變速器二擋從動(dòng)齒總成斷裂原因分析

牟健寧

摘要：售后市場反饋多起某D系列手動(dòng)擋變速器存在掛二擋不走或二擋掛不進(jìn)的問題，里程均在1萬km以上，經(jīng)技術(shù)人員分析發(fā)現(xiàn)均為變速器二擋從動(dòng)齒總成斷裂，造成變速器在二擋時(shí)動(dòng)力中斷。通過進(jìn)一步分析驗(yàn)證，找出導(dǎo)致齒輪斷裂的根本原因，制定相應(yīng)改進(jìn)措施，解決由該原因?qū)е碌恼噭?dòng)力中斷問題。

關(guān)鍵詞：變速器；齒輪斷裂；焊接；受力分析

變速器作為整車動(dòng)力傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，具有動(dòng)力傳遞、變速及換向的功能，不僅承接著由發(fā)動(dòng)機(jī)端傳來的動(dòng)力，同時(shí)本身也是動(dòng)力輸出端，負(fù)責(zé)將動(dòng)力輸出給汽車傳動(dòng)軸。而變速器內(nèi)部齒輪和軸系的協(xié)同運(yùn)作則是實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵。一旦變速器內(nèi)部齒輪或軸系出現(xiàn)問題，則有可能造成整車動(dòng)力中斷或者車輛失速。本文將重點(diǎn)分析變速器齒輪失效的原因，制定優(yōu)化方案。

故障現(xiàn)象

售后市場反饋多起某D系列手動(dòng)擋變速器存在掛二擋不走或二擋掛不進(jìn)的問題，里程均在1萬km以上，經(jīng)技術(shù)人員分析均為變速器二擋從動(dòng)齒總成斷裂，造成變速器在二擋時(shí)動(dòng)力中斷。

對斷裂的二擋從動(dòng)齒總成進(jìn)行檢查，斷裂位置均位于結(jié)合齒與齒輪焊接位置旁。從動(dòng)二擋齒總成斷裂位置如圖1所示。

圖1 從動(dòng)二擋齒斷裂位置

根據(jù)二擋從動(dòng)齒總成的結(jié)構(gòu)，可知其為反焊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得出其焊縫位置受力分析圖，如圖2所示。

二擋從動(dòng)齒總成斷裂分析

通過對失效二擋從動(dòng)齒總成的初步分析，同時(shí)結(jié)合齒輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步推斷出造成二擋從動(dòng)齒總成斷裂的主要原因有以下幾點(diǎn)：

1）子零件關(guān)鍵尺寸超差。

2）材料成分或熱處理不符合工藝要求。

3）焊接關(guān)鍵參數(shù)不達(dá)標(biāo)。

4）零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。

二擋從動(dòng)齒總成斷裂機(jī)理分析，如圖3所示。

圖3 二擋從動(dòng)齒總成斷裂機(jī)理分析

1.零件關(guān)鍵尺寸排查

對故障二擋從動(dòng)齒總成所涉及對應(yīng)批次的子零件生產(chǎn)檢驗(yàn)記錄進(jìn)行追溯反查，相關(guān)關(guān)鍵尺寸檢測記錄結(jié)果均符合技術(shù)要求，結(jié)果詳見表1。

表1 斷裂二擋從動(dòng)齒總成零件追溯結(jié)果（單位：mm）

檢測項(xiàng)目 技術(shù)要求 檢驗(yàn)結(jié)果 結(jié)論

齒輪內(nèi)徑 φ60（0，+0.025） 60.018/60.016 符合

要求

結(jié)合齒外徑 φ60（+0.041，+0.06） 60.053/60.050

通過表1可知，故障件所涉及子零件的相關(guān)關(guān)鍵尺寸均符合要求，因此可排除子零件關(guān)鍵尺寸超差導(dǎo)致齒輪斷裂的可能。

2.齒輪材料成分及熱處理金相檢測

1）對斷裂二擋從動(dòng)齒總成進(jìn)行材料成分分析，結(jié)果見表2，其心部硬度檢測值為440HV30，在合格范圍內(nèi)（340～480HV30）。

表2? ?斷裂二擋從動(dòng)齒總成材料成分及硬度檢測結(jié)果

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）? （%）

檢測項(xiàng)目 技術(shù)要求 檢測結(jié)果 結(jié)論

C 0.1～0.23 0.19 符合要求

Si 0.17～0.37 0.18

Mn 0.80～1.10 0.85

S ≤0.035 0.003

P ≤0.035 0.009

Cr 1.00～1.30 1.26

Ti 0.04～0.10 0.07

通過表2可知，零件材料成分符合要求，因此可排除零件材料成分及熱處理工藝不符合要求導(dǎo)致齒輪斷裂的可能。

3.齒輪形貌觀測和分析

1）對斷裂二擋從動(dòng)齒總成進(jìn)行焊接關(guān)鍵參數(shù)檢測，結(jié)果見表3。

通過表3及圖4可知，斷裂二擋從動(dòng)齒總成焊接關(guān)鍵參數(shù)符合要求，失效件斷口裂紋源位于焊縫尾部結(jié)合面位置并沿結(jié)合齒 45°方向擴(kuò)展，因此也可排除焊接關(guān)鍵參數(shù)不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致齒輪斷裂的可能。

2）使用電鏡對斷口進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖5所示。

由上述外觀形貌圖分析可知，故障二擋從動(dòng)齒總成在焊接位置附近出現(xiàn)開裂，從D系列二擋從動(dòng)二擋齒總成焊縫受力示意圖可知：正托工況下，焊縫尾部位置受壓應(yīng)力；反托工況下，焊縫尾部位置受拉應(yīng)力；而在受拉應(yīng)力作用下，焊縫尾部應(yīng)力較為集中。

從失效件三個(gè)位置的剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，零件焊接深度、焊接寬度和堆高滿足技術(shù)要求，失效件斷口裂紋源位于焊縫尾部結(jié)合面位置并沿結(jié)合齒 45°方向擴(kuò)展。經(jīng)掃描電鏡分析，失效件斷口裂紋源區(qū)，在高倍下可見到明顯的疲勞輝紋。

綜上所述，故障二擋從動(dòng)齒總成在反托工況下，焊縫尾部位置會(huì)受拉應(yīng)力作用，因而焊縫尾部位置應(yīng)力較為集中，從而易導(dǎo)致二擋從動(dòng)齒總成發(fā)生疲勞斷裂。

4.零件橫向?qū)Ρ确治?/p>

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與D系列變速器內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)極為相似的B/C系列手動(dòng)擋變速器從未發(fā)生過二擋從動(dòng)齒總成斷裂的情況，進(jìn)一步對相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)B/C系列的二擋從動(dòng)齒總成為正焊結(jié)構(gòu)，而D系列的二擋從動(dòng)齒總成為反焊結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的差異，進(jìn)一步對B/C系列與D系列二擋從動(dòng)齒總成焊縫進(jìn)行受力對比分析，如圖7～圖9所示。

由上述零件橫向?qū)Ρ确治隹芍涸谡泄r下，B/C與D系列的從二齒輪與結(jié)合齒存在貼合趨勢，二擋從動(dòng)齒總成焊縫尾部受力情況一致；在反托工況下，B/C與D系列的從二齒輪與結(jié)合齒存在分離趨勢，但B/C系列的二擋從動(dòng)齒總成底部的安裝端面因受到輸出軸軸肩的限位，所以B/C從二的焊縫尾部受到的拉應(yīng)力較D系列的從二焊縫尾部受到的拉應(yīng)力要小得多。

因此，在同等反托工況下， D系列從動(dòng)二擋齒總成的焊縫尾部所受到的拉應(yīng)力比B/C系列從動(dòng)二擋齒總成的焊縫尾部所受到的拉應(yīng)力要大，二擋從動(dòng)齒總成也更容易因?yàn)樗芾瓚?yīng)力的反復(fù)作用而發(fā)生疲勞斷裂。自此可以確定：造成二擋從動(dòng)齒總成斷裂的原因?yàn)榱慵Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，反托工況下易造成二擋從動(dòng)齒總成斷裂，最終導(dǎo)致整車二擋無動(dòng)力。

改進(jìn)措施制定及跟蹤驗(yàn)證

1.改進(jìn)措施制定

根據(jù)D系列變速器二擋從動(dòng)齒總成零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，反托工況下易導(dǎo)致二擋從動(dòng)齒總成斷裂的問題，主要采取的措施：更改現(xiàn)有D系列二擋從動(dòng)齒總成零件結(jié)構(gòu)，由原先的反焊結(jié)構(gòu)改為正焊結(jié)構(gòu)，減少焊縫在反托工況下所受到的拉應(yīng)力（見圖10）。

a）更改前結(jié)構(gòu)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?b）更改后結(jié)構(gòu)

圖10 二擋從動(dòng)齒總成結(jié)構(gòu)更改

2.跟蹤驗(yàn)證

自采取上述措施后，已持續(xù)跟蹤統(tǒng)計(jì)約兩年，該D系列變速器在客戶現(xiàn)場及售后市場的質(zhì)量表現(xiàn)，均未再發(fā)現(xiàn)二擋從動(dòng)齒總成斷裂問題，證明上述措施有效、可行。

結(jié)語

通過以上措施的實(shí)施以及長時(shí)間、多批量的跟蹤驗(yàn)證，結(jié)果證明上述措施有效，因零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的二擋從動(dòng)齒總成斷裂問題得到徹底解決。僅以此文為變速器齒輪斷裂問題的分析、解決提供一些實(shí)踐參考。