某车型低温起动时变速器异响问题研究

孙鹏翔 杨菲菲

（1.一汽-大众汽车有限公司轿车二厂质保部,长春130011；2.中国第一汽车集团有限公司质保部,长春130011）

主题词：变速器 异响 同步环 冷启动

1 引言

变速器异响是汽车的一种常见故障，由于变速器内部齿轮众多，啮合工况复杂，变速器是很容易产生异响故障的部件之一。如果发生异响，很可能变速器内部已发生故障，必须立即检查维修，否则可能导致变速器的永久性损坏[1-3]。

自2014年冬季开始，某品牌车型出现市场抱怨，车辆在冬季低温冷起动并进入怠速(环境温度＜-10 ℃)时，变速器发出“咔咔”异响。异响在车辆起动5～10 min后消失。对变速器进行拆解分析，所有齿轮、轴承类零件均没有损坏失效痕迹，无法判断故障来源，只能更换变速器总成，给公司造成巨大经济损失。

现场分析表明，车辆起动后，在车内能明显听见异响。踩下油门，随着发动机转速的提高，异响频率也随之加快。踩下离合器，异响立即消失。将故障车变速器与正常车辆进行对换，异响随变速器转移，由此初步判断异响来自变速器内部。

2 基于数据和零件替换试验的异响来源分析

2.1 数据分析

按抱怨日期统计，每年冬季(11 月至次年3 月)故障数明显上升。地域上，黄河以北区域明显高于其他区域。

按变速器生产日期统计发现，2014年之前没有抱怨产生。追溯2014年生产变化点如下。

a.3 挡、4 挡同步环技术更改，摩擦面材料由烧结铜、喷钼两种材质变为碳纤维；

b.齿轮油供应商发生变更。

2.2 零件替换试验

根据上面的判断，对故障车进行了如下试验。

a.更换同类型新的齿轮油，待车辆完全冷却后试车。异响没有消失；

b.在车辆怠速时，不踩离合器，将换挡杆轻轻向3挡、4 挡方向推动(不挂入挡位)，试车后异响消失。将故障车变速器进行拆解，观察3挡、4挡同步环未发现损伤。更换新的同步环并重新试车，异响消失。

根据上述试验，基本确认异响来自3挡、4挡同步环(该车型变速器3挡、4挡同步环完全相同，数据分析表明4挡异响占异响总数约80%)。

2.3 小结

基于上面的数据分析、生产变化点追溯以及零件替换试验，初步判断异响可能的原因为变速器生产厂在变更同步环与齿轮油时，没有进行充分的产品验证与认可导致售后市场产生用户抱怨。

3 异响产生原因

3.1 异响频谱分析

利用Spectrogram 软件，对异响音频进行了频域-时域分析，如图1所示，结果如下。

a.异响在时域上是不连续的，分布无规律；

b.异响在频域上自0～10 kHz 均有分布，各个频域声强基本呈均匀分布，没有特别的声强波峰频率。

与齿轮异响和轴承异响的频域-时域分析(图2、图3)进行对比发现，低温同步环异响与后两者有很大区别。齿轮异响在时域上呈周期分布，这是由齿轮转动和啮合的周期特性决定的。例如，图2是一台差速器主减速齿损伤异响的频域-时域分析图，可以很明显的看到1 kHz左右频域有明显异响周期性峰值。而轴承异响一般在频域上有非常明显的波峰，在时域上一般呈连续分布，如图3所示。

图1 低温变速器异响频域-时域分析

基于以上分析，进一步排除了齿轮或轴承产生异响的可能性。而同步环低温工况下产生异响的原因为发动机怠速、低速时其转速波动使得非工作的3挡、4 挡同步环在低温齿轮油润滑不好时，同步环发生轴向激振，与换挡齿轮和同步器发生无规律随机碰撞产生。

图2 齿轮异响频域-时域分析

图3 轴承异响频域-时域分析

3.2 变速器拆解分析

3.2.1 同步环尺寸差异

可能影响异响产生的尺寸有：

a.同步环轴向结构尺寸；

b.内锥面锥角；

c.内锥面锥深度；

d.内锥面油槽尺寸。

对比测量发现，故障同步环的内锥面油槽宽度和长度尺寸小于图纸下限值，如图4所示。油槽的作用是换挡时切断同步环和换挡锥面的油膜，帮助产生摩擦力。在怠速时可以起到存贮一部分润滑油，帮助润滑的作用。过小的油槽尺寸不利于怠速时同步环和换挡锥面之间的润滑。

我国社会发展阶段是以集体利益的增长为目标进行的，个人也要以集体为重，当个人价值观与集体价值观发生碰撞时，个人应当服从集体。西方国家在此方面截然不同，是将个人放在首位，对利益的理解也是先个人，后集体。由于国情不同，交易的思维方式也必然存在差异。跨国贸易顺利开展首先要处理好这两者之间的关系，以双方乐于接受的方式进行翻译。思维方式的差异还表现在对时间的记录形式上，国内习惯的方式是由大到小，依次为年、月、日，以及准确的时间。西方国家则有不同的习惯，在跨文化商务交际中要确保正确使用，以免不必要的误会与争议。

图4 同步环油槽尺寸差异

3.2.2 同步环材质差异

上文曾述，2014年后3挡、4挡同步环内锥面摩擦材料切换为碳纤维材料。而在此之前使用的烧结青铜和喷钼材质同步环在售后从未出现异响抱怨。对比发现，碳纤维材料动摩擦系数（0.11～0.12）高于烧结青铜和喷钼材料（0.07～0.08）。碳纤维材料由于其较高的摩擦系数，有利于提高换挡舒适性和换挡速度。但同时增加了在冷启动时，同步环与换挡锥面之间的摩擦力矩。

使用烧结青铜同步环代替故障变速器中的碳纤维同步环，故障消失。证实了同步环摩擦面材料对异响产生具有决定影响。

3.2.3 尺寸链分析—同步环轴向间隙

计算3挡、4挡同步环所在的输入轴总成尺寸链，如图5所示。尺寸链计算关系如下。

式中，Sx为同步环内锥面基准圆与同步器齿座内端面之间的轴向间隙尺寸；ax为换挡齿轮外锥面基准圆与齿轮端面距离；bx为换挡齿轮外锥面基准圆与同步器齿座内端面距离；cx为同步环内锥面基准圆与换挡齿轮端面距离。

计算发现，S4要比S3大0.1 mm。较大的轴向间隙显然更容易使同步环产生振动异响。同时，计算结果也解释了售后市场上4挡同步环异响抱怨数明显多于3挡的现象。

图5 尺寸链计算

3.3 小结

综合上述分析，导致同步环振动异响原因如下。

a.同步环内锥面油槽尺寸不合格；

b.未经过充分试验验证的碳纤维摩擦材料在同步环上的使用；

c.不合理的同步环轴向间隙设计。

通过大量的试验和市场验证表明，单独针对上面的影响因素进行整改优化不能起到彻底根除抱怨的效果，必须针对生产和售后维修提出系统的解决方案。

4 解决方案与实施验证

4.1 优化油槽尺寸

油槽在怠速时可以起到存贮一部分润滑油，帮助润滑的作用。因此针对油槽尺寸的不合格项进行整改优化，是最快最经济的做法。同步环供应商提供了2 套油槽尺寸合格的零件，装车测试异响消失。新状态零件投入生产后，通过售后验证，市场故障率明显下降。

4.2 更改同步环材质

试验证明利用烧结青铜或喷钼材质同步环替换故障车上的碳纤维材料同步环可以彻底消除用户抱怨。但由于前两者成本明显高于后者，而且耐换挡冲击性能不如后者，因此该方案无法在生产中批量使用，但可以作为售后维修的备用方案。

4.3 增加波形弹簧

不合理的同步环轴向间隙设计会导致异响产生，那么设法减小同步环轴向晃动间隙是一个可行的解决异响的方法。尝试在同步环与换挡齿轮之间增加一个波形弹簧试验件，如图6所示。试验表明该方案可以完全消除异响。但波形弹簧方案存在弹簧制造难度大、成本高的问题。

图6 波形弹簧

4.4 优化同步环锥深度

将同步环锥深度降低，相当于将同步锥“缩小”。在其他变速器零件尺寸不变的情况下，能够起到减小轴向晃动、消除异响的作用。为了验证理论准确性，供应商提供了锥深度处于公差带下限的6套同步环，通过装车测试，装有小锥深度同步环的车辆，异响均已消失。上述方案有效。

5 结论

利用软件分析、替换试验、对比测量和尺寸链计算工具分析异响问题，这是振动噪声专业常用的分析与解决问题的手段，可以快速锁定异响来源。

重点介绍了低温下的变速器同步环异响问题分析过程，分析表明控制同步环摩擦面的尺寸状态、合理选择摩擦面材料对异响消除具有决定影响。此外，在产品设计阶段，通过合理设计轴向尺寸链、选择低温流动性更好的齿轮油、改善离合器从动盘扭转减振器特性多种方法也可以预防批量阶段异响的产生。