换挡轴螺纹与螺母滑牙分析及质量提升

文敏 米世生 梁甲 韦铈潍

摘 要：本文提出了一种自动变速箱换挡轴螺纹滑牙的分析方式，通过功能分析、DOE试验设计、假设检验等方法进行分析，对问题分析及质量提升有一定的参考意义。

关键词：螺纹;螺母;DOE;滑牙

1 引言

某款自动变速器在开发阶段，在将六角薄螺母装配到换挡轴上时，出现滑牙现象，检查发现换挡轴螺牙损坏严重，螺母螺牙损坏轻微。本文针对该换挡轴滑牙问题进行失效分析，并得出解决办法，在现有条件下对过程和设计进行优化;旨在针对问题分析和解决提供一种分析思路和方法。

2 系统结构及功能分析

换挡轴是自动变速箱中换挡机构总成中的轴类零件，其通过紧固件与换挡摇臂固定连接在一起，起到传递换挡扭矩的作用进而驱动与换挡轴连接的其他执行机构。

2.1 系统结构

自动变速器换挡机构总成包含换挡轴、换挡摇臂、弹性垫圈、螺母以及其他相连接的执行机构。其中螺母和弹性垫圈将换挡摇臂固定在换挡轴上。换挡摇臂上的拉索球头受到换挡拉锁的推动或拉动力作用下，使得换挡摇臂围绕换挡轴中心转动，此时换挡摇臂和换挡轴之间存在相对运动的趋势。当换挡摇臂相对换挡轴发生位移变化时，将影响换挡精度甚至导致换挡功能失效。因此，在设计、制造和装配过程中应充分考虑各种因素对螺紋副的影响，通过稳健的设计方法保证产品的质量。

2.2 功能分析

通过功能分析，从功能上认识和了解“系统”和“超系统”，获得思考方向，并寻找潜在的解决办法（表1）。

根据功能描述，排查设计鲁棒性、零件质量和过程控制，查找造成滑牙的真因。

2.3 螺丝滑牙失效现象

检查发现，换挡轴螺牙损坏严重，螺母螺牙损坏轻微（图2）。

3 分析过程

3.1 原因分析

输入信号有3个，过程的影响因素有5个，以客户需求作为输出有两个方面，如图3所示。

螺纹产生滑牙，即螺纹承受的有效剪切应力超出许用范围，参数计算如下：

3.1.1 故障树分析

针对螺纹滑牙现象，分别从人、机、料、法、环以及设计六个方面去排除，如图4所示，表3为排除因素说明;锁定有3个影响因子，分别是冲击载荷、油污和设计鲁棒性。

3.1.2 设计鲁棒性测量确认

理论计算，在无油状态下装配，换挡轴和螺母均满足设计要求;在带油状态下装配，换挡轴和螺母强度不满足要求。理论计算结果见表4中：

选取15组合格零件在无油状态下进行破坏扭矩测量，其结果如（图5，图6）：

15个样本均达到设计要求，但按照Weibull失效概率对破坏扭矩进行统计计算，均值为28.69Nm，标准差为2.55Nm;如果按照20Nm进行控制，失效概率为0.12%，95%置信区间的失效概率为： [0.000044  0.028549]。

从实测15组样本评估整体失效概率需提升。

3.2 DOE试验设计

3.2.1 试验目标及评估标准

在不考虑设计鲁棒性对滑牙失效的因素，评估冲击载荷及油液对失效扭矩的影响，并策划DOE测试进行分析。

1）目标：评估在冲击载荷和油液影响下的螺纹扭矩的影响;

2）评估标准（响应Y）：破坏扭矩值;

3）筛选影响因素（因子X）：

选择DOE方案及测试结果：2水平2因子，测试3次取其平均值进行分析。

3.2.2 评估主效应及交互影响

从试验结果评估冲击载荷对螺纹的失效扭矩点影响较大，为主要影响因素（图7，图8）。

3.2.3 小结

结合上述的试验验证结果，锁定方案：

1）增加螺纹有效接触数：调整螺母厚度，厚度由5mm，增加到6mm;

2）避免螺纹拧紧过程的冲击载荷;

3）在增加螺纹有效长的情况下，重新评估油品的影响。

4 假设检验

4.1 检验6mm螺母方差是否相等

设：H0：σ1= σ2; H1：σ1≠σ2，显著水平设定为α=0.05，用F检验确认结果如下：

P=0.526，两条件下其方差相等。

4.2 检验6mm在有无油的条件下失效扭矩是否变化

设：H0：u1=u2;H1：u1

结论：P=0.526，采用6mm螺母在有油和无油状态其螺母失效扭矩并无显著变化。

4.3 检验螺母调整到6mm，其失效扭矩是否提升

设：H0：u1=u2;H1：u1

结论：P值=0，拒绝原假设，从图形可以判定，将螺母厚度增加到6mm螺母后失效扭矩点提升，提升值在95%置信下限为9.53Nm。

5 结束语

从分析及试验结果看，增加螺母厚度对失效扭矩的提升有较大帮助，冲击载荷导致螺纹失效扭矩降低，油液对螺纹的污染让失效扭矩变得更加离散不可控，故在生产过程中需避免。

本文通过功能分析、过程试验，采用假设检验等方法，在现有条件下对过程和设计进行优化，得出解决螺纹滑牙的办法，对问题分析和解决提供一种分析思路和方法的参考。