液力变矩器故障导致整车动力中断的分析

张雅琨，梁宗峰，常健,朱军，黄文

(重庆金康赛力斯新能源汽车设计院有限公司科技中心，重庆 402260)

0 引言

CVT无级变速器以其传动的平稳性、舒适的驾乘性以及良好的燃油经济性，在市场上保持着较高的占有率。对变速器故障的识别与分析，优化内部结构对于提升变速器产品品质具有重要意义[1]。

液力变矩器是CVT无级变速器的核心部件之一，为变速器的起动控制系统，同时也是变速器中成本很高的组成部分，其性能稳定与否直接决定了车辆运行的可靠性，而液力变矩器的损坏或故障，一般较难用仪器查找，需要对其内部结构进行拆解，调查问题根源[2]。

本文作者通过车辆可靠性试验中出现的动力中断故障，系统地对变速器内部进行失效源头零部件查找，设计校核，最终查找出液力变矩器的设计缺陷，并对失效点进行了设计更新和试验验证。

1 问题描述

搭载某CVT无级变速器某车型在道路耐久试验行驶中，发动机转速波动异常，车辆严重耸动发冲，随后动力中断，变速器故障灯报警，经诊断仪读取故障码：被动压力低。

2 原因分析

对试验车采集的变速器数据(图1)可看出，黑色圆圈范围内实测被动压力值(曲线4)在目标设定被动压力值(曲线3)上下波动异常，实测速比(曲线2)跟随目标设定速比(曲线1)异常，由此初步判断车辆表现的性能异常为金属钢带打滑所致。

图1 变速器压力速比曲线

为进一步分析金属钢带打滑原因，开展如下排查工作。

2.1 排除外在原因

对变速器通气管、轮速传感器、箱体线束接插口、加油管焊合件进行检查，均无进水痕迹，故排除外在原因。变速器进水使润滑油摩擦因数下降，导致金属带打滑。

2.2 故障变速器复测

对故障变速器D挡1 200 r/min锁止工况下的润滑油压力进行复测，并对比该故障变速器出厂下线的数据。该变速器在出厂时润滑油压力(0.081 MPa)正常，出现故障后相同工况下润滑油压力为0.035 MPa,明显下降。

2.3 故障变速器拆解

对变速器进行拆解后发现，变速器内较多铁屑杂质，如图2所示，钢带异常磨损如图3所示。

图2 变速器内铁屑杂质

图3 钢带磨损

为对变速器内铁屑杂质寻源分析，分别对变速器内配油盘、液压阀块、液力变矩器这三大影响润滑油压力的部件进行故障排查。

2.3.1 配油盘检查

用气枪吹各油道，如图4所示，未发现杂质；同时对其性能进行检测，压力实测值在设计值范围内，可正常保压，且油道未发现窜油；对配油盘的尺寸复测，检测与变速箱中壳体配合的大面尺寸以及密封环安装槽尺寸，均符合要求。

图4 配油盘油道检查

2.3.2 液压阀块总成检查

阀块总成清洁度检查结果显示，阀块内杂质总量191.6 mg，如图5所示，已严重超标(变速器总成清洁度要求为80 mg)。

图5 阀块总成清洁度检测

拆解阀块发现二级顺序阀有明显划痕,如图6所示，一、二级油道(主被动总成、液力变矩器、DNR离合器系统油路)无明显杂质淤积，三级油道(液力变矩器、配油盘、阀块单向油路)存在较多杂质淤积，如图7所示。由于前配油盘经检查未发现故障，故初步判断液压阀块内部杂质主要由液力变矩器内部磨损后带入。

图6 二级顺序阀明显划痕

图7 三级油道杂质淤积

2.3.3 液力变矩器检查

如图8所示，液力变矩器主要由泵轮、涡轮、导轮和闭锁离合器组成，其中涡轮、泵轮和导轮是液力变矩器能量转换的三元件[3]。

图8 液力变矩器结构示意

对液力变矩器进行拆解剖析，发现其内部涡轮闭锁分总成中减震弹簧保持架拨爪断裂，弹簧盖和从动板磨损严重，如图9—11所示。

图9 保持架拨爪断裂

图10 弹簧盖磨损

图11 从动板磨损

对保持架拨爪断裂断口进行分析，如图12和图13所示，从减震弹簧与保持架拨爪接触痕迹看出，拨爪折弯位置径向面未与弹簧完全接触，只有轴向面与其接触，如图13黑圈所示，在往复应力作用下，拨爪折弯处应力集中形成裂纹源进而断裂，弹簧着力点失衡、弹簧变形、挤压并磨损弹簧盖和从动板。

图12 涡轮闭锁分总成

图13 弹簧接触痕迹

综合以上对故障变速器配油盘、液压阀块、液力变矩器的拆解分析，得出整车动力中断的根本原因为：液力变矩器内部涡轮闭锁分总成减震弹簧保持架拨爪应力集中断裂，使弹簧失去着力点变形，继而引发相关配合零部件的磨损，磨损杂质通过变速器内部的油路系统进入液压阀块、阀芯，致使阀芯卡滞阀块工作异常，液压控制系统无法正常建压，压力波动导致金属带打滑，产生更多的铁屑，进入油路循环，进一步加剧零部件的磨损，最终导致液压系统的控制完全失效，车辆动力中断。

3 设计校核

对比核查失效弹簧保持架与图纸的差异，并进行位置度复验。

如图14所示，拨爪径向面未与弹簧完全接触，存在夹角α，这是保持架拨爪受力不均应力集中导致断裂的根本原因。

图14 弹簧保持架示意

4 方案改进

针对弹簧保持架拨爪设计缺陷，对其底部圆角优化变更设计。如图15所示，加大圆角(由β增大至β1)，使拨爪折弯位置径向面与弹簧接触面积增大，从而改善保持架拨爪受力分布。

图15 优化方案

5 试验验证

新方案是否满足性能需求，需要通过液力变矩器涡轮闭锁分总成固定扭转减振试验来验证。经100 万次扭转耐久后，对零部件进行拆解分析，结果如下：

(1)如图16所示，保持架拨爪与弹簧由轴向面接触变为径向面、轴向面同时接触，受力情况改善。

图16 保持架受力情况改善

(2)如图17所示，从动板、弹簧盖有亮纹，无深度。

图17 从动板和弹簧盖示意

综上所述，优化方案满足性能要求。

6 结束语

文中针对整车可靠性试验中发现的失效形式进行了调查和分析，从根本上找到了产生故障的原因，锁定失效根源零部件，并进行设计校核，提出了新的改进方案，对新方案进行了试验验证，证实了新方案的有效性与可靠性。此次的设计缺陷提醒在产品的研发设计中，须充分结合理论与实际，在设计过程中理论与实际相结合，才能设计出合理、可靠、满足需求的好产品[4]。