脱檔

引言

變速器是汽車傳動系統的重要組成部分，其主要功能是安全可靠地傳遞動力，並通過檔位選擇實現汽車的起步、加速、減速等。脱檔是汽車變速器常的故障之一，是指在汽車行駛過程中，所掛擋位突然脱離檔位，即變速器同步器齒套和結合齒花鍵脱開，無法傳遞動力。如果汽車在高速或爬坡行駛中突然脱檔，可能導致嚴重的交通事故，直接影響到乘客安全。因此，對汽車變速器脱檔故障進行研究，從設計源頭解決脱檔問題，對提升變速器的換擋可靠性具有重要的現實意義。

變速器換擋系統工作原理

以某雙離合變速器換擋系統為例，介紹變速器換擋系統的工作原理。換擋系統由撥叉、齒套、齒轂、滑塊、同步環、結合齒組成。

換擋開始前，同步器齒套處於空檔位置，撥叉在電磁閥的推動作用下，撥動齒套向目標檔位移動。預同步階段，滑塊鋼球受齒套上滑塊槽的內斜面作用，產生水平分力，滑塊與齒套沒有相對運動，與齒套一同向目標檔位平移，直至滑塊在目標檔位方向上已無軸向間隙。當齒套位移達到滑塊間隙時，滑塊與同步環接觸，滑塊不能繼續隨齒套移動，而齒套仍要作軸向移動。在滑塊的推動下，摩擦錐面開始接觸，產生摩擦力矩，同步環在摩擦力矩的作用下轉動一個角度，以保證齒套和同步環鎖止面重合。

同步階段，換擋力持續作用。由於摩擦錐面存在相對運動，從而產生同步力矩。同時，齒套鎖止面與同步環鎖止面接觸，在兩個鎖止面之間產生摩擦力f_R，該摩擦力和鎖止面上的正壓力N_R沿同步環花鍵節圓切線方向產生扭矩 ，即撥環力矩。在同步力矩作用下，待齧合齒輪與同步環轉速達到同步，轉速差為零，則同步力矩消失，而撥環力矩繼續存在，撥環力矩使同步環及其檔位齒輪迅速偏轉，齒套得以通過同步環，同步過程完成。

齧合階段，齒套在撥叉的帶動下繼續向目標檔位移動。齒套與結合齒鎖止面接觸後，作用在結合齒鎖止面上的切向分力使結合齒圈及其待齧合齒輪轉過一個角度，使齒套和結合齒花鍵齒齧合。鎖止階段，當齒套花鍵與結合齒花鍵完成齧合後，齒套繼續移動，到達換擋行程終點。齒套與結合齒花鍵上設有倒錐結構，倒錐角提供檔位保持力，防止齒套脱出檔位。至此完成整個換擋過程。

防脱檔機理分析

對於雙離合變速器換擋系統，有兩個防脱檔結構，一是齒套和結合齒倒錐鎖止結構; 二是撥叉軸定位槽防脱結構。

倒錐鎖止結構

換擋完成後，齒套倒錐與結合齒倒錐齧合，倒錐所產生的檔位保持力。在傳遞動力時，倒錐面受到正壓力F_N，分解為軸向分力F_H及徑向力F。徑向力F 所起的作用為傳遞扭矩，由發動機扭矩提供。由檔位保持力分析可知，倒錐的設計結構使齒套始終受到檔位方向的拖入力，即檔位保持力P，且隨着發動機扭矩的增加，檔位保持力隨之增加。

撥叉軸定位槽防脱結構

撥叉軸定位槽防脱結構是通過彈簧鎖銷和撥叉軸定位槽實現防脱功能。撥叉處於空檔位置時，彈簧鎖銷的鋼球在撥叉軸定位槽的中間凹槽位置，起到空檔定位的作用，撥叉到達檔位後，彈簧鎖銷的鋼球在撥叉軸定位槽兩側的斜面位置，彈簧力使鋼球對撥叉軸定位槽斜面有一法向壓力，其分解為水平方向和垂直方向的分力，水平方向的分力F_x能夠阻止撥叉軸向空檔方向移動，從而防止脱檔。

脱檔案例分析

通過上述防脱檔結構的介紹可知，從理論上來講，在沒有遠離檔位方向的外力作用下，齒套和撥叉軸不會向遠離檔位的方向移動，不會發生脱檔現象。但實則不然，很多汽車變速器都存在不同程度的脱檔，脱檔是一種普遍現象。下面，對兩個典型的脱檔案例進行分析，明確脱檔發生的原因並提出解決方案。

大扭矩作用下脱檔

某變速器執行電機驅動台架耐久試驗，檔位2 檔，電機輸入轉速4 000 r /min，扭矩360 Nm 時，運行50 s 左右自動脱檔，此現象可復現。經多次試驗驗證發現，扭矩360 Nm 時脱檔發生率大於75% ，而在扭矩245 Nm 時，無脱檔現象。由此可以判斷扭矩大小對脱檔的影響較大。通過CAE 分析發現，2 檔從動齒輪靠近主減速齒輪，齒輪在加載情況下變形較大，從而導致與2 檔從動齒焊接成一體的結合齒髮生較大變形，使齒套倒錐與結合齒倒錐無法良好齧合，此原因是造成2 檔脱檔的主要原因。

針對這種情況，從設計角度可以考慮增大倒錐角度的方法增大檔位保持力，或增加倒錐結合長度，抵消倒錐變形造成的負面影響，避免脱檔現象的發生。

方案一，增大倒錐結合長度，使齒套倒錐與結合齒倒錐良好齧合，保證倒錐的鎖止作用。將倒錐加長0．3 mm，試驗發現脱檔現象無明顯改善;將倒錐加長0．5 mm，試驗發現脱檔現象有所改善，脱檔率為42% ，但不能完全解決脱檔問題。考慮到系統尺寸鏈，倒錐長度不宜再加長，因此，該方案不適用。

方案二，增大倒錐角度，增大檔位保持力。目前設計倒錐角度3．3°，擬將倒錐角度增加到4° ± 0．5°，在滿載情況下，檔位保持力增大6．1% ～36.7% 。為保證設計的可靠性，挑選倒錐角3．5°的樣件進行脱檔驗證，未發現脱檔故障。

因此，該方案具有可行性，能有效解決脱檔問題。從該案例可知，在實際情況中，齒套和結合齒倒錐在扭矩的作用下會發生變形，使實際的倒錐角比理論值小，從而使檔位保持力減小; 齒套和結合齒倒錐結合長度因為系統變形而減小，使倒錐鎖止面無法良好齧合，無法產生鎖止作用。這兩種情況均會導致脱檔故障的發生。增大倒錐結合長度和增大倒錐角度以抵禦倒錐在扭矩作用下變形的副面影響，可有效解決脱檔問題。

車輛行駛狀態更改時發生脱檔

脱檔常發生在車輛行駛狀態更改的情況下，例如從自由滑行模式轉換到驅動模式的過程中、突然減速、爬坡和顛簸路面。下面針對車輛從自由滑行模式轉換到驅動模式的過程中脱檔的情況進行分析。

車輛在自由滑行狀態時，發動機輸出扭矩為零，車輛自由向前滑行，齒套和結合齒倒錐面作用一倒拖扭矩，齒套驅動結合齒轉動，倒錐為鎖止狀態。當車輛轉換為驅動模式時，發動機輸出扭矩作用到結合齒，結合齒轉動並與另一側倒錐面結合，結合齒驅動齒套轉動，倒錐為鎖止狀態。上述分析可知，車輛在自由滑行模式和驅動模式行駛時，齒套和結合齒的倒錐面均貼合在一起，起到鎖止作用，不會發生脱檔故障。但是，在結合齒轉動的過程中，倒錐面會有一個分離的階段，在此階段倒錐無法起到鎖止作用，此時若有一個與檔位方向相反的外力F_E作用在齒套上，齒套有可能脱出，發生脱檔。

理論上來講，不存在一個與檔位方向相反的外力F_E作用在齒套上使其脱出，但是，從實際角度考慮，車輛行駛過程中的顛簸、系統和零件變形等都可能會產生外力使齒套脱出。從設計角度分析，此時倒錐面處於分離狀態，倒錐不能發揮鎖止作用，需要依靠撥叉軸定位槽進行檔位保持，防止脱檔。若彈簧鋼球在撥叉軸定位槽斜面上的水平分力大於使齒套脱出的外力，就可以避免脱檔的發生。因為齒套脱出力無法通過計算獲得，只能通過設計經驗給予一個合適的設計結構，最大程度地預防脱檔現象的發生。增大彈簧鋼球作用在撥叉軸定位槽上的防脱水平分力有 3 個途徑，增大彈簧剛度、增大撥叉軸定位槽斜面的角度和撥叉軸定位槽定位方式優化。

增大彈簧剛度。彈簧剛度與防脱水平分力成正比關係，在設計要求的範圍內儘可能選擇剛度大的彈簧能有效預防脱檔的發生。增大撥叉軸定位槽斜面的角度。撥叉軸定位槽斜面的角度由20°增大到35°，防脱水平分力增大33．6% ，斜面角度在防脱中起重要作用。

撥叉軸定位槽形狀優化。通過設計合理的換擋行程，使撥叉進檔後彈簧鋼球停靠在撥叉軸定位槽斜坡上，彈簧力使鋼球對撥叉軸定位槽斜面作用一水平分力，可以阻止撥叉向空檔方向移動，避免脱檔的發生。但是，這種斜坡式結構會使撥叉叉腳長時間與齒套撥叉槽擋圈摩擦，導致撥叉叉腳嚴重磨損。所不同的是，通過設計合理的換擋行程，使撥叉進檔後彈簧鋼球停靠在撥叉軸定位槽平面。定位槽的斜面可以阻止撥叉向空檔方向移動，同時定位槽平面允許撥叉有一定距離的水平移動，使彈簧鋼球的水平作用力不是一直作用在撥叉上，只有在撥叉有脱檔趨勢時，彈簧鋼球的水平作用力才起作用，從而避免撥叉叉腳長時間與齒套撥叉槽擋圈摩擦導致撥叉叉腳磨損。因此，設計為最優設計。 ^[1]