離合器從動盤慣性矩（0.116 kg·m2）符合要求，然后對變速器同步時間是否符合要求進行判定，最后再對同步器的使用壽命進行試驗。如果同步器循環(huán)次數(shù)和同步環(huán)磨損量符合要求，同步器的使用壽命則符合要求[4]。

4.5 噪聲試驗

重型汽車變速器噪聲試驗需要確保變速器輸入軸的地面高度（400 mm）、轉速輸入值（1 800 r/min）、測量儀器、測量距離（1 000 mm）、測試噪聲（70 dB）等試驗條件符合要求，然后按照變速器空擋、前進擋、超速擋、倒擋等規(guī)定要求對噪聲試驗結果進行判斷，最后分別得出每個擋位下變速器噪聲是否符合規(guī)定。

4.6 強制脫擋試驗

重型汽車變速器強制脫擋試驗需要確保試驗臺架的固定、油溫（60 ℃）、轉速（2 200 r/min）和轉矩輸入值（±400 N·m）等試驗條件符合要求，然后計算出強制脫擋力、動態(tài)摘擋力、靜態(tài)摘擋力等強制脫擋數(shù)據，最后根據同步器齒輪參數(shù)判斷變速器強制脫擋試驗是否符合要求[5]。

5 結語

DFMEA技術在重型汽車變速器開發(fā)中的應用是可行的，但在實際開發(fā)過程中必須先確定重型汽車變速器開發(fā)產品的各項基本指標，將準備工作全部完成之后再設計整個重型汽車變速器的開發(fā)流程。

參考文獻：

[1]付年，劉任權.基于DFMEA的汽車風噪性能開發(fā)應用[J].公路與汽運，2021（1）：5-8.

[2]周勇.DFMEA在汽車產品開發(fā)過程中的拓展應用[J].汽車實用技術，2020（5）：251-254.

[3]原鑫.DFMEA技術在某重型汽車變速器開發(fā)中的應用[D].長春：吉林大學，2013：25.

[4]宋光海，陳新龍.重型汽車變速器設計專家系統(tǒng)知識庫的構建[J].汽車零部件，2013（2）：65-67.

[5]王凱峰，王魏.重型汽車變速器散熱器淺析[J].汽車維修，2012（8）：11-13.