某型变速器一二档拨叉偏摆量过大与二档脱档的初步研究论文_　　吴刚

摘要：通过对国产某品牌汽车变速器在路试过程中出现的二档脱档故障的分析研究，拆解故障变速器并检视测量二档换档相关零部件后，发现一二档拨叉偏摆量过大，初步分析出一二档拨叉偏摆量过大的原因及其对二档脱档有一定的贡献，评估出失效风险，提出遏制措施和后续优化方案，为解决该型号变速器二档脱档，为后续变速器的优化设计和提高变速器的换挡性能，具有一定的指导意义。

关键词：变速器；二档脱档

引言

本文针对某国产品牌汽车的一款前驱变速器在路试过程中出现的二档跳档问题，通过互换试验排除整车因素和变速器外围件影响后，拆解故障变速器并检视测量换档相关零部件，发现一二档拨叉在使用过程中受力变形导致拨叉偏摆量过大，而该型号变速器二档换档行程尺寸链要求又较为苛刻，拨叉偏摆超差后对二档跳档有一定贡献，后续进行设计优化（迭代方案中使用钢拨叉和直线轴承）或零件加工工艺优化（提升拨叉的硬度和强度）等方法抑制因拨叉偏摆量过大对二档换挡行程带来的影响，降低该失效模式的发生概率。

1故障原因分析

1.1故障现象描述及原因探究

国产某品牌汽车在路试试验的过程中，反馈在正常行驶中发生二档脱档现象。通过更换整车操纵机构和换挡拉索，故障依旧存在，说明此二档脱档现象与与整车操纵机构及换档拉索无关。接着通过跳档车变速器和不跳档车变速器互换，二档脱档这一故障模式跟随变速器转移，失效源锁定变速器。

1.2换挡原理

为了最大限度地满足汽车总体布局的需要，目前手动变速器的操纵机构基本采用拉索式结构，即外部操纵机构的运动通过拉索传给内部操纵机构，其机构简图如图1所示。

图1 手动变速器操纵机构示意图

外部操纵机构由换挡杆铆合件、底座焊合件、连动板组件、滑套、扭簧等构成，如图2所示。

1-换挡杆铆合件；2-滑套；3-底座焊合件；4-连动板组件；5-选档拉索；6-换挡拉索；7-扭簧

图2 外部操纵机构示意图

内部操纵机构包括操纵器盖、选挡摇臂、选挡拨头、换挡摇臂、换挡拨头、拨叉轴、拨块、自锁、互锁和安全装置等。驾驶员拨动变速杆左右运动时，变速杆的下端带动选挡拉索中的软轴在套管中实现推、拉运动。选挡摇臂在拉索软轴的作用下压缩操纵器盖中的回位弹簧，使卡在换挡拨头槽中的选挡拨头做横向运动，换挡拨头在拨块槽中进行横向选挡，这一过程即为选挡；空挡时拨头被回位弹簧限定在拨块槽中。当换挡拨头到达所选定挡位的拨块槽中部时，驾驶员向前、后方向推动变速杆，换挡拉索软轴带动换挡拨头推动拨块移动，使得拨叉带着同步器接合套与待结合齿啮合，实现换挡。

由此可见，驾驶员的换挡过程应该是：先选挡（推动变速杆左、右运动）再进挡（推动变速杆前、后运动），变速杆的运动轨迹是一个“王”字形。

2尺寸测量和失效原因分析

2.1尺寸测量

故障变速器拆解后，对二档脱档重点关注零件项进行测量，结果如表1所示。

根据以上测量结果，操纵盖换挡行程、后壳体位置度等重点关注零件尺寸均符合图纸要求，唯独一二档拨叉偏摆量明显偏大。

2.2失效原因锁定

为探究一二档拨叉偏摆量明显偏大是否偶发个案，从市场返回件仓库随机挑选18台失效模式为二档脱档的变速器进行拆解，并就一二档拨叉偏摆量展开测量，测量数据如表2所示。

表2市场返回18台变速器一二档拨叉偏摆量（mm）

备注：一二档拨叉偏摆量测量位置A处、B处和C处如图3所示。

图3 一二档拨叉偏摆量测量位置分布

基于表2中市场返回18台测量出的变速器一二档拨叉偏摆量，绘就如图4所示的一二档拨叉偏摆量分布图。

图4 一二档拨叉偏摆量分布图

咨询我司设计人员，该型号变速器一二档拨叉偏摆量经验值为0.5mm；ABC三点测出的拨叉偏摆量，A处最为突出，全都大于该经验值（0.5mm），甚至达到了1.05mm，势必使得拨叉叉口两平面与叉孔中心不垂直（发生一定量的倾斜），二档换挡行程也随之发生变化。

2.3原因分析

根据如上测量结果以及数据分析，该型号变速器操纵盖换挡行程、后壳体位置度等重点关注零件尺寸均符合图纸要求，唯独一二档拨叉偏摆量明显偏大，一二档拨叉偏摆量明显超出经验值为0.5mm，有可能是引起二档跳档的直接原因。

2.3.1零件质量问题

生产线上随机挑选50件未装配使用的拨叉进行详细测量，并跟踪检测压装后尺寸，压装衬套各相关参数测量结果均符合图纸要求（一二档拨叉偏摆量更是分布在0.2-0.45mm之间，详细数据如表3所述）。

2.3.2压装工艺排查

根据工艺要求，衬套装配后100%通止规检测。现场排查，通止规尺寸符合图纸要求；抽取5件对拨叉轴孔的圆度进行排查，现场确认呈现椭圆状，确认为拨叉变形导致偏摆超差；

图5 一二档拨叉轴孔的圆度

2.3.3变形诱因

变形是机械零部件在使用过程中普遍存在的一种现象，会使零部件的质量和使用性能发生改变，从而影响零部件的精度和寿命。此处拨叉孔变形，大致可以从磨损和受力两个方面进行深入排查。

（1）磨损变形

排查结果：仓库随机抽取5件对衬套钼层厚度进行检测，发现衬套内侧磨损均匀，故排除因为磨损导致的拨叉轴孔变形。

图6 衬套钼层厚度

（2）受力变形

从市场返回二挡脱档故障变速器，随机挑选5套测量衬套圆度（衬套安装在拨叉上）、拨叉轴孔圆度和拨叉二档侧硬度，排查结果和相关尺寸如下。

表4市场件5套拨叉衬套测量尺寸

拨叉编号 衬套圆度 拨叉孔圆度 拨叉硬度

（二档侧）

基于以上数据，经过长时间的使用，衬套有了一定程度上的变形，二档侧圆度分布在0.03左右；对比拨叉孔圆度，二档侧圆度基本在0.01左右，

设定换挡力为1200N，在拉力和压缩情况下，轴套孔边缘棱线最大位移分别为0.3296mm和0.2124mm。

图7 拨叉轴孔受力变形图

3措施

根据以上分析，针对零公里和市场反馈的二档脱档情况，后续建议更换偏上差的操纵盖，二档换挡凸轮角度由18.05°（-0.5,0）更改为18.55°（-0.5,0），提高产品的鲁棒性。目前改措施实行后，市场反馈良好，未有新的客户抱怨产生。

4结论

根据故障重现试验、二档脱档重点关注尺寸测量、压装工艺排查和CAE分析等，发现一二档拨叉在使用过程中受力变形导致拨叉偏摆量过大，而该型号变速器二档换档行程尺寸链要求又较为苛刻，拨叉偏摆超差后对二档跳档有一定贡献。

根据一二档拨叉变形诱因，提出以下两点优化方向，抑制因拨叉偏摆量过大对二档脱档带来的影响，降低该失效模式的发生概率。

（1）拨叉（目前采用R14材料），现有硬度水平在HRB65左右，优化零件加工工艺（提升拨叉的硬度和强度）；

（2）结构设计优化（迭代方案中使用钢拨叉和直线轴承）。

CAE分析中，换挡力设定为1200N；驾驶员在实际驾驶过程中换挡力远远小于1200N，则可认为拨叉孔最终变形量小于0.3mm，并且现有零件状态可以抑制拨叉孔变形量小于0.3mm引起的二档换档行程变化，目前市场使用变速箱正常行驶里程6000km以后，若无其他零件明显超差或存在异常磨损，一二档拨叉偏摆量引起的二档跳档风险概率极低。

5结束语

本文对某型号变速器二档跳档问题分析，通过互换试验、零件测量和CAE有限元分析等发现一二档拨叉在使用过程中受力变形导致拨叉偏摆量过大，对二档跳档有一定贡献，后续进行设计优化（迭代方案中使用钢拨叉和直线轴承）或零件加工工艺优化（提升拨叉的硬度和强度）等方法抑制因拨叉偏摆量过大对二档脱档带来的影响，降低该失效模式的发生概率。尽管是对某一型号变速器具体故障的失效分析，并不具有普遍的指导意义，但是找到了一二档拨叉偏摆量过大的直接原因，对于解决变速器脱档问题、提升变速器性能，避免类似失效模式再次发生，依旧具有一定的实用性，为今后变速器的设计提供一定的参考意义。

参考文献

[1]沈永胜.机械原理[M].北京:清华大学出版社,2006．

[2]汪一麟,等译.摩擦磨损计算原理.北京:机械工业出版社,1982.

[3]叶志伟,微型车变速器换挡性能不佳的致因分析[D].武汉:武汉理工大学,2014.

论文作者:　　吴刚

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期

论文发表时间:2020/4/28

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