自动变速器单向离合器故障分析

武嘉文，马静，柴召朋，赵彦辉，杨林



自动变速器单向离合器故障分析

武嘉文，马静，柴召朋，赵彦辉，杨林

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

论文通过研究自动变速器单向离合器的故障机理和故障工况，并通过试验手段在实车环境下再现了单向离合器失效故障，根据对单向离合器失效故障发生的机理制定了滚柱式单向离合器主要元件异形弹簧的管控的优化措施和方向。为单向离合器的设计优化提供借鉴和参考。

单向离合器；滚柱式；异形弹簧

引言

自1982年以后，自动变速箱中单向离合器越来越普及，特别是在中高级车型中。起作用主要是解决车辆启动时，因油泵转速较低导致油压不足离合器未完全结合产生滑摩，以及解决因转速不匹配导致的换挡冲击问题。虽然液力变矩器在消除换挡冲击中可起到重要的作用，但单向离合器是用于消除换挡，特别是降档冲击的方法中效果最好的一种。

单向离合器主要分为滚柱式和楔块式。其中滚柱式又可根据外圈楔形角不同分为平面型，对数螺旋型，偏心圆柱面型，由于滚珠在内外环间能自由转动，磨损小且均匀，短时过载、滚柱打滑不会损坏离合器，扭矩减小后离合器仍能正常工作，适合在任何转速差下结合等优点，滚柱式单向离合器在6速、8速等自动变速器中应用广泛，但其具有传扭能力较低的缺点；楔块式单向离合器，由于接触面曲率半径大，楔块数量多，瞬间结合性好，可承载较大扭矩，相同滚道直径下，承载能力通常为滚柱式的5~10倍，但其超越过程中楔块与自由滚道为静摩擦，在高速超越工况下会降低离合器寿命；近年来新问世的新型楔块式超越离合器，工作中当转速高于设定值时，由于离心力作用，偏心楔块与内外圈分离增加了工作的可靠性，但该种单向离合器尚未在工程上得到广泛应用。

1 故障现象

自动变速箱机构中单向离合器在一次驻车试验后，偶然发现其发生了整周异形弹簧失效的现象，并在随后的多次驻车试验验证中再现了故障。虽然滚柱式单向离合器中的压紧元件——异形弹簧，由于是滑动件，存在易发生卡滞、断裂等问题，且在行业内前期的研究中，就有过因弹簧结构设计缺陷造成弹簧长期在高切应力状态下工作，导致发生塑性变形甚至疲劳断裂的现象，并在台架试验中得到过验证，但本次单向离合器弹簧失效的导致原因值得在日后的单向离合器设计中引起注意。

此次自动变速箱机构中单向离合器的失效表现为，整周异形弹簧全部压并失效，滚道内、外圈表面有明显压痕，已经失效的单向离合器在低扭矩工况，即实车常规工况下仍具有制动及超越的能力，无异响等现象。

滚柱式单向离合器异形弹簧的作用是给滚柱一定的初始力，由于单向离合器工作时，滚子始终受到旋转离心力的作用，因而总是试图从与外围的接触点向外偏移。所以，必须借助弹簧将滚子向开口槽小端压紧，以制止这种偏移，弹簧的使用寿命成为影响离合器寿命的至关重要的因素。异形弹簧失效可能导致滚子脱出、打斜，单向离合器失效，甚至影响自动变速箱的正常传动。

2 故障分析

2.1 试验过程单向离合器受力分析

图1 单向离合器工作机构示意图

元件1：太阳轮；元件2：行星架；元件3：行星齿轮；元件4：外齿圈；元件5：单向离合器；元件6：制动器

驻车试验工况

实车满载，在一定坡度工况下，根据驻车机构耐久考核试验标准，上、下坡各进行规定次数的试验循环。

由于P挡及N挡，各离合器、制动器均没有油压，行星机构不形成传动比，单向离合器不应承载扭矩。即使离合器存在油压，根据传动比计算，整车满载自重反拖施加在单向离合器上扭矩约为300NM，小于其额定设计承载能力约1200NM。

2.2 宏观分析

图2 失效后单向离合器异形弹簧

图3 失效单向离合器内圈

图4 失效单向离合器滚子

图5 外圈基圆直径检测

图6 内圈滚道直径检测

图7 内圈滚道圆度及圆柱度检测

图8 内圈压痕深度检测

2.3 单向离合器承载扭矩异常原因

分析为坡路上挂入P挡，半轴产生扭转应力，挡P挡拔出时扭矩释放，外齿圈发生扭转，或者说有扭转的趋势，此时太阳轮的动作未能跟随，从实测波形上看，来自齿圈的输入速度为几个毫秒，结果导致单向离合器承受了冲击扭矩，即表现为异常的过载扭矩。

3 结果与讨论

3.1 单向离合器失效故障的原因

后对异形弹簧进行了改善设计，有效地改善了这一问题。通过检测数据分析和实验验证，此次故障为变速器单向离合器异形弹簧设计对使用工况评估不足，导致试验过程中单向离合器失效。

3.2 单向离合器异形弹簧设计的建议

异形弹簧设计时通常注意以下内容：

（1）弹簧的压缩量应控制在其自由长度的20~30%；

（2）弹簧的材料尽量选择琴钢丝、碳素钢丝，也可选不锈钢丝；

（3）为保证其性能，材料须经过热处理，一般琴钢丝热后HRC45~50，成型后均需做定型处理；

（4）弹簧的细长比应控制在4:1以内。

弹簧力的设计考虑以下两种极限情况：

（1）为保证离合器各滚柱楔紧之后受力均匀，提高离合器承载能力并减少其空程角，离合器自由旋转时，各滚柱须始终保持与内圈接触，不能产生脱离现象，因而弹簧力不能过小。

（2）自由旋转时，滚柱与内圈应为滚动摩擦而不是滑动摩擦，因此弹簧力不能过大；一面滚出局部迅速磨损降低离合器寿命。

因此弹簧力需设定在上述两种极限情况之间，满足极限使用工况。此外，零件耐久性能与传动效率之间的平衡，在零件设计过程中也应给予考虑。

[1] 贺萍等.汽车自动变速器辛普森机构中单向离合器的作用分析.[J]深圳职业技术学院学报.

[2] 龚正等.滚柱式超越离合器关键零件力学分析及结构改进的研究.

The analysis of a type of one-way clutch applying to automatic transmission

Wu Jiawen, Ma Jing, Chai Shaopeng, Zhao Yanhui, Yang Lin

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this article, through studying the failure mechanism of the one-way clutch applying to automatic transmission,under the vehicle failure condition of real using experiment method. Provide an optimization measure on wire spring,the key part of one-way clutch. According to the study results, the author provides reference of design of the differential.

One-way clutch; Roller-type; Wire spring

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1671-7988(2019)08-133-03

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武嘉文，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.042