變速器一二擋撥叉偏擺量過大與二擋脫擋的初步研究

吳剛

摘要：通過對國產某品牌汽車變速器在路試過程中出現的二擋脫擋故障的分析研究，拆解故障變速器并檢測二擋換擋相關零部件后，發現一二擋撥叉偏擺量過大，初步分析出一二擋撥叉偏擺量過大的原因及其對二擋脫擋有一定貢獻，評估出失效風險，提出遏制措施和后續優化方案，對解決該型號變速器二擋脫擋及后續變速器的優化設計和提高變速器的換擋性能，具有一定的指導意義。

關鍵詞：變速器；撥叉；脫擋；優化

針對某國產品牌汽車的一款前驅變速器在路試過程中出現的二擋跳擋問題，通過互換試驗排除整車因素和變速器外圍件影響后，拆解故障變速器并檢測換擋相關零部件，發現一二擋撥叉在使用過程中受力變形導致撥叉偏擺量過大。而該型號變速器二擋換擋行程尺寸鏈要求又較為苛刻，撥叉偏擺超差后對二擋跳擋有一定貢獻，后續采用設計優化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）或零件加工工藝優化（提升撥叉的硬度和強度）等方法，抑制因撥叉偏擺量過大對二擋換擋行程帶來的影響，降低該失效模式的發生概率。

故障原因分析

1.故障現象描述及原因探究

某國產品牌汽車在路試過程中，反饋在正常行駛中發生二擋脫擋現象。更換整車操縱機構和換擋拉索，故障依舊存在，說明此二擋脫擋現象與整車操縱機構及換擋拉索無關。然后通過把跳擋車和不跳擋車變速器互換，二擋脫擋這一故障模式跟隨變速器轉移，失效源鎖定變速器。

2.換擋原理

為了最大限度地滿足汽車總體布局的需要，目前手動變速器的操縱機構基本采用拉索式結構，即外部操縱機構的運動通過拉索傳給內部操縱機構，其機構簡圖如圖1所示。

外部操縱機構由換擋桿鉚合件、底座焊合件、連動板組件、滑套和扭簧等構成，如圖2所示。

內部操縱機構包括操縱器蓋、選擋搖臂、選擋撥頭、換擋搖臂、換擋撥頭、撥叉軸、撥塊、自鎖、互鎖和安全裝置等。駕駛員撥動變速桿左右運動時，變速桿的下端帶動選擋拉索中的軟軸在套管中實現推、拉運動。選擋搖臂在拉索軟軸的作用下壓縮操縱器蓋中的回位彈簧，使卡在換擋撥頭槽中的選擋撥頭做橫向運動，換擋撥頭在撥塊槽中進行橫向選擋，這一過程即為選擋；空擋時撥頭被回位彈簧限定在撥塊槽中。當換擋撥頭到達所選定擋位的撥塊槽中部時，駕駛員向前、后方向推動變速桿，換擋拉索軟軸帶動換擋撥頭推動撥塊移動，使得撥叉帶著同步器接合套與待結合齒嚙合，實現換擋。

由此可見，駕駛員的換擋過程應該是：先選擋（推動變速桿左、右運動）再進擋（推動變速桿前、后運動），變速桿的運動軌跡是一個“王”字形。

尺寸測量和失效原因分析

1.尺寸測量

故障變速器拆解后，對二擋脫擋重點關注零件項進行測量，結果見表1。

根據以上測量結果，操縱蓋換擋行程、后殼體位置度等重點關注零件尺寸均符合圖樣要求，唯獨一二擋撥叉偏擺量明顯偏大。

2.失效原因鎖定

為探究一二擋撥叉偏擺量明顯偏大是否偶發個案，從市場返回件倉庫隨機挑選18臺失效模式為二擋脫擋的變速器進行拆解，并就一二擋撥叉偏擺量展開測量（測量位置A處、B處和C處見圖3），測量數據見表2。

基于表2中18臺測量出的變速器一二擋撥叉偏擺量，繪制出一二擋撥叉偏擺量分布圖（見圖4）。

根據設計經驗，該型號變速器一二擋撥叉偏擺量經驗值為0.5mm，A、B、C三點測出的撥叉偏擺量，A處最為突出，全都大于該經驗值，甚至達到了1.05mm，勢必使得撥叉叉口兩平面與叉孔中心不垂直（發生一定量的傾斜），二擋換擋行程也隨之發生變化。

3.原因分析

根據上述測量結果以及數據分析，該型號變速器操縱蓋換擋行程、后殼體位置度等重點零件尺寸均符合圖樣要求，唯獨一二擋撥叉偏擺量明顯偏大，一二擋撥叉偏擺量明顯超出經驗值為0.5mm，有可能是引起二擋跳擋的直接原因。

（1）零件質量問題 生產線上隨機挑選50件未裝配使用的撥叉進行詳細測量，并跟蹤檢測壓裝后尺寸，壓裝襯套各相關參數測量結果均符合圖樣要求（一二擋撥叉偏擺量更是分布在0.2～0.45mm，詳細數據見表3）。

（2）壓裝工藝排查 根據工藝要求，襯套裝配后100%通止規檢測。現場排查，通止規尺寸符合圖樣要求。抽取5件對撥叉軸孔的圓度進行排查，現場確認呈現橢圓狀，確認為撥叉變形導致偏擺超差。

（3）變形誘因 變形是機械零部件在使用過程中普遍存在的一種現象，會使零部件的質量和使用性能發生改變，從而影響零部件的精度和壽命。此處撥叉孔變形，大致可以從磨損和受力兩個方面進行深入排查。

1）磨損變形。排查結果：倉庫隨機抽取5件對襯套鉬層厚度進行檢測（見圖5），發現襯套內側磨損均勻，故排除因為磨損導致的撥叉軸孔變形。

2）受力變形。從市場返回二擋脫擋故障變速器，隨機挑選5套測量襯套圓度（襯套安裝在撥叉上）、撥叉軸孔圓度和撥叉二擋側硬度，排查結果和相關尺寸見表4。

從表4數據可知，經過長時間的使用，襯套有了一定程度上的變形，二擋側圓度分布在0.03mm左右；對比撥叉孔圓度，二擋側圓度基本在0.01mm左右，

設定換擋力為1200N，在拉力和壓縮情況下，軸套孔邊緣棱線最大位移分別為0.3296mm和0.2124mm。

整改措施及總結

根據以上分析，針對零公里和市場反饋的二擋脫擋情況，后續建議更換偏上差的操縱蓋，二擋換擋凸輪角度由18.05°-0 -0.5更改為18.55°-0 -0.5，提高產品的魯棒性。目前整改措施實行后，市場反饋良好，未有新的問題產生。

根據故障重現試驗、二擋脫擋重點關注尺寸測量、壓裝工藝排查和CAE分析等，發現一二擋撥叉在使用過程中受力變形導致撥叉偏擺量過大，而該型號變速器二擋換擋行程尺寸鏈要求又較為苛刻，撥叉偏擺超差后對二擋跳擋有一定貢獻。

根據一二擋撥叉變形誘因，提出以下兩點優化方案，抑制因撥叉偏擺量過大對二擋脫擋帶來的影響，降低該失效模式的發生概率。

1）撥叉（目前采用R14材料），現有硬度水平在65HRB左右，優化零件加工工藝（提升撥叉的硬度和強度）。

2）結構設計優化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）。

CAE分析中，換擋力設定為1200N；駕駛人在實際駕駛過程中換擋力遠遠小于1200N，則可認為撥叉孔最終變形量<0.3mm，并且現有零件狀態可以抑制撥叉孔變形量<0.3mm引起的二擋換擋行程變化。目前市場使用變速器正常行駛6000km以后，若無其他零件明顯超差或存在異常磨損，一二擋撥叉偏擺量引起的二擋跳擋風險概率極低。

結語

本文對某型號變速器二擋跳擋問題分析，通過互換試驗、零件測量和CAE有限元分析，發現一二擋撥叉在使用過程中受力變形導致撥叉偏擺量過大，對二擋跳擋有一定貢獻，后續進行設計優化（迭代方案中使用鋼撥叉和直線軸承）或零件加工工藝優化（提升撥叉的硬度和強度）等方法，抑制因撥叉偏擺量過大對二擋脫擋帶來的影響，降低該失效模式的發生概率。

盡管是對某一型號變速器具體故障的失效分析，并不具有普遍的指導意義，但是找到了一二擋撥叉偏擺量過大的直接原因，對于解決變速器脫擋問題，提升變速器性能，避免類似失效模式再次發生，依舊具有一定的實用性，為今后變速器的設計提供一定的參考價值。

參考文獻

[1] 沈永勝.機械原理[M].北京：清華大學出版社，2006．

[2] 克拉蓋爾斯基，陀貝欽. 摩擦磨損計算原理[M]. 汪一麟，朱安仁，范明德，譯.北京：機械工業出版社，1982.

[3] 葉志偉.微型車變速器換擋性能不佳的致因分析[D].武漢：武漢理工大學，2014.