易延明

摘 要：本文首先對(duì)DFMEA技術(shù)進(jìn)行概述，然后探討重型汽車變速器的失效模式及其原因，之后分析基于DFMEA技術(shù)的重型汽車變速器的失效模式控制措施，最后從潤(rùn)滑性能試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)、同步器試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、強(qiáng)制脫擋試驗(yàn)等方面闡述DFMEA技術(shù)在重型汽車變速器開發(fā)試驗(yàn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：DFMEA技術(shù);重型汽車;變速器開發(fā)

中圖分類號(hào)：U463.212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）10-0036-03

On the Application of DFMEA Technology in the Development of a Heavy Vehicle Transmission

YI Yanming

（Shaanxi Fast Gear Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710117）

Abstract： This paper first summarized the DFMEA technology， then discussed the failure mode and its causes of heavy vehicle transmission， and then analyzed the failure mode control measures of heavy vehicle transmission based on DFMEA technology. Finally， the application of DFMEA technology in the development and test of heavy vehicle transmission was described from the aspects of lubrication performance test， fatigue life test， static torsional strength test， synchronizer test， noise test and forced out of gear test.

Keywords： DFMEA technology;heavy truck;transmission development

1 DFMEA技術(shù)概述

在設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品時(shí)，F(xiàn)MEA是一種可靠性設(shè)計(jì)的重要方法。它實(shí)際上是故障模式分析（Failure Mode Analysis，F(xiàn)MA）和故障影響分析（Failure Effects Analysis，F(xiàn)EA）的組合。它對(duì)各種可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估、分析，以便在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⑦@些風(fēng)險(xiǎn)減小到可接受的水平。及時(shí)性是成功實(shí)施的最重要因素之一，它是一個(gè)“事前的行為”，而不是“事后的行為”。為達(dá)到最佳效益，F(xiàn)MEA必須在故障模式被納入產(chǎn)品之前進(jìn)行[1]。

設(shè)計(jì)FMEA（Design Failure Mode and Effects Analysis）應(yīng)在一個(gè)設(shè)計(jì)概念形成之時(shí)或之前開始，并且在產(chǎn)品開發(fā)各階段中，當(dāng)設(shè)計(jì)有變化或得到其他信息時(shí)及時(shí)不斷地修改，并在圖樣加工完成之前結(jié)束。DFMEA是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和過程設(shè)計(jì)階段，對(duì)構(gòu)成產(chǎn)品的子系統(tǒng)、零件，對(duì)構(gòu)成過程的各個(gè)工序逐一進(jìn)行分析，找出所有潛在的失效模式，并分析其可能的后果，從而預(yù)先采取必要的措施，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的一種系統(tǒng)化的活動(dòng)[2]。

2 重型汽車變速器的失效模式及其原因

2.1 失效模式

2.1.1 變速器功能失效。重型汽車變速器功能失效主要包括變速器油溫問題、變速器換擋可靠性問題、變速器疲勞壽命問題、變速器靜扭強(qiáng)度問題、齒輪總成連接可靠性問題、空倒擋開關(guān)可靠性問題等。其中，變速器油溫問題導(dǎo)致功能喪失的機(jī)理分為潤(rùn)滑優(yōu)化分布不均勻和設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易對(duì)駕駛舒適度和可靠性造成影響;變速器換擋可靠性問題導(dǎo)致功能喪失的機(jī)理分為換擋力度大、設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、掛擋越位、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、材料選擇不當(dāng)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)、設(shè)計(jì)尺寸不當(dāng)?shù)?，容易引發(fā)換擋可靠性下降、無法換擋、駕駛舒適度下降、變速器脫擋等后果;變速器疲勞壽命問題導(dǎo)致功能喪失的機(jī)理分為設(shè)計(jì)不合理、材料使用不當(dāng)、參數(shù)計(jì)算不合理、制造工藝不合理等，容易出現(xiàn)傳遞轉(zhuǎn)矩不足、零部件支撐不足、輕量化指標(biāo)不滿足、噪聲過大、零部件損壞等后果;變速器靜扭強(qiáng)度問題導(dǎo)致功能失效的機(jī)理分為材料不當(dāng)、有限元分析不當(dāng)、制造工藝落后、設(shè)備參數(shù)降低等，容易出現(xiàn)變速器可靠性下降或者零部件斷裂等后果;齒輪總成連接可靠性問題導(dǎo)致功能喪失的機(jī)理分為連接部位間隙不符合要求、焊接工藝落后、次輪形狀不符合要求、密封效果不良、裝配工藝不佳等，容易出現(xiàn)變速器齒輪損壞、變速器脫擋、變速器不能傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等后果;空倒擋開關(guān)可靠性問題導(dǎo)致功能喪失的機(jī)理分為設(shè)計(jì)不當(dāng)或者接觸不良，容易出現(xiàn)信號(hào)傳遞不準(zhǔn)確甚至整車事故等后果。

2.1.2 變速器功能受到影響。重型汽車變速器功能受到的影響主要包括同步器性能及壽命問題、變速器油泄露問題。其中，同步器性能及壽命問題導(dǎo)致變速器功能受到影響的機(jī)理分為設(shè)計(jì)不當(dāng)、參數(shù)計(jì)算不當(dāng)、材料選擇不當(dāng)、同步時(shí)間不準(zhǔn)確、制造工藝落后、潤(rùn)滑油出入不通暢等，容易造成變速器磨損過大、使用壽命下降、噪聲增大、可靠性下降、換擋失效等后果;變速器油泄露問題導(dǎo)致變速器功能受到影響的機(jī)理分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、密封設(shè)計(jì)不合理、油封設(shè)計(jì)不合理、參數(shù)計(jì)算不合理等，容易出現(xiàn)變速器可靠性降低、潤(rùn)滑油泄露、零部件磨損過度等后果。

2.1.3 符合法律法規(guī)的變速器控制失效。重型汽車變速器符合法律法規(guī)的功能失效模式包括變速器在空擋、前進(jìn)擋、超速擋、倒擋、空擋等過程中產(chǎn)生的噪聲超過國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的問題。其失效模式機(jī)理分為參數(shù)設(shè)計(jì)不合理、零部件變形、零部件振動(dòng)、材料不合格、制造工藝不合格、附加載荷增加等，容易造成駕駛疲勞、違法違規(guī)、人機(jī)事故等后果。

2.1.4 整車匹配要求失效。重型汽車變速器整車匹配要求失效模式包括變速器重量、變速器長(zhǎng)度、變速器靜態(tài)選擋力、變速器靜態(tài)掛擋力、變速器靜態(tài)摘擋力、離合器殼止口直徑及連接孔、突緣止口直徑及連接孔等方面的問題。變速器重量超過整車匹配要求的重量時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)和材料選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致整車輕量化不符合要求;變速器長(zhǎng)度超過整車匹配要求時(shí)，變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致整車不匹配;變速器靜態(tài)選擋力、掛擋力和摘擋力不符合要求，主要是由設(shè)計(jì)不當(dāng)、參數(shù)不合理等原因?qū)е碌模菀自斐神{駛疲勞或者人機(jī)事故等后果;離合器殼止口直徑及連接孔和突緣止口直徑及連接孔問題，是由直徑尺寸與設(shè)計(jì)要求不符、連接孔尺寸與設(shè)計(jì)要求不符等因素導(dǎo)致的，容易造成整車不匹配的后果。

2.2 重型汽車變速器失效模式產(chǎn)生的原因

2.2.1 失效故障狀態(tài)因素。重型汽車變速器失效模式在發(fā)生失效故障時(shí)的狀態(tài)原因具體包括未執(zhí)行功能要求故障以及執(zhí)行功能過程中的故障兩種類型。

2.2.2 控制因素。重型汽車變速器失效模式在控制方面的原因具體包括：結(jié)構(gòu)、尺寸、材料等機(jī)械設(shè)計(jì)因素;零部件表面化學(xué)處理設(shè)計(jì)因素;變速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素。

2.2.3 噪聲因素。重型汽車變速器失效模式在噪聲方面的原因具體包括：變速器產(chǎn)品的噪聲隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而增大;變速器產(chǎn)品噪聲大小對(duì)外部環(huán)境的影響;變速器產(chǎn)品噪聲變大的制造和裝配。

3 DFMEA技術(shù)在重型汽車變速器的失效模式控制措施

3.1 變速器功能喪失控制措施

變速器功能喪失與潤(rùn)滑油問題有關(guān)，開發(fā)人員可以從潤(rùn)滑油角度入手，采取具體的優(yōu)化控制措施。潤(rùn)滑油在重型汽車行駛過程中會(huì)通過飛濺的方式實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，但是飛濺數(shù)量有限，有時(shí)不能滿足重型汽車的潤(rùn)滑需求。因此，開發(fā)人員可以設(shè)計(jì)一種噴淋式潤(rùn)滑技術(shù)取代飛濺潤(rùn)滑技術(shù)，以通過提高潤(rùn)滑效果防止重型汽車變速器功能喪失。除此之外，開發(fā)人員還可以通過強(qiáng)化變速器零部件強(qiáng)度、剛度和材料性能，優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、焊接工藝、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等控制措施達(dá)到相同的效果。

3.2 變速器功能受到影響的控制措施

變速器功能受到影響可以通過選用更合適的同步器、優(yōu)化同步器摩擦介質(zhì)材料、優(yōu)化同步器防滑設(shè)計(jì)等控制措施防止變速器失效。選用更加合理的同步器可以保證同步器的結(jié)構(gòu)、靜態(tài)掛擋力、同步時(shí)間、使用壽命等指標(biāo)參數(shù)更加符合設(shè)計(jì)要求;采用精鍛銅合金、噴鉬、合成樹脂、碳纖維、燒結(jié)銅合金等材料能夠提高同步器摩擦介質(zhì)材料的性能，從而提高其抗磨性，降低制造成本;采用更加合理的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以大大提高潤(rùn)滑油的使用效果，從而防止同步器零部件損壞。變速器同步時(shí)間設(shè)計(jì)要求如表1所示。

3.3 符合法律法規(guī)的變速器失效控制措施

變速器符合法律法規(guī)的失效模式可以通過采用細(xì)高齒齒輪類型、優(yōu)化齒輪形狀設(shè)計(jì)、調(diào)整齒輪方向和鼓形量等控制措施進(jìn)行預(yù)防。其中，細(xì)高齒齒輪的應(yīng)用可以明顯降低變速器噪聲，有利于將變速器噪聲控制在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);齒輪形狀的設(shè)計(jì)可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，有利于降低齒輪在垂直方向和水平方向的偏移量;齒輪方向和鼓形量調(diào)整的控制原理與優(yōu)化齒輪形狀相同。

3.4 整車匹配要求失效控制措施

變速器整車匹配要求失效模式可以通過對(duì)重型汽車變速器進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)、優(yōu)化殼體材料設(shè)計(jì)兩種控制措施進(jìn)行預(yù)防。其中，變速器輕量化設(shè)計(jì)可以在不降低材料性能的情況下選用重量更輕的合金材料或工程塑料，以直接減輕變速器的重量，滿足整車的要求;而優(yōu)化殼體設(shè)計(jì)的目的是對(duì)重型汽車行駛過程中變速器的殼體形變情況進(jìn)行控制，這樣可以有效降低變速器導(dǎo)致整車事故發(fā)生的概率。

3.5 潛在失效模式及后果分析

潛在失效模式及后果如表2所示。

4 DFMEA技術(shù)在重型汽車變速器開發(fā)試驗(yàn)中的應(yīng)用

4.1 潤(rùn)滑性能試驗(yàn)

重型汽車變速器潤(rùn)滑性能試驗(yàn)主要對(duì)出油狀態(tài)、噴淋效果和油溫升高情況進(jìn)行檢測(cè)。在試驗(yàn)過程中，需要將變速器的擋位、轉(zhuǎn)速輸入值及潤(rùn)滑油加油量控制在規(guī)定值，這樣潤(rùn)滑性能試驗(yàn)結(jié)果才能真正反映出DFMEA技術(shù)在重型汽車變速器開發(fā)試驗(yàn)中的應(yīng)用是否可行。

4.2 疲勞壽命試驗(yàn)

重型汽車變速器疲勞壽命試驗(yàn)需要先確定試驗(yàn)設(shè)備、轉(zhuǎn)矩輸入值（1 960 N·m）、潤(rùn)滑油注入量（17 L）、油溫（80 ℃）、轉(zhuǎn)速輸入值（1 500 r/min）等條件，然后分別測(cè)試變速器各個(gè)擋位的試驗(yàn)結(jié)果，最后對(duì)齒輪的輪齒及齒面進(jìn)行檢查。如果發(fā)現(xiàn)零部件損壞，變速器疲勞壽命則不符合要求[3]。

4.3 靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)

重型汽車變速器靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)需要先確保變速器安裝情況、變速器試驗(yàn)擋位及變速器輸入軸加載量等符合要求，然后按照靜扭強(qiáng)度后備系數(shù)進(jìn)行判斷，最后根據(jù)變速器的損壞情況判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。如果2 L擋位、1 960 N·m變速器額定轉(zhuǎn)矩、5 978 N·m試驗(yàn)最大轉(zhuǎn)矩條件下變速器未損壞，變速器靜扭強(qiáng)度則符合要求。

4.4 同步器試驗(yàn)

重型汽車變速器同步器試驗(yàn)需要先確保變速箱同步器、前副箱同步器、后副箱同步器的輸入軸轉(zhuǎn)速（2 200 r/min）、油溫（40 ℃）、離合器從動(dòng)盤慣性矩（0.116 kg·m2）符合要求，然后對(duì)變速器同步時(shí)間是否符合要求進(jìn)行判定，最后再對(duì)同步器的使用壽命進(jìn)行試驗(yàn)。如果同步器循環(huán)次數(shù)和同步環(huán)磨損量符合要求，同步器的使用壽命則符合要求[4]。

4.5 噪聲試驗(yàn)

重型汽車變速器噪聲試驗(yàn)需要確保變速器輸入軸的地面高度（400 mm）、轉(zhuǎn)速輸入值（1 800 r/min）、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量距離（1 000 mm）、測(cè)試噪聲（70 dB）等試驗(yàn)條件符合要求，然后按照變速器空擋、前進(jìn)擋、超速擋、倒擋等規(guī)定要求對(duì)噪聲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷，最后分別得出每個(gè)擋位下變速器噪聲是否符合規(guī)定。

4.6 強(qiáng)制脫擋試驗(yàn)

重型汽車變速器強(qiáng)制脫擋試驗(yàn)需要確保試驗(yàn)臺(tái)架的固定、油溫（60 ℃）、轉(zhuǎn)速（2 200 r/min）和轉(zhuǎn)矩輸入值（±400 N·m）等試驗(yàn)條件符合要求，然后計(jì)算出強(qiáng)制脫擋力、動(dòng)態(tài)摘擋力、靜態(tài)摘擋力等強(qiáng)制脫擋數(shù)據(jù)，最后根據(jù)同步器齒輪參數(shù)判斷變速器強(qiáng)制脫擋試驗(yàn)是否符合要求[5]。

5 結(jié)語

DFMEA技術(shù)在重型汽車變速器開發(fā)中的應(yīng)用是可行的，但在實(shí)際開發(fā)過程中必須先確定重型汽車變速器開發(fā)產(chǎn)品的各項(xiàng)基本指標(biāo)，將準(zhǔn)備工作全部完成之后再設(shè)計(jì)整個(gè)重型汽車變速器的開發(fā)流程。

參考文獻(xiàn)：

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