超速挡变速箱上盖壳体故障分析及优化改进

余淼 李敏捷

摘 要：带超速挡的重型变速箱，由于用户使用习惯的需要，用户在挂超速挡时变速器内部需要完成一次拨叉运动的换向。变速器换向机构为杠杆机构，其中的铰链支点布置在变速器上盖壳体上，文章针对用户反馈的超速挡换向困难、上盖壳体换向凸台断裂等问题进行了理论分析、CAE分析等，找到了超速挡挂挡困难的原因，并提出了优化改进方案。优化方案在市场上做了小批量验证，改进效果显著，为其它类似问题的分析和解决提供了一些参考价值。

关键词：变速器；超速挡；故障分析；改进

中图分类号：U461.99 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-147-03

Abstract： Because of the need of users' usage， the overspeed transmission， users should complete the commutation of the fork movement in the transmission when they are hanging the overspeed gear. The reversing mechanism of transmission is a lever mechanism， the hinge fulcrum is arranged on the upper cover shell of the transmission， in this paper， the theoretical analysis and CAE analysis are carried out to solve the problem， such as the fault of the reversing convex of the upper cover shell and difficulty in speeding up the stall. The optimization scheme has done a small batch verification in the market， the improvement effect is remarkable， and it provides some reference value for the analysis and solution of other similar problems.

Keywords： transmission； overspeed； fault analysis； optimization

CLC NO.： U461.99 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-147-03

前言

帶超速挡的重型变速器，超速挡齿轮副布置在直接挡齿轮副之后，由于用户操作习惯的需要，一般情况下驾驶室挡位排布为奇数挡位在一侧。

偶数挡位在另外一侧[1]，因此在换挡时变速器内部就需要进行一次换向才能满足用户操纵习惯。该换向结构集成于变速器上盖总成中，由于结构简单、成本低廉且操作可靠，因此，广泛应用于超速挡变速器中，并持续赢得客户的信赖。但是在实际使用过程中，由于超载、换挡时离合器分离不彻底、换挡操纵器效率低等各方面的原因还是可能会到导致故障的发生。本文阐述的就是一种典型的故障分析方法和改进措施。

1 故障描述

某用户反馈某12挡带超速挡铝合金变速箱的铝合金上盖上摆动拨头孔位置磨损，挂超速时挂挡困难（如图1所示）。检查旧件发现：铝合金上盖换向位置凸台均是从根部断裂，且断口形貌相似，销孔有磨损痕迹。

2 故障原因分析

首先对故障件进行理化分析检测，以排除铸造缺陷引起的强度不足；同时，对上盖壳体进行CAE分析，判断铝合金上盖的设计强度是否满足使用需求。

理化分析检测报告显示：零件材质、硬度均符合要求，换向位置断口处未发现铸造缺陷[2]，从而排除了铸造缺陷引起的铝合金上盖壳体摆动拨头孔位置磨损；同时，CAE分析报告显示，上盖壳体强度满足材料疲劳强度要求。

至此，常规的故障原因检测手段都显示壳体满足使用要求，重新从上盖壳体本身、该超速换挡结构以及工作原理分析该上盖壳体换向凸台断裂的可能原因。以六挡变速器为例，超速挡变速器换向结构简图如图2和图3所示。

五六挡换挡导块向图中左侧滑动时，带动摆动拨头以固定在上盖上的支承轴销为中心顺时针旋转，拨动五六挡拨叉和一二挡拨叉轴在上盖壳体中向右滑动，就实现了一次换向[3]。在这个过程中，拨叉带动摆动拨头和支承轴销对上盖摆动拨头凸台会造成冲击，上盖换向凸台一直工作在交变载荷的作用下。因此，该换向凸台处可能会发生疲劳断裂。

3 改进方案

虽然CAE分析报告显示该换向凸台处的疲劳强度满足要求，但是本着优化提升的原则对此处进行了加强设计，设计思路主要是此凸台附近增加加强筋。由于该上盖壳体材料是铝合金，壳体上本身分布着加强筋，因此，加强筋的合理布置也是改进优化的一个难点，本文对于凸台附近筋的增加做了两种方案。

方案一：原有结构换向凸台周围本身分布着上盖壳体的4条平筋（如图4（a）所示），因此考虑将这四条筋改成由换向凸台开始的斜筋，另外，再增加4条斜筋，增加的4条斜筋末端长到上盖壳体平面上，效果图如图4（b）所示。

方案二：在方案一的基础上，将增加的4条斜筋末端连接到上盖原有平筋上，使该4条斜筋与其他筋联接为一个整体，从而进一步增加凸台强度，效果图如图4（c） 。

为了验证方案的可行性，同时对比2种方案的强度，对上盖壳体进行了ANSYS分析，分析结果如图4和表1所示：

从图4和表1中可以看出改进之后的2种方案疲劳强度都有较大提高，但是方案二相比与方案一，疲劳强度提高并不明显。由于方案二中4条斜筋与上盖壳体上其他加强筋联接起来，筋的布置相对方案一较为密集，容易在铸造过程产生缩松或缩孔[4]。因此，考虑到铸件壳体毛坯质量的稳定性，最后采用方案一。

4 整改后测试

按照方案一改进的铝合金上盖，目前已小批量投放到市场上，经过近2个月的持续跟踪，市场反馈超速挡挂挡手感良好，上盖壳体上换向凸台断裂的问题没有在出现。

5 结论

本文针对12挡铝合金超速挡变速器出现的超速挡挂挡困难得问题，经过问题识别、原因分析、优化改进、市场验证等方式，完美解决了该问题。消除了变速器的潜在故障隐患，对整车安全性有了极大保证，同时对其他类似问题的分析和解决提供了一定的参考价值。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造：上，下册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2] GB/T 230.1-2009金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法.

[3] 徐万里.变速器同步器失效过程与失效机理分析[J].机械工程学报，2014.7.

[4] 刘志明，王平原，李杰.压力铸造技术与应用[M].天津大学出版社， 2010.9.