某型工程車行走異常問題分析與改進方法

魯奕崗，朱海英

（貴州詹陽動力重工有限公司，貴州 貴陽 550006）

1 問題描述

工程車為工業搬運與作業車輛，在我國制造業與物流行業發揮著重要作用，同時我國早已成為了世界第一大工程車產銷國[1]。根據動力裝置的類型工程車可以分為內燃型和電動型兩種，但內燃型受限于尾氣排放、噪音大等缺點不適用于室內環境作業[2]，同時鉛酸電池、鋰電池叉車又存在續航短、充電時間長等問題[3]。

某型工程車如圖1所示，完成下線調試，隨即開展相關出廠試驗。在對樣車進行行駛性能試驗時發現，行駛約20 km后，出現踩油門行走加速減慢現象，在繼續行走過程中，相繼出現行走無力、變速箱聲響異常、變速箱換擋壓力低報警、變速箱油溫高報警的故障等情況。經過檢查后發現，其余樣機均出現了同樣情況。

圖1 某型工程車

2 問題分析

鑒于出現以上的故障情況，經技術、質量、裝配分廠各部門人員現場進行分析、討論，將排查重點首先聚焦到行走機構部分。

經排查，行走驅動液壓系統，各部密封系統無滲漏，行走壓力建立正常；傳動軸、車橋、變速箱等各部連接正常，無松動情況；車橋、變速箱各部密封良好，無滲漏情況；前、后橋行車制動器，制動、復位良好；前、后橋差速器，差速功能正常；左右輪邊減速器，轉動靈活，無卡滯。但當測量換擋壓力時發現，壓力為11.6 bar，低于設定值（技術協議要求換擋壓力設定值16 bar），隨后檢查變速箱，卸下前后傳動軸，手動轉動變速箱輸出軸（空擋狀態），輸出軸轉動阻力很大。由以上情況初步判斷，變速箱內部可能存在故障。于是對該車的變速箱進行拆檢，拆檢觀測到的情況如下：

圖2 吸油濾芯

（1）換擋油路吸油濾芯破損；吸油濾芯處發現有離合器片回位波形彈簧碎片，表面有粉末狀金屬雜質，如圖2所示；

（2）箱體底部有金屬碎屑；

（3）各擋齒輪、齒輪軸完好；各部軸承完好；

（4）離合器摩擦片損壞嚴重，定片表面發藍、燒結，翹曲變形；動片翹曲變形；離合片復位波形彈簧斷裂，如圖3和圖4所示。

圖3 鋼片損壞照片

圖4 離合器損壞照片

3 問題定位

根據故障現象及主機拆檢情況，結合行走傳動系統的組成及工作原理，以主機行走異常、變速箱油溫高分別作為頂事件，列出行走異常故障樹與變速箱油溫高故障樹，如圖5和圖6所示。

隨后根據故障樹一所示的底事件進行逐一排查。

1.設計原因（對應底事件X1）

經排查，該型車樣機已經過行駛里程超8 000 km行駛可靠性試驗，并且首批下線主機行走系統所有技術狀態未改變，可排除行走系統設計選型不合理，驗證不充分的因素，故暫可排除底事件X1。

2.生產、操作原因（對應底事件X2）

生產過程中生產技術資料不完善，過程控制不嚴，行走過程中違規操作均會導致行走系統出現故障。經排查，該型車已完成了技術狀態確認，生產加工、裝配工藝技術文件經過相關評審，滿足批量生產要求；同時采用的電子控制液力換擋形式，已經過行駛可靠性驗證。暫可排除生產加工原因導致行走故障以及違規操作造成故障。

3.行走泵/行走馬達損壞（對應底事件X3/X4）

行走泵/行走馬達損壞會導致無法將動力傳遞給變速箱，造成行走異常。經排查，主機配置的行走泵/行走馬達為成熟產品，與競標樣機使用同廠家同型號行走泵/行走馬達，技術狀態未變更。試驗的樣車未出現故障前均行走正常，出現故障后，經在故障主機上更換備用新變速箱，在廠內能正常行駛，且行走泵/馬達存在故障與變速箱油溫高無直接關聯。故排除行走泵/行走馬達故障。

圖5 故障樹一

圖6 故障樹二

4.輸入/出軸斷裂損壞（對應底事件X5）

輸入/出軸斷裂損壞會導致無法將動力傳遞給前后橋，造成行走異常。經拆檢，變速箱未發現輸入/出軸斷裂、損壞的情況，且輸入/出軸損壞與變速箱油溫高無直接關聯。可排除因輸入/出軸斷裂導致變速箱失效的情況。

5.齒輪損壞（對應底事件X6）

齒輪損壞會導致無法將動力傳遞給前后橋，造成行走異常。經拆檢變速箱，未發現齒輪損壞，排除此底事件。

6.離合器超載（對應底事件X7）

離合器負載如超過離合器最大許用承載能力，摩擦片將會出現滑轉，滑轉將會產生高溫，導致離合器燒結損壞[4]。經排查，該摩擦片已經過行駛里程超8 000 km的第三方可靠性試驗，且未損壞，故可以暫排除摩擦片設計選型不合理以及離合器有異常超載的情況。

7.油路污染（對應底事件X8）

油路污染會導致過濾器失效，進而導致換擋齒輪泵損壞，容積效率降低，造成換擋壓力不足，摩擦片將會出現滑轉，滑轉產生高溫，導致離合器摩擦片燒結損壞。經排查，裝配時采用全新零部件進行裝配，油管、閥體等液壓零部件在裝配前采用密封措施防止污染物進入液壓管路，且經檢查多臺未進行行駛試驗的主機，濾芯干凈無堵塞，油液中未發現金屬雜質，故可以排除該底事件。

8.離合器油缸密封件損壞（對應底事件X9）

離合器油缸密封件損壞，會造成換擋壓力不足，摩擦片將會出現滑轉，滑轉產生高溫，導致離合器摩擦片燒結損壞。經排查，離合器油缸密封采用浮動油封結構形式，當油缸密封件損壞，泄漏量加大，換擋油路的壓力將降低。經拆檢，油缸合塞桿和缸筒均未有損傷痕跡，也未發現浮封環損壞和磨損，經更換齒輪泵后，測量換擋油路壓力為16 bar，與設定值相符，故暫可排除該底事件。

9.換擋溢流閥卡滯（對應底事件X10）

換擋溢流閥卡滯后，會導致溢流閥壓力有偏差，將不同主機換擋溢流閥相互拆換，進行換擋壓力測試，壓力值正常，可以排除因溢流閥卡滯導致換擋壓力降低，故暫可排除該底事件。

10.換擋閥設定值不滿足技術要求（對應底事件X11）

換擋閥設定值不滿足技術要求，會造成換擋壓力不足，摩擦片將會出現滑轉，滑轉產生高溫，導致離合器摩擦片燒結損壞。故障機變速箱已損壞，經檢測故障主機換擋壓力均低于技術要求值，考慮變速箱損壞后可能產生其他影響壓力的因素，對故障主機進行換擋壓力測量，測量結果各擋位壓力值均符合技術要求（技術協議換擋壓力設定值為16 bar），排除換擋閥設定值不滿足技術要求，故暫可排除該底事件。

11.溫度對換擋油路流量的影響（對應底事件X12、X13）

溫度升高油液的黏度降低，系統泄露量增大，換擋油路所分配的流量減小，同時溫度升高會影響齒輪泵的容積效率，可能會造成換擋油路流量減小，同時導致散熱流量低，散熱能力不足的情況[5]。而流量的減小也會導致換擋壓力不足，摩擦片將會出現滑轉，滑轉產生高溫，導致離合器摩擦片燒結損壞。對換擋油路、變速箱結構進行分析，離合器結構設計時為保證換擋時（退擋）離合器片迅速分離，在壓緊活塞上設計有泄油孔。在進行退擋操作時，首先由換擋電磁閥切斷換擋壓力油，接通回油油路進行泄壓退擋，同時，部分壓力油從泄油孔瀉出，以實現離合器片的快速分離。由于有泄油孔的設計，換擋時（離合器接合）需要輸入一定的流量，通過活塞上泄油孔的節流作用來建立換擋壓力。

鑒于該離合器的結構形式，結合故障主機在行駛試驗中換擋壓力發生變化的情況以及齒輪泵損壞的情況看，推測是箱體內鐵屑進入造成；結合前期出現的變速箱離合器摩擦片損壞現象，分析判定是離合器先行損壞后產生金屬雜質導致齒輪泵的損壞。故底事件X12、X13排除。

12.換擋齒輪泵損壞（對應底事件X14）

當換擋齒輪泵損壞時，泵的容積效率降低，泵油量太少，會導致換擋油路壓力降低，同時導致散熱流量降低，散熱能力不足的情況。結合變速箱拆檢情況分析，在摩擦片滑轉磨損燒結過程中，產生了大量金屬碎屑，將濾芯堵塞，造成濾芯損壞，金屬碎屑進入油泵，導致油泵磨損。在換擋齒輪泵磨損后，容積效率逐步降低，泵輸出流量逐步減小，造成換擋油路壓力隨之降低，造成壓緊力進一步不足，摩擦片間滑轉加劇，從而導致了摩擦片、波形彈簧的加速損壞。故判斷泵的損壞應是在摩擦片損壞后發生的。

13.壓力監測未考慮壓降（對應底事件X15）

由于故障原因仍然存在，換擋油路連接如圖7所示。技術人員提出了變速箱連接管路較長且通徑較小，可能管路上存在較大的壓力損失，影響實際作用在離合器上的換擋壓力。因下線主機與樣機采用同樣的軟管，理論上樣機能滿足，下線主機就應能滿足。經討論不排除有樣機換擋壓力值與此批產品的換擋壓力值不一致的可能[6]。后經決定從兩方面進行排查：（1）管路壓力損失；（2）樣機的換擋壓力值確認。

圖7 換擋油路連接示意圖

最后經過測量排查與測試結果得出：樣機與該批主機的變速箱換擋壓力技術要求一致（均為16 bar），但樣機與下線主機的實際換擋壓力不一致。通過以上對比測量，換擋閥壓力監測點與變速箱端蓋間存在4 bar～6 bar的壓降，而換擋壓力監測點壓力設定為16 bar，在減去4 bar～6 bar壓降后，實際作用在離合器換擋活塞上壓力（10 bar～12 bar）處于許用壓力的最低臨界值或已低于最低許用值，工作時摩擦片可能發生滑轉。綜上，分析判斷壓力監測點未考慮壓降（底事件X15）應為導致變速箱摩擦片損壞的重要原因之一。

根據故障樹二所示的底事件進行逐一排查。

14.散熱功率不足（對應底事件X16）

如裝機的散熱器與樣機技術狀態不一致，存在散熱功率不滿足要求的情況，會導致變速箱油溫高。經排查，該批次主機與競標樣機所用散熱器均技術狀態未變更；散熱功率能滿足該主機的散熱需求，故可以排除散熱功率不足導致溫度過高的底事件。15.換擋齒輪泵排量小（對應底事件X17）

如換擋齒輪泵與樣機技術狀態不一致，存在排量小不滿足要求的情況，會導致變速箱油溫高。經排查，該批次主機與競標樣機技術狀態未變更；通過對主機齒輪泵的測試結果，說明齒輪泵的輸出流量、容積效率符合技術要求。故排除換擋齒輪排量小導致散熱流量不足的底事件。

16.變速箱油位過高（對應底事件X18）

變速箱油位過高，在齒輪高速旋轉攪油時，會產生額外的熱量，導致變速箱發熱異常。經檢測，故障主機變速箱油位均在規定范圍內，也與競標樣機油位一致，故可以排除掉因變速箱油位過高的底事件。

17.換擋齒輪泵損壞（對應底事件X19）

當換擋齒輪泵損壞時，泵的容積效率降低，泵油量太少，換擋閥優先將流量分配到換擋油路，分配到散熱的流量降低，導致散熱系統散熱功率降低，從而使變速箱內油溫越來越高，最終出現高溫報警現象。

18.摩擦片處于滑轉狀態（對應底事件X20）

當摩擦片出現滑轉時，離合器摩擦片燒結損壞，同時產生額外的熱量，會導致變速箱發熱異常。經拆檢變速箱，摩擦片間有明顯高溫燒結的痕跡，根據摩擦片的損壞狀態，判斷摩擦片間出現了嚴重的相對滑轉，產生大量熱量，造成了變速箱內油溫異常升高。

根據故障樹一、故障樹二的排查，產生行走異常和變速箱油溫高故障與壓力監測未考慮壓降（底事件X15）、齒輪泵損壞（底事件X14、X18)、摩擦片處于滑轉狀態（底事件X20）有關。

由于壓力監測點的選擇未考慮壓降（底事件X15），而通過測試，換擋閥壓力監測點與變速箱端蓋間存在4 bar～6 bar的壓降，導致實際作用在離合器換擋活塞上壓力（10 bar～12 bar）處于許用壓力的最低臨界值或已低于最低許用值，工作時摩擦片發生滑轉（底事件X20），導致摩擦片燒結損壞，而摩擦片的損壞會產生大量金屬碎屑，造成系統污染、換擋齒輪泵損壞（底事件X14、X18），換擋齒輪泵的損壞使換擋油路流量降低，進而又導致換擋壓力不足，加速摩擦片損壞。在此過程中，因滑轉產生大量熱量，且齒輪泵的流量降低，造成了變速箱內油溫異常升高。最終發生變速箱油溫高報警、行走異常的故障。

綜上所述，本次故障定位為壓力監測未考慮壓降（底事件X15）所致。

4 機理分析

為進一步確認壓降是導致離合器產生滑轉，導致油溫高的原因，為此進行了理論計算[7]。

根據式（1）分別計算不同滑磨時間下Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋的滑磨功：

其中，Mc=2 742 Nm；ω1=54.15 rad/s；ω2=54.15t（滑磨時間為1 s），ω2=27.08t（滑磨時間為2 s），ω2=18.05t（滑磨時間為3 s），ω2=13.54t（滑磨時間為4 s），ω2=10.83t（滑磨時間為5 s）。

不同擋位下的滑磨功如圖8所示。可以發現，Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋在出現滑轉時，隨著滑轉率的增加，在相同時間內溫升越大，特別是Ⅱ、Ⅲ擋輸出轉速越高溫升越明顯。由于在正常換擋情況，摩擦片滑摩時間很短，一般都在一秒以內；當摩擦片完全結合后，主、從動片間無滑轉，不產生滑摩功。正常換擋情況下摩擦片所產生的溫升有限，系統主要發熱由齒輪高速運轉過程中攪油、齒輪副間相對運動摩擦等產生。

圖8 不同滑磨時間下的滑磨功

當換擋壓力降低后摩擦片間的滑轉率增加，變速箱的溫度隨著滑轉時間增加，滑摩功增大，溫升增大，在持續滑轉的情況下，最終導致變速箱油溫高。

5 改進措施與驗證

（1）采取措施：將主機修復，換擋壓力由16 bar調整為22 bar±2 bar，同時對主機換擋油路系統進行清洗，并換裝新的換擋齒輪。

（2）驗證情況：將主機安裝好行駛200 km進行測試，按照調試工藝，將換擋壓力值由16 bar調整至22 bar。進行了換擋閥壓力監測點及變速箱端蓋處的壓力測量，兩點間壓差4 bar～5 bar，端蓋處壓力18 bar，滿足≥16 bar技術要求，行駛過程也均未發現其他異常。因此，可以判定故障問題得到了徹底的解決。

6 總結

在特種工程車的實際應用中，由于其結構復雜、載荷惡劣，會有多種原因引起變速箱油溫升高，進一步引發行駛故障。本文通過故障樹方法，快速定位到行駛故障原因，并基于實踐分析與理論計算，確定改進方法，有效解決故障問題。可進一步完善該類裝備的故障解決方法，同時為下一代機型開發提供經驗。