浅析变速器换档拨叉断裂失效原因及预防措施

黄华波

摘 要：为确定某汽车变速器换档拨叉断裂原因，对该拨叉进行了断口宏观分析、SEM电镜分析、尺寸及相关性能检测分析、装配铆压工艺调查及CAE受力分析。分析表明：由于拨叉断裂部位过渡圆角过小，在压铸脱模或压装工序容易造成圆角部位应力集中;拨叉断口处存在气缩孔铸造缺陷，降低了拨叉强度，同时拨叉衬套铆压时可能引起的损伤加剧拨叉断裂风险。上述综合因素导致拨叉在使用中受到较大外力时发生断裂，针对上述导致拨叉断裂的风险因素，制定了相应的解决方案。

关键词：拨叉 断裂 过渡圆角 应力集中 气缩孔

随着汽车产业的飞速发展，汽车已成为人们出行的必要交通工具，变速器作为汽车的核心传动部件，其性能越来越受到人们的关注，变速器问题也成为用户最为关心的问题之一，变速器质量问题除了一些影响NVH及操控性能问题外，还有一些会影响到行车安全，可能导致交通事故的发生。因此，人们对汽车变速器的安全性、可靠性提出了越来越高的要求。变速器拨叉断裂会导致车辆无法正常挂档，极端情况下拨叉碎块可能造成变速器内部齿轮卡死，车辆无法正常行驶，属于变速器最严重的失效模式之一。拨叉断裂的原因很多，包括材料选用、强度设计、铸造工艺、装配铆压工艺、环境因素（使用或腐蚀）等。

本文针对变速器拨叉断裂原因进行分析研究，以期对拨叉及其它压铸类零件断裂失效分析提供参考。

1 问题描述

某车型变速器在做动力总成耐久试验过程中，三四档拨叉发生断裂，断裂部位为拨叉轴孔处。经确认，该拨叉材质采用R14铝合金，毛坯件通过压铸而成，拨叉通过机加工处理后进入拨叉装配工位，主要有拨叉衬套铆压工位、拨叉与拨叉轴拼装工位。此次拨叉断裂部位为拨叉轴孔部位（见图1），在结构设计上，拨叉轴两端支撑在变速器壳体上，需要换档时通过拨头拨动拨块，使拨叉沿拨叉轴轴向方向运动，并推动齿套（同步器）移动，从而达到换档目的。拨叉工作时受到拨块、齿套及拨叉轴的共同作用力，如图2所示。

2 检测及分析

2.1 断裂件铸造圆角檢测

如下图3所示，对拨叉铸造圆角R1和R2进行检测，R1圆角数值为0.20mm，R2圆角数值为0.12mm，技术要求R圆角为1.00～1.20mm。分析认为，R1/R2圆角过小，拨叉在压铸过程的脱模工序，或在装配过程拨叉轴孔的衬套压装工序，都极易造成R1/R2圆角部位的应力集中。

2.2 宏观断口分析

经对断裂拨叉的断口进行宏观观察，断口位置位于拨叉轴孔位置（见图4），断口为多源断裂，裂纹源位置如图4方框所示;裂纹拓展方向如图4绿色箭头所示;断口中含有较多气缩孔（见图5）。

2.3 SEM分析

利用SEM对断口进行微观观察发现，断口为多源断裂，裂纹呈平行状拓展（见图6）;裂纹源未见微裂纹、夹杂等缺陷，存在较多气缩孔（见图7），最大气缩孔直径1.26mm;裂纹源高倍镜下为准解理花样+初晶硅相（见图8）;裂纹拓展区撕裂棱呈平行状分布，高倍镜下为解理花样+初晶硅相（见图9）;在断口上没有发现任何的腐蚀痕迹，可以排除环境介质因素促使断裂的可能性。通过上述分析得出，铸造气缩孔使拨叉强度降低，在使用工况受到较大载荷条件下，拨叉应力集中处萌生了裂纹源，继而形成了裂纹，导致拨叉发生了快速的解理性断裂。

2.4 材质检测

该拨叉材质采用R14铸铝，根据EDS-M-2108 《换档拨叉铝合金》标准，检测结果如表1所示，化学成分检测结果均符合标准要求。

2.5 金相组织检测

金相组织检测依据标准为《EDS—M—2108》，经检测，拨叉金相组织为α固溶体+共晶硅（条状/小块状）+初晶硅（大块状），标准要求初晶硅尺寸<50μm，实测最大值34μm，金相检测结果符合标准要求。

2.6 硬度检测

根据EDS-M-2108 《换档拨叉铝合金》标准，对断裂拨叉不同部位硬度进行检测，经检测，拨叉硬度符合标准要求，检测结果如表2所示。

2.7 拨叉铆压工艺调查

拨叉轴孔内压装有衬套，为了防止衬套脱出，压装后需进行铆压（见图11、12），铆压力过小可能造成衬套防脱力不够，使用过程中衬套脱出，铆压力过大可能对拨叉铸件本体造成损伤，产生初始裂纹甚至开裂，因此衬套铆压应尽可能在保证衬套不会脱出的前提下降低铆压力。该拨叉原状态采用矩形铆压头，采用8.5～9.5KN的铆压力，存在压伤拨叉本体风险。为降低铆压力，现对铆压头进行优化，将矩形铆头增加锥度及圆角，减小正面接触面积，铆压力降低为5～6KN，经测试验证，衬套拔脱力和原状态差异不大，能够满足拔脱力要求。

2.8 CAE分析

根据拨叉材料属性及使用工况，通过CAE模拟拨叉受力情况，对拨叉进行受力分析及校核，经分析可以看出拨叉所受最大拉应力位于拨叉轴孔处（见图13），与拨叉断裂位置一致，该处最大拉应力为85MPa，安全系数1.41，正常情况能够满足拨叉使用强度要求。

3 分析与讨论

通过上述分析，我们知道：

（1）该断裂拨叉的化学成分、金相组织、硬度检测均符合相关标准要求。

（2）该拨叉毛坯件采用压铸生产，断裂件气缩孔较多，且最大气缩孔直径达到1.26mm，该铸造缺陷降低了拨叉强度，产生气缩孔主要由于铸造工艺或铸造模具引起，如铝液温度控制不合理，波动大或铝液除气不彻底;压铸模具温度过低，尤其刚开班前几件，模具温度未达到正常稳定温度;模具本身设计不合理，压铸时空气不能有效排出等因素。

（3）拨叉断裂部位过渡圆角R1/R2过小（数值分别为：0.20mm和0.12mm），拨叉在压铸过程的脱模工序，或在装配过程拨叉轴孔的衬套压装工序，都极易造成R1/R2圆角部位存在较高应力集中，在载荷作用下容易产生裂纹源，继而形成裂纹导致断裂。

（4）拨叉衬套铆压工位，因铆压力较大，在铆压衬套时可能会造成拨叉轴孔周边部位存在压裂或微裂纹风险，导致使用过程受到较大载荷时沿裂纹处发生断裂。

（5）根据CAE分析，拨叉在受载过程中，拨叉轴孔处所受拉应力最大，该处属于拨叉薄弱部位，在设计时应对该处结构进行优化，增强设计强度，提高安全系数。

4 解决方案及建议

（1）优化调整拨叉压铸模具排气工艺，控制气孔产生，增加模具温度实时监测及报警功能;并增加X光探伤频次，及早发现存在气缩孔的缺陷零件，防止流入后续工序。

（2）对拨叉磨具重新修模，增大过渡圆角，减小应力集中。

（3）拨叉衬套铆压工装及工艺改进，优化铆压头形状，降低铆压压力。

（4）优化拨叉结构设计：拨叉轴孔支撑长度加长，孔口处厚度加厚，加强拨叉强度，使受扭转力矩时支撑效果更好，安全系数明显提高。

5 结束语

本文通过宏观、微观断口分析，相关尺寸性能检测、拨叉装配铆压工艺调查及CAE受力分析，确定造成拨叉断裂的影响因素，从而制定相应解决方案，提高了拨叉使用可靠性，防止拨叉断裂故障再次发生，消除用户抱怨及行车安全隐患。其分析方法对其它相关断裂失效件也有着借鉴意义，在零件结构设计、压铸工艺、装配及铆压工艺等方面应尽可能避免上述因素造成的零件断裂失效。

参考文献：

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[2]文九巴.机械工程材料[M].北京：机械工业出版社，2009.

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