一种变速箱止推卡簧的工作机理研究

麻建国

摘  要：变速箱是汽车的重要组成部分，可以应对不同的行驶工况，保证整车系统的正常运行。而止推卡簧做为液力自动变速箱的关键部件之一，其对变速箱的零部件起到轴向固定作用，保证变速箱传动的准确性和安全性。本文介绍了一种变速箱止推卡簧的开发应用策略，对该止推卡簧的应用开展了一系列的受力机理分析、设计结构分析、有限元分析、装配工艺分析等综合分析工作，并根据分析结果对其开发应用进行了优化提升，同时制造了极限样件，通过整车试验验证了优化方案的有效性和可靠性，为止推卡簧的开发应用提供了依据，提升了变速箱性能，为该类变速箱用止推卡簧的开发应用提供了行之有效的工程方案。

关键词：自动变速箱;止推卡簧;定位;有限元分析;优化方案

中图分类号：U463      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）03-0116-05

Research On The Working Mechanism of  Transmission Snap Ring

MA Jian-guo

（ Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201， China ）

Abstract： Transmission is an important part of vehicle， it can deal with all kinds of driving conditions， to ensure the normal function of the vehicle. As one of the key part of automatic transmission， the snap ring plays an axial role in fixing the components to ensure the accuracy and safety of AT.This paper introduces a development strategy of the snap ring， and carried out a series of comprehensive analysis， such as force analysis， mechanism analysis， design analysis， finite element analysis， manufacturing and assembly process analysis，and got the optimization scheme per the analysis result， then making the limit samples. Through the vehicle test to verify the effectiveness and reliability of the measures， and provide a basis for the optimization， which can effectively improve transimission performance，provides some engineering feasible technical basis for the snap ring of automatic transmission.

Key Word： Automatic Transmission; Snap ring; Position; Finite Element Analysis; Optimization Scheme

麻建國

毕业于上海理工大学，硕士研究生，机械设计制造及自动专业。现就职于泛亚汽车技术中心有限公司，任变速箱系统工程师，长期从事变速箱开发应用工作，对于变速箱的全过程开发有丰富的经验。

前    言

自动变速箱是汽车动力传动系统的重要组成部分，其内部结构极其复杂，而结构的复杂性导致其容易发生故障。变速箱的故障会直接影响整车的动力性能和驾驶性能，严重情况下会影响到车辆的行驶安全。多片式离合器做为自动变速箱的关键部件之一，决定了变速箱是否能够正常工作，目前常使用卡簧对多片式离合器的轴向位置进行限制，防止相关零部件的轴向移动超出其允许的工作范围，而出现动力输出异常，使其能够正常工作，以保证变速箱元件工作状态的稳定和可靠[1-3]。

本文针对自动变速箱常用的一种离合器止推卡簧应用策略进行分析研究，根据其工作机理和工作工况分析，优化了止推卡簧设计结构和装配工艺要求，提高了该止推卡簧设计的稳健性，并为该类变速箱用止推卡簧的开发应用提供了行之有效的工程方案。

1    止推卡簧位置结构

文中所述为一种变速箱用止推卡簧，在自动变速箱内装配结构示意图见图1：

止推卡簧整体结构呈开口圆形，截面为楔形结构，其安装在变速箱壳体内部的卡簧槽内，其通过径向啮合对离合器片、支撑片、活塞等变速箱零部件进行轴向固定限位。

2    止推卡簧受力原理分析

本文所述的止推卡簧为自锁式设计，通过利用止推卡簧的弹性预紧力和卡簧的楔形特征给位于卡簧下侧的零件施加轴向预紧力，这样可以消除轴向零件之间因尺寸波动等带来的轴向间隙和实现对零件的固定限位作用，防止零件产生轴向位移，包括克服被固定零件由于油压波动而产生的轴向移动。该止推卡簧截面呈楔形，止推卡簧外径与卡簧槽啮合，可以提供足够的外径和内径尺寸，以减少应力集中现象，同时该止推卡簧可以在卡簧槽内提供足够的径向啮合尺寸，并根据设计要求和工作状态来调整卡簧截面锥度。与止推卡簧直接接触的支撑片在工作时会受到离合器所传递的扭矩的影响而发生微小转动，且在离合器活塞轴向力的作用下，变速器系统的变形同时会导致卡簧受力变形而存在径向变形因而存在滑移蠕动，在离合器接合、释放的变化工况中，止推卡簧将会不断受到上述圆周方向和轴向作用力的影响。止推卡簧的受力情形分析如图2所示，其受力计算如下式所示[4-6]：

式中Nr--支撑片和止推卡簧间的作用力，N;

Nh -- 壳体卡簧槽和止推卡簧楔形面的垂直作用力，N;

θ--止推卡簧楔形面的斜角， °;

式中μr --支撑片和止推卡簧间的摩擦系数，

μh --止推卡簧和卡簧槽间的摩擦系数，

其应变关式为，用εx，εy，εz，表示任意一点在X，Y，Z方向上的正应变，γxy，γyz，γxz分别表示在XY，YZ，XZ平面上的应变。

根据应变与位移的关系，柯西几何方程的完整表示为：

上式中，ε为零件单元总应变，将位移模式方程（4）带入几何方程（3），可以将总应变进一步表示为：

式中B为应变矩阵，δe 为单元e的位移;

应力是指某一点处单位面积上的内力，即分布内力系在某点的分布内力集度，将应力沿该点截面的不同方向进行分解可以得到正应力和剪应力。根据虎克定律，某一点应力与应变之间的关系式为{σ}=[D]{ε}，即

式中σx，σy，σz，为某一点在X、Y、Z方向的正应力分量，τxy，τyz，τzx，为剪应力分量，D为材料的本构方程，且只与弹性模量E和泊松比有关。

根据应变与位移的关系式（5），再结合应变与应力的关系式（6）即可以得出应力与位移之间的关系式[7-8]。

3    止推卡簧及安装键槽FEA分析

在对止推卡簧和卡簧安裝槽进行FEA分析时，作用力加载在支撑片上，作用力选取离合器系统可产生的最大轴向力，图3为止推卡簧开口偏左即开口靠近花键1位置状态时的FEA简化分析结果，图4为止推卡簧位于花键1和花键2中间位置状态时的FEA简化分析结果，图5为止推卡簧开口偏右即开口靠近花键2位置的FEA简化分析结果，3种不同开口位置的变形数据汇总见表1，从FEA分析结果可以看出，3种位置状态下卡簧槽的应力状态相当，仅存在弹性变形，无塑性变形和压溃现象，止推卡簧开口位于花键1和2中间位置的应力、变形（包括轴向和向内径侧的周向）最优;止推卡簧开口偏右状态的应力、变形稍差，和开口位于花键中间位置基本相当;止推卡簧开口偏左状态的应力、应变最差，同时，针对卡簧开口未位于花键中间位置状态的卡簧，其左侧部分的应力、变形/翻转（包括轴向和向内径侧的周向）均大于右侧，而使得左侧部分易脱出卡簧槽。

综合以上FEA分析，止推卡簧开口未位于壳体花键开口中间位置，尤其偏左位置，会导致卡簧入槽深度不同。在实际工作中，入槽深度较多的一端，会使卡簧的周向转动受到限制，而另一端由于入槽深度较浅，会继续周向移动，并导致卡簧变形、有效半径变小，进而导致卡簧轴向限制不足，而易脱出卡簧槽。通过调整卡簧安装位置使其位于花键中间位置，可以显著降低卡簧的应力分布不均匀性和卡簧周向、轴向变形，降低止推卡簧的变形，甚至脱出风险，提高系统的稳定性。

4    优化方案确定及验证

4.1   优化方案

通过FEA仿真分析和相关零部件的研究分析，止推卡簧安装时开口位置是防止卡簧出现异常变形甚至脱出的关键设计要求。异常的开口位置会导致卡簧轴向应力分布不均匀，出现变形，甚至脱出等风险，因此需要对止推卡簧的结构参数进行优化，安装位置等进行要求。经过分析验证后得到以下优化方案：1）针对卡簧槽位置，增加毛刷去毛刺工艺，使得卡簧在入槽过程中，卡簧表面与卡簧安装槽表面能够充分贴合，杜绝了铝屑夹在卡簧表面而导致卡簧受力不均匀的情况出现，解决了卡簧槽边缘出现翻边的问题;2）优化卡簧槽的高度尺寸，以增大卡簧入槽深度，进而增大卡簧和安装槽的径向啮合面积;3）优化卡簧的开口尺寸，以减小其接触零部件的应力集中现象;4）优化装配工艺和工装设备，增加位移传感器、检测杆等，用以监测卡簧的入槽深度，确保止推卡簧的入槽深度满足设计要求;5）增加预压缩工装及导向工装，确保止推卡簧的开口位置均匀的位于花键中间位置，使得卡簧整体入槽深度一致，受力均匀。

4.2   试验验证

为进一步验证理论分析结果，及优化方案的有效性，制作了极限样件，并在止推卡簧一侧焊装凸台结构将卡簧的一端强制固定（见图6），通过搭载整车进行滥用试验发现：1）安装时调整止推卡簧开口使其位于花键中间位置，试验结束后，拆解未见有异常，未见卡簧出现变形等失效故障;2）安装时调整止推卡簧开口使其位于偏左位置，试验结束后拆解发现止推卡簧表面初始装配痕迹明确清晰，且存在周向和径向滑动的痕迹，左侧部分有向径向内侧收缩，卡簧内径变小，并存在轻微脱出迹象。

对存在止推卡簧变形内径变小情形的变速箱壳体和止推卡簧进行进一步分析，使用Olympus内窥镜并对变速箱壳体止推卡簧安装槽周围进行切割检查，通过目视断面和内窥镜观察和CT扫描，见图7，所有安装键槽的上端面、下端面、中端面均无缩孔现象。

图7 CT扫描卡簧安装键槽

对止推卡簧进行尺寸检测及尺寸链校核均满足设计要求，其中翘度（安装后厚度和初始厚度变化量）信息见表2，测点位置见图8：

图8 卡簧位置点图

表2 卡簧变形收缩前后厚度变化

从以上测量数据，可以看出卡簧开口处及左侧部门的变形翘度较大，试验趋势和理论分析相符合。

5    总结

本文阐述了一种变速箱止推卡簧的开发应用策略，研究了其结构和使用要求，并从卡簧的工作原理，极限工况进行了FEA分析，针对安装工艺等角度进行了研究，并提出了优化方案。最后通过实物试验的方法予以证明：

1）提升止推卡簧零件的表面质量;

2）优化卡簧和卡簧安装槽的尺寸，以增大入槽深度和啮合面积;

3）增加位移传感器等工装，监测安装过程和入槽深度满足要求;

4）增加安装工装确保止推卡簧的开口位于花键中间位置;

最终措施有效的提升了该止推卡簧的稳健性，提高了自动变速箱的可靠性，同时为该类止推卡簧的开发应用提供了开发应用思路和工程可行方案。

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