变速器倒挡拨叉磨损故障分析及改进

宇文创成，武鑫

（陕西法士特齿轮有限公司汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

引言

客车系列变速器作为法士特公司目前在客车市场的主打产品，可广泛匹配于公路营运大客车、城市公交、豪华旅游大巴、小中巴等各种类型客车。产品设计上广泛采取了法士特在双中间轴变速器技术上的先进理念，突出环保、节能、轻量化的特点。同时，根据客户不同的整车匹配及布置需求，科学进行适应性设计实现多种操纵，更是赢得用户广泛认可的重要原因。但是在实际适应性设计中，一些细节性的疏漏还是存在着潜在的失效风险，本文阐述的就是一个典型的潜在失效模式分析和解决方案。

1 问题来源

某型号客车变速器根据客户要求对倒挡进行适应性改进，为提高挂倒挡的一次进挡概率，倒挡采用大滑套结构。但在客户完成整车试验的拆箱检查过程中，发现倒挡拨叉一面有明显磨损，这种磨损会对倒挡拨叉的疲劳寿命产生明显影响，即倒挡拨叉存在着潜在的失效风险，需对其磨损原因进行分析并改进。

2 理论分析

经对产品结构图纸进行研究分析和横向对比，结合倒挡拨叉磨损产生的部位，初步分析出

以下两种情况可能造成该潜在失效风险。

（1）倒挡拨叉设计不合理，空挡情况下，倒挡拨叉与一挡齿轮位置轻微干涉，造成倒挡拨叉和一挡齿轮接触面处出现不正常磨损。

（2）空挡情况下，虽然倒挡拨叉与一挡齿轮位置没有干涉，但操纵由倒挡回空挡过程中，只有上盖自锁钢球和自锁弹簧和对倒挡拨叉轴限位，在驾驶员回空挡后继续用力等情况下，倒挡拨叉轴可能越过自锁钢球限位，导致倒挡拨叉行程过长，造成倒挡拨叉和一挡齿轮碰撞冲击，造成倒挡拨叉接触面出现不正常磨损。

3 排查方案及总结

为了找出倒挡拨叉朝向一挡齿轮面不正常磨损的根本原因，通过以下两种方案进行排查：

3.1 尺寸链计算

在空挡情况下，即自锁钢球位于倒挡拨叉轴空挡凹槽中心时，建立尺寸链，经计算得出倒挡拨叉和一挡齿轮之间的极限间隙为0.825～3.045mm，根据3ó法则数据调整后，得出极限间隙为1.624～2.246mm。

图1

即尺寸链上，倒挡拨叉和一挡齿轮之间存在间隙。在空挡情况下，倒挡拨叉和一挡齿轮初始位置不会产生干涉，不会造成倒挡拨叉磨损。

3.2 台架试验

实验中心台架，某型客车变速器，输入转速400rpm。

变速器主箱挂入倒挡、挂回空挡连续重复，在挂回空挡过程中，持续用力时间稍微长点，模拟用户可能存在的误操作，实验完后拆箱检查倒挡拨叉，出现和客户反馈的相同磨损情况。

小结：仅依靠自锁钢球不足以对倒挡拨叉轴限位，在用户可能存在的由倒挡回空挡过程中，用力时间稍长情况下，会造成倒挡拨叉与一挡齿轮碰撞而磨损。

经以上两种方案排查后得出如下结论：主箱在空挡时，即倒挡拨叉和一挡齿轮初始位置不会产生干涉，不会造成倒挡拨叉磨损。但在实际用户操时，不可避免用户可能存在的由倒挡回空挡过程中，用力时间稍长，倒挡拨叉轴越过自锁钢球的软限位，造成倒挡拨叉与一挡齿轮碰撞而磨损。

4 改进方案和总结

经与现有其他箱型结构分析对比，提出以下两种改进方案：

（1）方案一：增加限位套，如图2 所示：

在倒挡拨叉轴上，换挡拨头和上盖之间增加一个限位套，其作用是：在用户可能存在的误操作时，通过限制换挡拨头的位置，来限制倒挡拨叉轴由倒挡回空挡的行程，即在倒挡拨叉和一挡齿轮接触之前，限位套已将换挡拨头限位，从而避免倒挡拨叉和一挡齿轮的碰撞而磨损。

图2

（2）方案二：改进一挡齿轮和倒挡滑套的结构，如图3所示：

通过改进一挡齿轮和倒挡滑套的结构，其作用是：在用户可能存在的误操作时，倒挡回空挡过程中，倒挡拨叉和一挡齿轮接触之前，倒挡滑套已和一挡齿轮接触限位，从而同样可以避免倒挡拨叉和一挡齿轮的碰撞而磨损。

图3

总结：经对比以上两种改进方案，对实施难度和有效性综合考虑，可以看出第一种改进方案具有明显的可操作性，同时改动很小，有效避免改进过程中可能引起的其他潜在失效风险。而第二种改进方案虽然也能达到同样的改进效果，但是需要对一挡齿轮和倒挡滑套结构进行更改，特别是对于一挡齿轮，可能对其强度造成一定影响，需要重新设计考量，改动较大，可能引起其他的潜在失效风险，故不建议采用。

5 试装验证及结论

从改进的便利性和有效性综合分析，第二种改进方案所需改动较多且较为复杂，故先第一种改进方案进行效果验证，进行如下试验：

台架试验：实验中心台架，某型号客车变速器，输入转速400rpm（增加限位套）。

主箱挂入倒挡、主箱挂回空挡连续重复，在挂回空挡过程中，持续用力时间稍微长点，模拟用户可能存在的误操作，实验完后拆箱检查倒挡拨叉，没有出现类似磨损。

验证结论：第一种增加限位套的改进方案，达到了预期的改进效果，避免了之前产生的倒挡拨叉磨损存在的潜在失效风险。由于第一种改进方案简单有效，并且达到了预期效果，故没有对第二种改进方案进行验证。

6 改进措施及总结

经过多方协商讨论，由于方案一具有明显的可操作性，同时改动很小，可以有效避免改进过程中可能引起的其他潜在失效风险，并通过实验验证，可以达到预期的改进效果，故最终决定采用方案一，即增加限位套结构。对用户实际使用过程中，可能存在的误操作进行限位，从而避免倒挡拨叉与一挡齿轮发生碰撞而磨损。

该方案在供某客户车型上批量使用验证，使用过程中再 也没有出现类似的故障现象，已验证成熟。在其他相关类似结构的客车变速箱上，都已广泛借鉴使用，在成本几乎没有增加的情况下，可以有效改进相关产品质量，消除潜在的失效风险，也为法士特客车系列变速器的持续推广打下坚实基础。