汽车变速器自动合箱设备旋转拨叉疲劳寿命提升研究

滕海渤　黄桦　刘义法

摘要：某汽车变速器生产线，自动合箱工位合箱过程中，依靠自动合箱设备旋转拨叉拨动壳体总成内差速器行星轴，使差速器齿轮与变速器液力变矩器壳体总成内齿圈旋转啮合进行合箱。由于拨叉结构和材质原因，拨叉频繁出现变形和断裂的情况，设备也频繁报警和合箱不成功，严重影响了制造质量和开动率，问题亟待解决。从拨叉结构和材质以及合箱程序等方面优化，来进行自动合箱设备旋转拨叉疲劳寿命提升研究和验证，通过改进，大大提升了拨叉疲劳寿命，降低了制造成本，提升了变速器制造质量和效率。

关键词：变速器；旋转拨叉；断裂；疲劳寿命

某汽车九速变速器在合箱工位采用旋转压机进行液力变扭器总成和变速器壳体总成合箱，在合箱过程中，自动合箱设备的旋转拨叉与差速器的行星轴配合后拨动壳体总成上的差速器旋转后，差速器齿轮与变速器液力变扭器壳体总成内齿圈旋转啮合进行合箱。某生产线合箱工位变速器自动合箱设备如图1所示，该设备采用旋转压机边旋转边进行合箱。该工位频繁出现合箱不成功故障，即设备扭矩超载报警后停止在原位不动作，此时操作者进入设备内查看时会发现拨叉有变形或断裂问题，变形的拨叉会把差速器带起，断裂拨叉掉落到变速器腔体内会划伤变速器内腔，或者停留在油路里面引起换挡卡滞问题，如何防止拨叉变形断裂，提升拨叉疲劳寿命是亟待解决的问题。

设备结构和工艺介绍

变速器合箱的两个部分如图2所示，合箱时拨叉拨动变速器壳体总成上差速器边旋转边与变速器液力变扭器总成上内齿圈啮合，变速器液力变扭器总成部分和变速器壳体总成部分装配在一起，则合箱成功。

该9速变速器自动生产线共线生产了多种型号的变速器，差速器的行星轴结构分为十字轴和一字轴两种，拨叉形状配合两种行星轴拨差速器配合内齿圈旋转。自动合箱设备差速器及变速器差速器行星轴配合情况如图3所示。十字行星轴差速器和一字行星轴差速器如图4所示，分别对应不同型号的变速器。

合箱工位主要动作顺序为机器人从AGV小车或备料滑台上取下液力变扭器壳体总成零件，机器人到达读码位进行读码比较，读码合格机器人到达机床放件位，机床三个摆爪气缸夹紧，机器人夹具气缸松开，机器人返回，工件到达挡料位，读写头读取信息，抬起定位气缸并锁紧，导向柱气缸伸出，升降压机到达预压装位置，判断机型后解锁装置横移气缸送进，驻车解锁气缸，旋转压机开始旋转，升降压机开始合箱，合箱成功或失败后机床摆爪气缸打开，推壳气缸伸出，推壳气缸返回，导向柱气缸返回，抬起定位气缸解锁，定位气缸落下，读写头写入工作信息，托盘放行。

主要工艺过程为：变速器壳体总成托盘到位→托盘到达工位读取RFID→机器人自动从AGV小车上抓取变速器液力变扭器总成后并吸尘→自动扫描液力变扭器壳体总成和油泵二维码→驱动手轴，旋转将停车爪从停车位置拉出→自动合箱（变速器液力变扭器总成油泵油封衬套与壳体总成的离合器壳体轴通过导向芯轴配合在一起）→若合箱失败，后挡料人工合箱→托盘自动放行。

拨叉断裂原因分析

正常拨叉和在合箱过程中合箱报警后检查发现崩齿的拨叉如图5所示，该拨叉断口经分析发现为脆性断裂，未经过明显的变形直接就断裂了，而非经过大量变形累计后的韧性断裂，脆断时没有明显的伸长或弯曲，更无缩颈，也没有直径的增大及壁厚的减薄，断口的尺寸（如直径、厚度）比原始尺寸无明显变化，断口与主应力垂直，也即与拨叉表面垂直，断口平齐[1][2]。拨叉材质为4Cr5MOSiV1（H13钢），实际硬度≥50HRC，该拨叉未经过回火处理，易在旋转和撞击差速器行星轴的情况下产生变形和脆性断裂，该批次拨叉寿命在几百次和几千次不等，很快就产生了断裂崩齿，拨叉断裂后影响变速器工位合箱成功率，大大影响了变速器制造质量和效率。

拨叉断裂原因鱼骨图分析如图6所示，从人机料法环等方面对拨叉的工作状况进行了分析，通过分析针对原因进行逐一排查[3][4][5]。目前压机扭矩≤10N·m；下降时与行星轴接触时速度为10mm/s，速度和扭矩较小，不是造成断裂的原因；旋转压机程序设置压力≤2kN的过载保护，一旦超过压力设备就会报警停止，故旋转压机压力过大也不是拨叉断裂的主要原因；此外旋转压机下降速度较小的情况下，拨叉与光滑的差速器行星杆接触会滑开拨开行星杆，不会因为下降速度过快冲击造成拨叉断裂。故通过分析认为拨叉产生脆性断裂的两个原因为：一是拨叉热处理方式不合理；二是拨叉与连接杆临时卡滞，缺少自由度导致拨叉额外受力导致断裂。

改進方案及措施

为了提升自动合箱设备旋转拨叉疲劳寿命，采用了以下几点改进方案和措施[6] [7]：

1）进行拨叉材质对比，优化拨叉热处理工艺，由4Cr5MOSiV1（H13钢）淬火更改为淬火后高温回火三次，热处理后硬度为40～45HRC，增强拨叉的韧性和强度，消除拨叉脆性断裂风险；工艺验证过程中选择不同材质和热处理方案拨叉寿命对比见表1（1次代表完成了一台变速器合箱）。

2）不同行星轴变速器采用不同结构的拨叉，一字轴差速器采用一字拨叉，十字轴差速器采用十字拨叉，设备人机操作界面显示器上增加换型时更换拨叉提示，从结构上分开增加强度，拨叉结构优化如图7所示，拨叉结构优化后寿命变化情况见表2。

3）更换旋转压机上方连接杆，由销连接更改为键连接，防止旋转时产生卡滞别断旋转拨叉。

4）在前序工位人工干涉把差速器中行星轴转到统一方向，在自动合箱工位拨叉原点位置调整到下降后直接能够较为精准地配合到差速器行星轴上，减少碰撞产生的拨叉磨损。

5）优化现场辅助目视监控，增加高清摄像头和显示器方便现场随时观察和查看拨叉状态，以便拨叉断齿后能够尽快追溯到变速器，防止质量缺陷溢出风险。

6）设备人机操作界面显示器上增加拨叉寿命自动监控，达到设定寿命后自动提示进行拨叉更换。自动合箱设备工位人机界面上增加寿命自动计数和报警提示，寿命到期设备自动提示更换拨叉。

结语

经过一系列的改进措施，目前该变速器大批量自动生产线上自动合箱工位优化拨叉旋转原点位置、材质和热处理方案后，拨叉寿命已经从原来的400～500次就发生断裂提升到了现在的18 000次以上定期进行更换，寿命提升了36倍以上，提高了该工位自动合箱成功率，降低了拨叉频繁更换的备件成本和变速器因为拨叉断裂或合箱不成功返工的制造成本，提升了变速器制造质量和效率，改进效果十分显著，为汽车制造行业自动合箱成功率和拨叉工装寿命提升提供了极好的借鉴。

参考文献：

[1] 王明，马党参，周健，等.H13钢压铸模具裂纹分析[J].热加工工艺，2013，42（21）：62-65.

[2] 谭成，马党参，王华昆，等.H13钢压铸模具的失效分析[J].机械工程材料，2016，40（1）：106-110.

[3] 高东海.变速器拨叉断裂原因分析与改进[J].汽车实用技术，2018（23）：150-153，180.

[4] 王志苗，张贺宗，史占兵.拨叉轴断裂失效分析[J].物理测试，2015，33（1）：37-39.

[5] 江晓春，李敏哲，张永瑞.拨叉轴台阶过渡处断裂应力分析[J].机械制造，2012，50（5）：49-51.

[6] 田玉新.热处理工艺对H13钢热疲劳性能的影响[J].热处理，2018，33（6）：37-43.

[7] 王彦俊，李鹏伟，陈立超，等.H13钢热处理工艺的优化[J].热处理技术与装备，2013，34（2）：21-24.