汽車變速器自動合箱設備旋轉撥叉疲勞壽命提升研究

滕海渤　黃樺　劉義法

摘要：某汽車變速器生產線，自動合箱工位合箱過程中，依靠自動合箱設備旋轉撥叉撥動殼體總成內差速器行星軸，使差速器齒輪與變速器液力變矩器殼體總成內齒圈旋轉嚙合進行合箱。由于撥叉結構和材質原因，撥叉頻繁出現變形和斷裂的情況，設備也頻繁報警和合箱不成功，嚴重影響了制造質量和開動率，問題亟待解決。從撥叉結構和材質以及合箱程序等方面優化，來進行自動合箱設備旋轉撥叉疲勞壽命提升研究和驗證，通過改進，大大提升了撥叉疲勞壽命，降低了制造成本，提升了變速器制造質量和效率。

關鍵詞：變速器；旋轉撥叉；斷裂；疲勞壽命

某汽車九速變速器在合箱工位采用旋轉壓機進行液力變扭器總成和變速器殼體總成合箱，在合箱過程中，自動合箱設備的旋轉撥叉與差速器的行星軸配合后撥動殼體總成上的差速器旋轉后，差速器齒輪與變速器液力變扭器殼體總成內齒圈旋轉嚙合進行合箱。某生產線合箱工位變速器自動合箱設備如圖1所示，該設備采用旋轉壓機邊旋轉邊進行合箱。該工位頻繁出現合箱不成功故障，即設備扭矩超載報警后停止在原位不動作，此時操作者進入設備內查看時會發現撥叉有變形或斷裂問題，變形的撥叉會把差速器帶起，斷裂撥叉掉落到變速器腔體內會劃傷變速器內腔，或者停留在油路里面引起換擋卡滯問題，如何防止撥叉變形斷裂，提升撥叉疲勞壽命是亟待解決的問題。

設備結構和工藝介紹

變速器合箱的兩個部分如圖2所示，合箱時撥叉撥動變速器殼體總成上差速器邊旋轉邊與變速器液力變扭器總成上內齒圈嚙合，變速器液力變扭器總成部分和變速器殼體總成部分裝配在一起，則合箱成功。

該9速變速器自動生產線共線生產了多種型號的變速器，差速器的行星軸結構分為十字軸和一字軸兩種，撥叉形狀配合兩種行星軸撥差速器配合內齒圈旋轉。自動合箱設備差速器及變速器差速器行星軸配合情況如圖3所示。十字行星軸差速器和一字行星軸差速器如圖4所示，分別對應不同型號的變速器。

合箱工位主要動作順序為機器人從AGV小車或備料滑臺上取下液力變扭器殼體總成零件，機器人到達讀碼位進行讀碼比較，讀碼合格機器人到達機床放件位，機床三個擺爪氣缸夾緊，機器人夾具氣缸松開，機器人返回，工件到達擋料位，讀寫頭讀取信息，抬起定位氣缸并鎖緊，導向柱氣缸伸出，升降壓機到達預壓裝位置，判斷機型后解鎖裝置橫移氣缸送進，駐車解鎖氣缸，旋轉壓機開始旋轉，升降壓機開始合箱，合箱成功或失敗后機床擺爪氣缸打開，推殼氣缸伸出，推殼氣缸返回，導向柱氣缸返回，抬起定位氣缸解鎖，定位氣缸落下，讀寫頭寫入工作信息，托盤放行。

主要工藝過程為：變速器殼體總成托盤到位→托盤到達工位讀取RFID→機器人自動從AGV小車上抓取變速器液力變扭器總成后并吸塵→自動掃描液力變扭器殼體總成和油泵二維碼→驅動手軸，旋轉將停車爪從停車位置拉出→自動合箱（變速器液力變扭器總成油泵油封襯套與殼體總成的離合器殼體軸通過導向芯軸配合在一起）→若合箱失敗，后擋料人工合箱→托盤自動放行。

撥叉斷裂原因分析

正常撥叉和在合箱過程中合箱報警后檢查發現崩齒的撥叉如圖5所示，該撥叉斷口經分析發現為脆性斷裂，未經過明顯的變形直接就斷裂了，而非經過大量變形累計后的韌性斷裂，脆斷時沒有明顯的伸長或彎曲，更無縮頸，也沒有直徑的增大及壁厚的減薄，斷口的尺寸（如直徑、厚度）比原始尺寸無明顯變化，斷口與主應力垂直，也即與撥叉表面垂直，斷口平齊[1][2]。撥叉材質為4Cr5MOSiV1（H13鋼），實際硬度≥50HRC，該撥叉未經過回火處理，易在旋轉和撞擊差速器行星軸的情況下產生變形和脆性斷裂，該批次撥叉壽命在幾百次和幾千次不等，很快就產生了斷裂崩齒，撥叉斷裂后影響變速器工位合箱成功率，大大影響了變速器制造質量和效率。

撥叉斷裂原因魚骨圖分析如圖6所示，從人機料法環等方面對撥叉的工作狀況進行了分析，通過分析針對原因進行逐一排查[3][4][5]。目前壓機扭矩≤10N·m；下降時與行星軸接觸時速度為10mm/s，速度和扭矩較小，不是造成斷裂的原因；旋轉壓機程序設置壓力≤2kN的過載保護，一旦超過壓力設備就會報警停止，故旋轉壓機壓力過大也不是撥叉斷裂的主要原因；此外旋轉壓機下降速度較小的情況下，撥叉與光滑的差速器行星桿接觸會滑開撥開行星桿，不會因為下降速度過快沖擊造成撥叉斷裂。故通過分析認為撥叉產生脆性斷裂的兩個原因為：一是撥叉熱處理方式不合理；二是撥叉與連接桿臨時卡滯，缺少自由度導致撥叉額外受力導致斷裂。

改進方案及措施

為了提升自動合箱設備旋轉撥叉疲勞壽命，采用了以下幾點改進方案和措施[6] [7]：

1）進行撥叉材質對比，優化撥叉熱處理工藝，由4Cr5MOSiV1（H13鋼）淬火更改為淬火后高溫回火三次，熱處理后硬度為40～45HRC，增強撥叉的韌性和強度，消除撥叉脆性斷裂風險；工藝驗證過程中選擇不同材質和熱處理方案撥叉壽命對比見表1（1次代表完成了一臺變速器合箱）。

2）不同行星軸變速器采用不同結構的撥叉，一字軸差速器采用一字撥叉，十字軸差速器采用十字撥叉，設備人機操作界面顯示器上增加換型時更換撥叉提示，從結構上分開增加強度，撥叉結構優化如圖7所示，撥叉結構優化后壽命變化情況見表2。

3）更換旋轉壓機上方連接桿，由銷連接更改為鍵連接，防止旋轉時產生卡滯別斷旋轉撥叉。

4）在前序工位人工干涉把差速器中行星軸轉到統一方向，在自動合箱工位撥叉原點位置調整到下降后直接能夠較為精準地配合到差速器行星軸上，減少碰撞產生的撥叉磨損。

5）優化現場輔助目視監控，增加高清攝像頭和顯示器方便現場隨時觀察和查看撥叉狀態，以便撥叉斷齒后能夠盡快追溯到變速器，防止質量缺陷溢出風險。

6）設備人機操作界面顯示器上增加撥叉壽命自動監控，達到設定壽命后自動提示進行撥叉更換。自動合箱設備工位人機界面上增加壽命自動計數和報警提示，壽命到期設備自動提示更換撥叉。

結語

經過一系列的改進措施，目前該變速器大批量自動生產線上自動合箱工位優化撥叉旋轉原點位置、材質和熱處理方案后，撥叉壽命已經從原來的400～500次就發生斷裂提升到了現在的18 000次以上定期進行更換，壽命提升了36倍以上，提高了該工位自動合箱成功率，降低了撥叉頻繁更換的備件成本和變速器因為撥叉斷裂或合箱不成功返工的制造成本，提升了變速器制造質量和效率，改進效果十分顯著，為汽車制造行業自動合箱成功率和撥叉工裝壽命提升提供了極好的借鑒。

參考文獻：

[1] 王明，馬黨參，周健，等.H13鋼壓鑄模具裂紋分析[J].熱加工工藝，2013，42（21）：62-65.

[2] 譚成，馬黨參，王華昆，等.H13鋼壓鑄模具的失效分析[J].機械工程材料，2016，40（1）：106-110.

[3] 高東海.變速器撥叉斷裂原因分析與改進[J].汽車實用技術，2018（23）：150-153，180.

[4] 王志苗，張賀宗，史占兵.撥叉軸斷裂失效分析[J].物理測試，2015，33（1）：37-39.

[5] 江曉春，李敏哲，張永瑞.撥叉軸臺階過渡處斷裂應力分析[J].機械制造，2012，50（5）：49-51.

[6] 田玉新.熱處理工藝對H13鋼熱疲勞性能的影響[J].熱處理，2018，33（6）：37-43.

[7] 王彥俊，李鵬偉，陳立超，等.H13鋼熱處理工藝的優化[J].熱處理技術與裝備，2013，34（2）：21-24.