黃華波

摘 要：為確定某汽車變速器換檔撥叉斷裂原因，對(duì)該撥叉進(jìn)行了斷口宏觀分析、SEM電鏡分析、尺寸及相關(guān)性能檢測(cè)分析、裝配鉚壓工藝調(diào)查及CAE受力分析。分析表明：由于撥叉斷裂部位過(guò)渡圓角過(guò)小，在壓鑄脫?；驂貉b工序容易造成圓角部位應(yīng)力集中;撥叉斷口處存在氣縮孔鑄造缺陷，降低了撥叉強(qiáng)度，同時(shí)撥叉襯套鉚壓時(shí)可能引起的損傷加劇撥叉斷裂風(fēng)險(xiǎn)。上述綜合因素導(dǎo)致?lián)懿嬖谑褂弥惺艿捷^大外力時(shí)發(fā)生斷裂，針對(duì)上述導(dǎo)致?lián)懿鏀嗔训娘L(fēng)險(xiǎn)因素，制定了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：撥叉 斷裂 過(guò)渡圓角 應(yīng)力集中 氣縮孔

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，汽車已成為人們出行的必要交通工具，變速器作為汽車的核心傳動(dòng)部件，其性能越來(lái)越受到人們的關(guān)注，變速器問題也成為用戶最為關(guān)心的問題之一，變速器質(zhì)量問題除了一些影響NVH及操控性能問題外，還有一些會(huì)影響到行車安全，可能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。因此，人們對(duì)汽車變速器的安全性、可靠性提出了越來(lái)越高的要求。變速器撥叉斷裂會(huì)導(dǎo)致車輛無(wú)法正常掛檔，極端情況下?lián)懿嫠閴K可能造成變速器內(nèi)部齒輪卡死，車輛無(wú)法正常行駛，屬于變速器最嚴(yán)重的失效模式之一。撥叉斷裂的原因很多，包括材料選用、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、鑄造工藝、裝配鉚壓工藝、環(huán)境因素（使用或腐蝕）等。

本文針對(duì)變速器撥叉斷裂原因進(jìn)行分析研究，以期對(duì)撥叉及其它壓鑄類零件斷裂失效分析提供參考。

1 問題描述

某車型變速器在做動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)過(guò)程中，三四檔撥叉發(fā)生斷裂，斷裂部位為撥叉軸孔處。經(jīng)確認(rèn)，該撥叉材質(zhì)采用R14鋁合金，毛坯件通過(guò)壓鑄而成，撥叉通過(guò)機(jī)加工處理后進(jìn)入撥叉裝配工位，主要有撥叉襯套鉚壓工位、撥叉與撥叉軸拼裝工位。此次撥叉斷裂部位為撥叉軸孔部位（見圖1），在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，撥叉軸兩端支撐在變速器殼體上，需要換檔時(shí)通過(guò)撥頭撥動(dòng)撥塊，使撥叉沿?fù)懿孑S軸向方向運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)齒套（同步器）移動(dòng)，從而達(dá)到換檔目的。撥叉工作時(shí)受到撥塊、齒套及撥叉軸的共同作用力，如圖2所示。

2 檢測(cè)及分析

2.1 斷裂件鑄造圓角檢測(cè)

如下圖3所示，對(duì)撥叉鑄造圓角R1和R2進(jìn)行檢測(cè)，R1圓角數(shù)值為0.20mm，R2圓角數(shù)值為0.12mm，技術(shù)要求R圓角為1.00～1.20mm。分析認(rèn)為，R1/R2圓角過(guò)小，撥叉在壓鑄過(guò)程的脫模工序，或在裝配過(guò)程撥叉軸孔的襯套壓裝工序，都極易造成R1/R2圓角部位的應(yīng)力集中。

2.2 宏觀斷口分析

經(jīng)對(duì)斷裂撥叉的斷口進(jìn)行宏觀觀察，斷口位置位于撥叉軸孔位置（見圖4），斷口為多源斷裂，裂紋源位置如圖4方框所示;裂紋拓展方向如圖4綠色箭頭所示;斷口中含有較多氣縮孔（見圖5）。

2.3 SEM分析

利用SEM對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察發(fā)現(xiàn)，斷口為多源斷裂，裂紋呈平行狀拓展（見圖6）;裂紋源未見微裂紋、夾雜等缺陷，存在較多氣縮孔（見圖7），最大氣縮孔直徑1.26mm;裂紋源高倍鏡下為準(zhǔn)解理花樣+初晶硅相（見圖8）;裂紋拓展區(qū)撕裂棱呈平行狀分布，高倍鏡下為解理花樣+初晶硅相（見圖9）;在斷口上沒有發(fā)現(xiàn)任何的腐蝕痕跡，可以排除環(huán)境介質(zhì)因素促使斷裂的可能性。通過(guò)上述分析得出，鑄造氣縮孔使撥叉強(qiáng)度降低，在使用工況受到較大載荷條件下，撥叉應(yīng)力集中處萌生了裂紋源，繼而形成了裂紋，導(dǎo)致?lián)懿姘l(fā)生了快速的解理性斷裂。

2.4 材質(zhì)檢測(cè)

該撥叉材質(zhì)采用R14鑄鋁，根據(jù)EDS-M-2108 《換檔撥叉鋁合金》標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 金相組織檢測(cè)

金相組織檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為《EDS—M—2108》，經(jīng)檢測(cè)，撥叉金相組織為α固溶體+共晶硅（條狀/小塊狀）+初晶硅（大塊狀），標(biāo)準(zhǔn)要求初晶硅尺寸<50μm，實(shí)測(cè)最大值34μm，金相檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 硬度檢測(cè)

根據(jù)EDS-M-2108 《換檔撥叉鋁合金》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)斷裂撥叉不同部位硬度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，撥叉硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

2.7 撥叉鉚壓工藝調(diào)查

撥叉軸孔內(nèi)壓裝有襯套，為了防止襯套脫出，壓裝后需進(jìn)行鉚壓（見圖11、12），鉚壓力過(guò)小可能造成襯套防脫力不夠，使用過(guò)程中襯套脫出，鉚壓力過(guò)大可能對(duì)撥叉鑄件本體造成損傷，產(chǎn)生初始裂紋甚至開裂，因此襯套鉚壓應(yīng)盡可能在保證襯套不會(huì)脫出的前提下降低鉚壓力。該撥叉原狀態(tài)采用矩形鉚壓頭，采用8.5～9.5KN的鉚壓力，存在壓傷撥叉本體風(fēng)險(xiǎn)。為降低鉚壓力，現(xiàn)對(duì)鉚壓頭進(jìn)行優(yōu)化，將矩形鉚頭增加錐度及圓角，減小正面接觸面積，鉚壓力降低為5～6KN，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，襯套拔脫力和原狀態(tài)差異不大，能夠滿足拔脫力要求。

2.8 CAE分析

根據(jù)撥叉材料屬性及使用工況，通過(guò)CAE模擬撥叉受力情況，對(duì)撥叉進(jìn)行受力分析及校核，經(jīng)分析可以看出撥叉所受最大拉應(yīng)力位于撥叉軸孔處（見圖13），與撥叉斷裂位置一致，該處最大拉應(yīng)力為85MPa，安全系數(shù)1.41，正常情況能夠滿足撥叉使用強(qiáng)度要求。

3 分析與討論

通過(guò)上述分析，我們知道：

（1）該斷裂撥叉的化學(xué)成分、金相組織、硬度檢測(cè)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）該撥叉毛坯件采用壓鑄生產(chǎn)，斷裂件氣縮孔較多，且最大氣縮孔直徑達(dá)到1.26mm，該鑄造缺陷降低了撥叉強(qiáng)度，產(chǎn)生氣縮孔主要由于鑄造工藝或鑄造模具引起，如鋁液溫度控制不合理，波動(dòng)大或鋁液除氣不徹底;壓鑄模具溫度過(guò)低，尤其剛開班前幾件，模具溫度未達(dá)到正常穩(wěn)定溫度;模具本身設(shè)計(jì)不合理，壓鑄時(shí)空氣不能有效排出等因素。

（3）撥叉斷裂部位過(guò)渡圓角R1/R2過(guò)?。〝?shù)值分別為：0.20mm和0.12mm），撥叉在壓鑄過(guò)程的脫模工序，或在裝配過(guò)程撥叉軸孔的襯套壓裝工序，都極易造成R1/R2圓角部位存在較高應(yīng)力集中，在載荷作用下容易產(chǎn)生裂紋源，繼而形成裂紋導(dǎo)致斷裂。

（4）撥叉襯套鉚壓工位，因鉚壓力較大，在鉚壓襯套時(shí)可能會(huì)造成撥叉軸孔周邊部位存在壓裂或微裂紋風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致使用過(guò)程受到較大載荷時(shí)沿裂紋處發(fā)生斷裂。

（5）根據(jù)CAE分析，撥叉在受載過(guò)程中，撥叉軸孔處所受拉應(yīng)力最大，該處屬于撥叉薄弱部位，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，提高安全系數(shù)。

4 解決方案及建議

（1）優(yōu)化調(diào)整撥叉壓鑄模具排氣工藝，控制氣孔產(chǎn)生，增加模具溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能;并增加X光探傷頻次，及早發(fā)現(xiàn)存在氣縮孔的缺陷零件，防止流入后續(xù)工序。

（2）對(duì)撥叉磨具重新修模，增大過(guò)渡圓角，減小應(yīng)力集中。

（3）撥叉襯套鉚壓工裝及工藝改進(jìn)，優(yōu)化鉚壓頭形狀，降低鉚壓壓力。

（4）優(yōu)化撥叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：撥叉軸孔支撐長(zhǎng)度加長(zhǎng)，孔口處厚度加厚，加強(qiáng)撥叉強(qiáng)度，使受扭轉(zhuǎn)力矩時(shí)支撐效果更好，安全系數(shù)明顯提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)宏觀、微觀斷口分析，相關(guān)尺寸性能檢測(cè)、撥叉裝配鉚壓工藝調(diào)查及CAE受力分析，確定造成撥叉斷裂的影響因素，從而制定相應(yīng)解決方案，提高了撥叉使用可靠性，防止撥叉斷裂故障再次發(fā)生，消除用戶抱怨及行車安全隱患。其分析方法對(duì)其它相關(guān)斷裂失效件也有著借鑒意義，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓鑄工藝、裝配及鉚壓工藝等方面應(yīng)盡可能避免上述因素造成的零件斷裂失效。

參考文獻(xiàn)：

[1]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]文九巴.機(jī)械工程材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]陳國(guó)楨. 鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.