闕智堅

摘要：針對某5t電動裝載機變速箱換擋由于撥叉變形，導(dǎo)致脫擋、掛不上擋故障，進行全面分析研究，提出對換擋撥叉進行加強和輸出軸總成進行優(yōu)化。經(jīng)實際工況驗證，優(yōu)化后的裝載機故障率明顯下降。

關(guān)鍵詞：電動輪式裝載機；變速箱；故障；分析；改進；強度提升

1? ?故障現(xiàn)象及分析

某公司針對電動裝載機開發(fā)了一款電控變速箱，在使用過程中客戶反應(yīng)，該電控變速箱換擋撥叉易出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)致脫擋、掛不上擋的問題，進而影響作業(yè)效率。鑒于此，決定對該變速箱進行優(yōu)化升級。

換擋撥叉故障主要表現(xiàn)在換擋撥叉變形和叉頭磨損。換擋撥叉彎曲變形如圖1所示。換擋撥叉端面磨損如圖2所示。對故障件換擋撥叉的材料、熱處理和金相組織進行分析，無異?，F(xiàn)象。從故障零件照片體現(xiàn)出來的故障表現(xiàn)上看，換擋撥叉彎曲變形，主要是換擋撥叉強度不足。在換擋過程中，電控換擋機構(gòu)推動換擋撥叉將滑動齒套對齒掛入。對齒過程中，推力反作用在換擋撥叉上，由于長時間操作造成換擋撥叉變形，最終導(dǎo)致脫擋、掛不上擋。

輸出軸總成中的滑動齒套，是通過中間的環(huán)形槽安裝在換擋撥叉叉頭上的，通過換擋撥叉的移動，使滑動齒套分別與高速擋齒輪或者低速擋齒輪嚙合，實現(xiàn)前進、空擋和倒退的擋位切換。換擋撥叉總成的擋位行程通過彈簧和鋼球進行限定，且未對滑動齒套進行限位，無法保證滑動齒套處在高速擋齒輪和低速擋齒輪的中間，造成換擋撥叉叉頭與滑動齒套環(huán)形槽干涉，使換擋撥叉叉頭磨損，導(dǎo)致脫擋、掛不上擋。

2? ?優(yōu)化改進措施

針對該電控變速箱換擋撥叉易出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)致脫擋、掛不上擋的問題，進行綜合分析認為，需提升換擋撥叉的材料性能、結(jié)構(gòu)強度，并對輸出軸總成進行優(yōu)化。

2.1? ?提升換擋撥叉材料性能

分析認為，由于目前的換擋撥叉材料為ZG310-570，并采用鑄造成型及回火處理工藝，導(dǎo)致其易存在砂眼、疏松等缺陷。參照國內(nèi)著名重卡變速箱廠商的換擋撥叉所用材料、成型工藝及熱處理工藝，將本換擋撥叉材料改為45號鋼，并采用鍛造成型及調(diào)質(zhì)處理工藝，以使換擋撥叉的機械性能得到顯著提升[1-2]。

2.2? ?提升換擋撥叉結(jié)構(gòu)強度

分析認為，目前的換擋撥叉，是在手動機械換擋變速箱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上上開發(fā)設(shè)計的，電控換擋機構(gòu)在換擋過程中推力，不會因擋位掛不進而自動調(diào)小推力，長時間操作造成換擋撥叉變形。為此，在不改變換擋撥叉外聯(lián)尺寸的情況下，對換擋撥叉進行了加強設(shè)計，即在換擋撥叉兩面增加加強筋，并對中間幅板向U型頭采取一側(cè)逐步增厚設(shè)計，以提高換擋撥叉的結(jié)構(gòu)強度，并保證互換性。

為驗證其改進效果，利用Inventor三維軟件進行三維建模和有限元優(yōu)化分析，工況條件按照電控換擋機構(gòu)撥動推力600N·m。對優(yōu)化前、后的換擋撥叉進行有限元分析，優(yōu)化前的換擋撥叉實物彎曲部位（見圖1）與優(yōu)化前有限元分析結(jié)果（見圖3）的薄弱部位吻合，優(yōu)化后（見圖4）的安全系數(shù)提升了35%，且優(yōu)化前薄弱部位的強度得到了顯著提升[3-4]。

2.3? ?輸出軸總成優(yōu)化

2.3.1? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

在換擋撥叉總成臺階面下方設(shè)置撥叉調(diào)整墊片，并通過螺栓安裝在箱體上。換擋撥叉U型槽與電控換擋撥指相配（實現(xiàn)換擋撥叉換擋），通過調(diào)整撥叉調(diào)整墊片的厚度，使換擋撥叉U型頭中心線位于箱體限位窗口中心線上。

箱體的臺階孔底設(shè)置輸出軸調(diào)整墊片，輸出軸調(diào)整墊片左側(cè)安裝有軸承，軸承的右側(cè)安裝有隔套，隔套的右側(cè)安裝有高速擋齒輪，高速擋齒輪上均勻分布安裝有3個限位銷一。高速擋齒輪右側(cè)與輸出軸中間臺階的左側(cè)面接觸，該中間臺階安裝有滑動齒套，換擋撥叉的叉頭安裝在滑動齒套的環(huán)形槽內(nèi)。輸出軸中間臺階的右側(cè)面接觸安裝有低速擋齒輪，低速擋齒輪上均勻安裝3個限位銷二，通過調(diào)整輸出軸調(diào)整墊片的厚度，使輸出軸中間臺階中心線位于換擋撥叉叉頭中心線上。

2.3.2? ?調(diào)整方法

首先，進行換擋撥叉U型頭與箱體窗口兩限位面對中調(diào)整。分別測量箱體窗口兩限位面距離為A，和換擋撥叉的U型頭兩外側(cè)限位面厚度為B。根據(jù)上述測量出來的數(shù)值，可以計算出換擋撥叉的U型頭兩外側(cè)面到箱體窗口左右限位面距離為F，其表達式為：

F=A-B/2（1）

測量箱體窗口左側(cè)限位面到換擋撥叉總成安裝面的距離為D，再將換擋撥叉總成的換擋撥叉調(diào)整至空擋位置，測量換擋撥叉總成中撥叉支架端面到換擋撥叉左側(cè)限位面距離為E。為保證換擋撥叉與箱體窗口兩限位面對中，根據(jù)上述測量出來的數(shù)值，計算撥叉調(diào)整墊片需選取厚度t1，其表達式為：

t₁=E-D-F（2）

其次，進行輸出軸中間臺階中心線與換擋撥叉叉頭中心線對中調(diào)整。先在輸出軸上預(yù)裝隔套，測量隔套外端面到輸出軸中間臺階左側(cè)端面距離為J，再測量輸出軸中間臺階左右兩側(cè)端面厚度為K。根據(jù)上述測量出來的數(shù)值，計算隔套外端面到輸出軸中間臺階中心線為L，其表達式為：

L=J+K/2（3）

測量箱體上的輸出軸孔端面到孔底臺階深度為M，再測量換擋撥叉的U型頭中心線至叉頭中心線距離為N。為保證輸出軸中間臺階中心線與換擋撥叉叉頭中心線對中，根據(jù)上述測量出來的數(shù)值，計算軸承右側(cè)輸出軸調(diào)整墊片需選取厚度為t2，其表達式為：

t2=M+L-D-A/2-N（4）

2.3.3? ?優(yōu)化效果

輸出軸總成優(yōu)化后結(jié)構(gòu)見圖5。限位銷一、限位銷二和箱體限位窗口的設(shè)置，使滑動齒套和換擋撥叉都得到很好的限位，通過換擋撥叉U型頭與箱體窗口兩限位面對中調(diào)整，及輸出軸中間臺階中心線（即滑動齒套中心線）與換擋撥叉叉頭中心線對中調(diào)整，使換擋撥叉的叉頭與滑動齒套的環(huán)形槽不會干涉，避免了干涉磨損和換擋時接合齒的接合長度不足造成擋位脫擋。

3? ?結(jié)束語

本文針對某5t電動裝載機變速箱換擋由于撥叉變形，導(dǎo)致脫擋、掛不上擋故障，進行全面分析研究，提出對換擋撥叉進行加強和輸出軸總成進行優(yōu)化。優(yōu)化后的變速箱在一年多的市場工況驗證中，未出現(xiàn)因換擋撥叉、輸出軸總成故障引起的脫擋、掛不上擋故障，優(yōu)化改進效果明顯。

參考文獻

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[2] 李春勝，黃德彬.金屬材料手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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[4] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.