發動機變速器倒擋打齒異響問題分析與改進

蔣彬彬，方征剛

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

變速器作為整車動力總成的重要組成部分，如在倒擋時發生打齒異響，而此時倒車車速較低、胎噪小，駕乘人員會對倒擋打齒異響極敏感，引發較多終端售后抱怨。變速器倒擋打齒異響的故障實質是兩個金屬質地的齒輪間的硬接觸，以此帶來強烈的金屬撞擊異響聲音，會造成齒輪齒冠部分加快磨損，甚至出現斷裂現象，在嚴重情況下出現入擋之后咬合不徹底，稍微震動很會容易出現掉擋的現象[1]。

某品牌整車搭配我司某款發動機，在小批量上市時，時有倒擋打齒異響故障的售后反饋。倒擋打齒產生了嘎嘎的噪聲，倒擋過程沖擊大，手感差，影響了整車倒擋功能的實現，引起了顧客極大抱怨，甚至影響了產品口碑。為了消除顧客抱怨，減少索賠損失，亟待通過變速器倒擋異響問題進行分析，找出異響原因并加以改進，使汽車變速器的品質得到提升，保證產品品質[2，3]。

1 故障拆解分析

為找出產生打齒的原因，對售后返回的打齒故障變速器逐一進行故障拆解，通過故障拆解，發現所拆解的倒擋齒輪、倒擋惰輪齒輪磨損嚴重，有些已經出現變鈍或產生翻邊現象，嚴重的已產生斷齒情況（圖1）。為確認相關子件的尺寸符合性及異物雜質情況，首先對打齒相關變速器殼體相關尺寸、齒輪清潔度進行故障件檢測，檢測結果顯示尺寸均符合標準，同步調查供應商相關尺寸的制造過程穩定性、過程能力，調查結果亦顯示制程能力達標，穩定性受控。

圖1 倒擋齒輪、倒擋惰輪齒輪磨損嚴重、斷齒

故重點對斷口金相、齒輪材質、齒輪疲勞強度等關鍵因素進行解析、設計復核，以確認設計對齒輪抗打擊能力的滿足程度和找到問題根因。

2 故障斷口金相的研究分析

在統計售后數據中，打齒異響故障集中在1 萬-3萬公里的居多，在整車進行倒擋操作時，倒擋齒輪存在瞬間沖擊力，若有材料缺陷、舊傷裂等原始缺陷，齒輪本身疲勞強度已明顯低于設計要求，極易發生類似提前磨損、斷齒故障，從而讓倒擋齒輪的使用壽命降低。

選取了3 件倒擋齒輪斷齒件，使用電子顯微鏡進行斷口分析，分析過程發現斷面形貌上，有不同程度損傷，斷裂特征一致，均來源于同側齒底表面，沒有發現舊痕、材料宏觀缺陷；裂源處為微觀形態為沿晶，裂源附近為沿晶微解理，故而確認零部件本身無宏觀缺陷，斷裂原因為異常外力作用導致的快速脆性斷裂，如圖2 所示。

圖2 故障件斷口檢測（上：低倍斷口斷裂源；下：高倍斷口斷裂源）

從斷口金相分析結果看，倒擋齒輪金相沒有異常，符合要求。

3 故障材質、表面處理的研究分析

變速器齒輪件由于需要長時間處于高速、高載荷和交變負荷工況下，必須具備高標準的耐沖擊性能、接觸狀態下的彎曲疲勞強度，以及具備高硬度的表面以及與之匹配的強韌性的芯部，這樣才能有效提高零件的承載能力和使用壽命。

該款發動機在開發時，對變速器的齒輪材質、表面處理提出了具體設計標準要求，要求供應商對齒輪材質選用20MnCr5、使用比較成熟的滲碳淬火對齒輪進行表面處理。20MnCr5 是一款碳含量低但淬透性好的表面硬化鋼，強度、韌性均高、淬透性良好，同時，還可以通過滲碳工藝進行表面硬化處理，從而獲得堅硬、高耐磨的表面，適用于變速器齒輪件。

在原選取的3 件倒擋齒輪斷齒件，分別對故障件的滲層深度、表面硬度、有效氧化層、材質成分等關鍵技術指標進行故障件檢測，檢測結果見表1、表2。從齒輪材質檢測結果看，倒擋齒輪、倒擋惰輪等材質沒有異常，符合要求。

表1 故障倒擋齒輪材質檢測報告

表2 故障倒擋惰輪材質檢測報告

在對庫存變速器總成進一步抽查試驗發現，倒檔靜扭試驗按變速器的最大輸入扭矩（要求190 N·mm）的3 倍作驗證，無倒擋齒輪打齒、斷裂故障。倒檔疲勞壽命試驗按發動機輸出扭矩的50%、轉速3000 r/min，試驗2 h 后，無倒擋齒輪打齒、損壞等故障；整車掛倒擋試驗，500 次后未出現倒檔損壞故障。倒檔靜扭試驗、倒檔疲勞壽命試驗、整車掛倒擋試驗進一步說明在正確工況和操作下，目前的齒輪材質、表面處理、齒輪參數能夠滿足設計要求。

4 倒擋齒輪設計復核

變速器的倒擋齒輪彎曲疲勞強度、彎曲靜強度是預防齒面點蝕、彎曲疲勞引起的輪齒斷等缺陷發生的關鍵技術指標，由于整車使用存在一定的車輛超超載等“小馬拉大車”、車輛未停穩時就直接倒擋、踩離合不到底等“惡劣操作”，在變速器實際使用工況中，把一個慢速旋轉的齒輪強行塞入一個高速旋轉或降速不到位的齒輪中，增大打齒異響故障風險。彎曲疲勞強度、彎曲靜強度的安全系數需作充分考慮，提升倒擋齒輪的抗沖擊能力，盡量減少打齒異響等問題。

對倒擋齒輪進行彎曲疲勞強度安全系數、接觸疲勞強度安全系數進行設計復核，如表3 所列，顯示安全系數雖合格，但分別只有1.09875/1.09301，其他兩個倒擋關聯齒輪的疲勞強度安全系數也不高，對整車的使用不良情況預計不足，會加大售后打齒異響、甚至斷裂的風險。

表3 變速器齒輪疲勞安全系數總結報告

5 改進措施

綜上分析可看出，變速器倒擋齒輪本身零件質量符合設計要求，但由于整車使用習慣的特殊性和復雜性，造成設計指標未對客戶使用的極端工況或不良操作予以充分考慮，如車輛未停穩時就直接倒擋、踩離合不到底、超載等，沒有為產品可靠性預留充分裕量，是引起該款整車小批量上市時，發動機時有倒擋打齒異響故障的主要原因。

故重新對變速器倒擋齒輪進行優化設計，將倒擋齒輪的螺旋角、法向模數、齒數、旋向等齒輪參數進行優化，優化后的倒擋齒輪分度圓齒厚為3.542 mm，提升達38.79%，如表4 所列；倒擋齒輪的彎曲疲勞強度安全系數達1.3361，較原參數提升21.6%，彎曲靜強度安全系數達1.9056，提升24.2%，如表5、表6 所列。其他兩個倒擋齒也有一定的提升，優化后的倒擋齒輪抗沖擊能力明顯提升，可以滿足整車需求。

表4 改進后倒擋齒輪齒厚提升情況

表5 改進后彎曲疲勞強度提升情況

表6 改進后接觸疲勞強度提升情況

通過優化倒擋齒輪參數、提高疲勞強度后，對改進效果作跟蹤作9 個月跟蹤，售后數據結果顯示該打齒異響故障已明顯降低。

6 結語

通過變速器倒擋打齒異響問題研究分析，通過重點對斷口金相、齒輪材質、齒輪疲勞強度等關鍵因素進行機理研究分析、設計復核，并通過優化齒輪參數來提升倒擋齒輪疲勞強度，對解決變速器售后問題有一定實用指導意義。同時對發動機總成及變速器設計過程提出設計預防要求，需設計人員關注整車使用不良情況的設計預防，進一步合理提升產品安全裕度，提升產品品質競爭力。