液力變矩器故障導致整車動力中斷的分析

張雅琨，梁宗峰，常健,朱軍，黃文

(重慶金康賽力斯新能源汽車設計院有限公司科技中心，重慶 402260)

0 引言

CVT無級變速器以其傳動的平穩性、舒適的駕乘性以及良好的燃油經濟性，在市場上保持著較高的占有率。對變速器故障的識別與分析，優化內部結構對于提升變速器產品品質具有重要意義[1]。

液力變矩器是CVT無級變速器的核心部件之一，為變速器的起動控制系統，同時也是變速器中成本很高的組成部分，其性能穩定與否直接決定了車輛運行的可靠性，而液力變矩器的損壞或故障，一般較難用儀器查找，需要對其內部結構進行拆解，調查問題根源[2]。

本文作者通過車輛可靠性試驗中出現的動力中斷故障，系統地對變速器內部進行失效源頭零部件查找，設計校核，最終查找出液力變矩器的設計缺陷，并對失效點進行了設計更新和試驗驗證。

1 問題描述

搭載某CVT無級變速器某車型在道路耐久試驗行駛中，發動機轉速波動異常，車輛嚴重聳動發沖，隨后動力中斷，變速器故障燈報警，經診斷儀讀取故障碼：被動壓力低。

2 原因分析

對試驗車采集的變速器數據(圖1)可看出，黑色圓圈范圍內實測被動壓力值(曲線4)在目標設定被動壓力值(曲線3)上下波動異常，實測速比(曲線2)跟隨目標設定速比(曲線1)異常，由此初步判斷車輛表現的性能異常為金屬鋼帶打滑所致。

圖1 變速器壓力速比曲線

為進一步分析金屬鋼帶打滑原因，開展如下排查工作。

2.1 排除外在原因

對變速器通氣管、輪速傳感器、箱體線束接插口、加油管焊合件進行檢查，均無進水痕跡，故排除外在原因。變速器進水使潤滑油摩擦因數下降，導致金屬帶打滑。

2.2 故障變速器復測

對故障變速器D擋1 200 r/min鎖止工況下的潤滑油壓力進行復測，并對比該故障變速器出廠下線的數據。該變速器在出廠時潤滑油壓力(0.081 MPa)正常，出現故障后相同工況下潤滑油壓力為0.035 MPa,明顯下降。

2.3 故障變速器拆解

對變速器進行拆解后發現，變速器內較多鐵屑雜質，如圖2所示，鋼帶異常磨損如圖3所示。

圖2 變速器內鐵屑雜質

圖3 鋼帶磨損

為對變速器內鐵屑雜質尋源分析，分別對變速器內配油盤、液壓閥塊、液力變矩器這三大影響潤滑油壓力的部件進行故障排查。

2.3.1 配油盤檢查

用氣槍吹各油道，如圖4所示，未發現雜質；同時對其性能進行檢測，壓力實測值在設計值范圍內，可正常保壓，且油道未發現竄油；對配油盤的尺寸復測，檢測與變速箱中殼體配合的大面尺寸以及密封環安裝槽尺寸，均符合要求。

圖4 配油盤油道檢查

2.3.2 液壓閥塊總成檢查

閥塊總成清潔度檢查結果顯示，閥塊內雜質總量191.6 mg，如圖5所示，已嚴重超標(變速器總成清潔度要求為80 mg)。

圖5 閥塊總成清潔度檢測

拆解閥塊發現二級順序閥有明顯劃痕,如圖6所示，一、二級油道(主被動總成、液力變矩器、DNR離合器系統油路)無明顯雜質淤積，三級油道(液力變矩器、配油盤、閥塊單向油路)存在較多雜質淤積，如圖7所示。由于前配油盤經檢查未發現故障，故初步判斷液壓閥塊內部雜質主要由液力變矩器內部磨損后帶入。

圖6 二級順序閥明顯劃痕

圖7 三級油道雜質淤積

2.3.3 液力變矩器檢查

如圖8所示，液力變矩器主要由泵輪、渦輪、導輪和閉鎖離合器組成，其中渦輪、泵輪和導輪是液力變矩器能量轉換的三元件[3]。

圖8 液力變矩器結構示意

對液力變矩器進行拆解剖析，發現其內部渦輪閉鎖分總成中減震彈簧保持架撥爪斷裂，彈簧蓋和從動板磨損嚴重，如圖9—11所示。

圖9 保持架撥爪斷裂

圖10 彈簧蓋磨損

圖11 從動板磨損

對保持架撥爪斷裂斷口進行分析，如圖12和圖13所示，從減震彈簧與保持架撥爪接觸痕跡看出，撥爪折彎位置徑向面未與彈簧完全接觸，只有軸向面與其接觸，如圖13黑圈所示，在往復應力作用下，撥爪折彎處應力集中形成裂紋源進而斷裂，彈簧著力點失衡、彈簧變形、擠壓并磨損彈簧蓋和從動板。

圖12 渦輪閉鎖分總成

圖13 彈簧接觸痕跡

綜合以上對故障變速器配油盤、液壓閥塊、液力變矩器的拆解分析，得出整車動力中斷的根本原因為：液力變矩器內部渦輪閉鎖分總成減震彈簧保持架撥爪應力集中斷裂，使彈簧失去著力點變形，繼而引發相關配合零部件的磨損，磨損雜質通過變速器內部的油路系統進入液壓閥塊、閥芯，致使閥芯卡滯閥塊工作異常，液壓控制系統無法正常建壓，壓力波動導致金屬帶打滑，產生更多的鐵屑，進入油路循環，進一步加劇零部件的磨損，最終導致液壓系統的控制完全失效，車輛動力中斷。

3 設計校核

對比核查失效彈簧保持架與圖紙的差異，并進行位置度復驗。

如圖14所示，撥爪徑向面未與彈簧完全接觸，存在夾角α，這是保持架撥爪受力不均應力集中導致斷裂的根本原因。

圖14 彈簧保持架示意

4 方案改進

針對彈簧保持架撥爪設計缺陷，對其底部圓角優化變更設計。如圖15所示，加大圓角(由β增大至β1)，使撥爪折彎位置徑向面與彈簧接觸面積增大，從而改善保持架撥爪受力分布。

圖15 優化方案

5 試驗驗證

新方案是否滿足性能需求，需要通過液力變矩器渦輪閉鎖分總成固定扭轉減振試驗來驗證。經100 萬次扭轉耐久后，對零部件進行拆解分析，結果如下：

(1)如圖16所示，保持架撥爪與彈簧由軸向面接觸變為徑向面、軸向面同時接觸，受力情況改善。

圖16 保持架受力情況改善

(2)如圖17所示，從動板、彈簧蓋有亮紋，無深度。

圖17 從動板和彈簧蓋示意

綜上所述，優化方案滿足性能要求。

6 結束語

文中針對整車可靠性試驗中發現的失效形式進行了調查和分析，從根本上找到了產生故障的原因，鎖定失效根源零部件，并進行設計校核，提出了新的改進方案，對新方案進行了試驗驗證，證實了新方案的有效性與可靠性。此次的設計缺陷提醒在產品的研發設計中，須充分結合理論與實際，在設計過程中理論與實際相結合，才能設計出合理、可靠、滿足需求的好產品[4]。