一款客車變速器分離撥叉斷裂問題分析及改進

關鍵詞：客車用變速器；離合器；分離撥叉；有限元分析

中圖分類號：U472 DOI ：10.20042/j.cnki.1009.4903.2023.02.002

0 分離機構簡介

離合器和變速器是汽車中兩個重要的動力傳動機構，兩者相互配合作用，來實現發(fā)動機的動力中斷與調節(jié)，保證汽車平穩(wěn)起步、換擋平順。一般客車用離合器分為推式和拉式兩種結構，對應的變速器中離合器執(zhí)行機構部分也會有兩種結構，如圖1 所示為某種客車離合器執(zhí)行機構示意圖：

分離指為離合器總成中零件；分離軸承和分離撥叉為變速器總成中的零件。當離合器需要分離時，整車分泵帶動分離撥叉移動，分離撥叉又帶動分離指移動， 最終使離合器壓盤和發(fā)動機飛輪徹底分離，動力將產生中斷。為了追求傳遞更大容量轉矩，離合器分離指剛度一般設計得都很大，因此需要很大的分離力才能實現離合器的分離功能，故與其作用的變速器分離軸承和分離撥叉就需要承受很大的作用力。

本文通過研究一款客車變速器分離撥叉異常斷裂問題，結合離合器工作原理和有限元分析零件強度的方法，找出了分離撥叉異常斷裂的原因，并優(yōu)化了零件強度，為解決類似問題提供了參考。

1 分離撥叉斷裂案例

廣東珠海客戶2019 年10 月購買某款11.9 m 客車25 輛，匹配6 擋變速器，離合器為推式結構。2020 年3 月出現第1輛分離撥叉異常斷裂問題，前期駕駛員以為誤操作導致撥叉斷裂，并未在意；2020 下半年開始該批車輛陸續(xù)出現撥叉斷裂情況，截至2021 年3 月，共計出現5 輛。

該批車輛運行線路為珠海市拱北口岸到金斗灣客運站，一半是城市擁堵路況，一半是郊區(qū)路況，該批車輛客車公司設計為公路車，但是實際按照公交車固定路線在運營，行駛單向里程16 km，全程約32 km ；每天該固定線路運行10 次；該公交線路單程18 個站點，約30 個紅綠燈，且部分路口擁堵嚴重，駕駛員需要頻繁踩離合換擋。

2 原因分析及處理過程

2.1 變速器拆解分析

（1） 檢查離合器分離軸承黃油加注口有黃油，駕駛員表示每個月定期加注黃油保養(yǎng)。

（2） 拆解后分離軸承內孔與一軸蓋配合處磨損正常；分離軸承與分離脂配合端面處磨有輕微凹坑。

（3） 分離軸承耳朵處磨出兩個凹坑，分離撥叉圓弧處磨損為小平面，說明分離撥叉處受力較大，如圖2 所示。

（4） 由于離合器分離指磨損嚴重，重新更換新的離合器總成。

2.2 故障件檢測分析

將斷裂的分離撥叉進行理化檢測，結論為： 材料及理化結果合格，斷口為低應力高周疲勞斷口，斷口未發(fā)現缺陷。

將用戶更換下的離合器總成測量分離力，通過咨詢離合器總成廠家技術，離合器初期分離力為5 000 N，磨損后極限為7 500 N，實際檢測離合器分離力為6 320 ～ 6 450 N，符合設計要求。但是在檢查壓盤分離指磨損情況時發(fā)現存在嚴重偏磨（ 一側起臺） 現象，如圖3 所示。

根據撥叉兩側磨損不均勻及單邊斷裂情況分析，結合離合器分離脂的偏磨情況，初步判斷為撥叉偏載受力，導致撥叉一側先行斷裂。

3 CAE 有限元分析

3.1 確定邊界條件

約束分離撥叉上球窩除擺動外的其他自由度，簡化分離軸承模型，固定分離軸承，如圖4 所示。根據主機廠提供的離合器最大分離力為7 500 N，則根據杠桿比換算在分離撥叉下球窩作用的最大推力為3 750 N。分離撥叉材料按照45 鋼調制，彈性模量207 983 MPa，泊松比0.3，屈服強度500 MPa，抗拉強度735 MPa。

3.2 求解

（1） 靜強度。

由故障件斷口理化分析報告得知為疲勞斷裂。對故障件進行靜強度分析，結論如圖5 所示。

分離撥叉最大等效應力發(fā)生在撥叉叉腳與撥叉過渡的圓角處，圖紙要求未注鍛造圓角為R2～R5，但是不同圓角尺寸計算得到的應力結果不一樣，各圓角的計算結果對比如下表1 所示。

可以看出，圓角越大，安全系數越高，為了保證撥叉安全使用，應使過渡圓角在R3 以上。

可知故障件斷裂位置、裂口形式均與靜強度分析不符。

（2） 疲勞強度。

用CAE 分析軟件求解最大主應力如圖6 所示。

最大主應力348 MPa。最大主應力最大值位置與故障件斷裂位置一致。由CAE 分析和故障件斷口理化分析報告得知為疲勞斷裂。

3.3 校核

45 鋼（ 調質） 疲勞極限為329 MPa。按公式（1） 計算危險點的疲勞安全系數：

4 結論及改進措施

綜上分析，故障撥叉本身設計強度能滿足正常使用情況，且斷裂的零件也沒有明顯的質量缺陷，該批車輛出現分離撥叉斷裂故障并非撥叉自身強度或質量問題導致。初步分析撥叉斷裂與車輛運營模式下分離高頻使用存在一定關系，同時離合器壓盤偏磨問題也會造成撥叉單邊受力，加劇撥叉的異常斷裂產生。

為了應對公交路況的使用要求，根據現場故障理論分析結果，加強新撥叉，增加了撥叉薄弱點的強度，經CAE 分析，改進后新撥叉比故障撥叉整體強度提高30%。同時將新加強改進的撥叉發(fā)給用戶更換，跟蹤運行情況，暫時沒有出現斷裂的撥叉。

（責任編輯：劉海帆）

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