文/靳倩倩（安徽星瑞齒輪傳動有限公司技術(shù)中心）

一、軸用彈性擋圈作用

軸用彈性擋圈常安裝于槽軸上，用作固定零部件軸向運動。該類擋圈解決了由于軸本身的結(jié)構(gòu)限制或者整箱裝配需求而使軸徑減小，導(dǎo)致軸上零部件無法限位的問題[1]。軸用彈性擋圈可簡單方便地進(jìn)行安裝及拆卸；組件更輕，體積更??；節(jié)約原材料，杜絕浪費；提高生產(chǎn)效率，降低人工及材料成本；還可使組件保持完整性。

軸用彈性擋圈按照其內(nèi)外徑是否同心可分為偏心型和同心型。偏心型軸用擋圈前端有安裝孔，可方便安裝與拆卸，另外可作為擋肩以增加固定力，因此可應(yīng)對較高的推力負(fù)荷。同心型軸用擋圈與偏心型相比，雖可提供更多的擋圈內(nèi)（外）空間，但不容易安裝與拆卸，承受的推力負(fù)荷也比偏心型低。

二、某手動變速器中五齒軸用彈性擋圈斷裂情況及失效模式原因分析

根據(jù)3MIS（Three Months in Service）市場信息統(tǒng)計，該款變速器在2018 年1—12 月，共計發(fā)生了9 例軸用彈性擋圈斷裂故障，多數(shù)集中在2018 年7 月、8 月、9 月三個月份。其中，6 例是新購車輛在進(jìn)行首次保養(yǎng)更換變速器潤滑油時，發(fā)現(xiàn)斷裂的擋圈混在潤滑油中一同流出，2例是車輛行駛過程中有異響。

軸用彈性擋圈斷裂的故障件如圖1 所示。故障件與齒輪和軸的接觸面均磨損嚴(yán)重，從擋圈中部斷裂，且厚度方向上變形嚴(yán)重。

圖1 軸用彈性擋圈故障件

結(jié)合市場反饋的故障信息，統(tǒng)計中五齒軸用彈性擋圈斷裂故障信息表，并從整車故障里程、故障箱生產(chǎn)時間進(jìn)行分析。按照故障里程分析，66.7%的整車故障里程集中在8000km 以內(nèi)發(fā)生，最小里程為3880km；11.1%的整車故障里程發(fā)生在8000～15000km；22.2%的整車故障里程發(fā)生在15000～30000km。按照故障箱生產(chǎn)時間分析，生產(chǎn)日期在1 月和7 月各占11.1%，生產(chǎn)日期在8 月的占33.3%，生產(chǎn)日期在9 月的占44.4%。

該變速器總成為本公司成熟量產(chǎn)產(chǎn)品，市場保有量大（約50 萬臺左右），前期無一例此類故障發(fā)生，結(jié)合上述故障分類統(tǒng)計分析，可初步判定為非設(shè)計可靠耐久性引起的市場故障。

為查找故障原因，全面地從設(shè)計、裝配以及零件質(zhì)量等方面進(jìn)行FTA 故障樹原因分析，如圖2 所示。

三、要因分析與確認(rèn)

針對FTA 故障樹分析出的應(yīng)對策略進(jìn)行逐一排查驗證，根據(jù)排查驗證結(jié)果確認(rèn)是否為故障要因。

圖2 中五齒軸用彈性擋圈斷裂FTA 故障樹分析

1.軸用彈性擋圈設(shè)計強度校核確認(rèn)

軸用彈性擋圈的承載能力與接觸的零件的端面情況有關(guān)，分為無倒/圓角的端面和有倒/圓角的端面。分別按照兩種狀態(tài)對軸用彈性擋圈承載能力進(jìn)行校核，校核結(jié)果顯示：接觸零件的斷面無倒/圓角時軸用彈性擋圈的承載能力為49.3kN，而通過MASTA 軟件建模，變速器五檔輸入扭矩300N·m 時，5 檔齒輪副嚙合傳遞扭矩時，中五齒承受的軸向力為3.7kN，此狀態(tài)下的后備安全系數(shù)為13.32；接觸零件的端面有倒/圓角時，軸承擋圈的承載能力為9.6kN，此狀態(tài)下的后備安全系數(shù)為2.59。該變速器的中五齒端面采用的是無倒/圓角的端面，后備安全系數(shù)充裕，滿足設(shè)計要求，故軸用彈性擋圈設(shè)計強度為故障非要因。但需要注意，若中五齒端面采用有倒/圓角的端面，后備安全系數(shù)2.59，剛達(dá)到設(shè)計要求2.5，且與前者狀態(tài)相比有較大差異，故中五齒端面采用無倒/圓角的端面優(yōu)于有倒/圓角的端面。

2.軸用彈性擋圈表面硬度、金相組織、幾何尺寸及折彎試驗確認(rèn)

表面硬度確認(rèn)。按照GB/T 959.1 標(biāo)準(zhǔn)，該軸承彈性擋圈熱處理后表面硬度范圍是44～51HRC。按照標(biāo)準(zhǔn)對故障件和庫存件分別進(jìn)行檢測，故障件49～49.4HRC，庫存件46.9～47.2HRC，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，非故障要因。

金相組織確認(rèn)。按照GB/T 959.1 標(biāo)準(zhǔn)，該軸承彈性擋圈熱處理后金相組織應(yīng)為回火托式體。按照標(biāo)準(zhǔn)對故障件和庫存件分別進(jìn)行檢測，故障件合格，庫存件合格，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，非故障要因。

幾何尺寸確認(rèn)。產(chǎn)品設(shè)計要求，軸用彈性擋圈厚度為1.75mm±0.06mm。按照要求對故障件和庫存件分別進(jìn)行檢測，故障件1.76～1.78mm，庫存件1.75～1.78mm，滿足設(shè)計要求，非故障要因。

折彎試驗確認(rèn)。按照GB/T 959.1 標(biāo)準(zhǔn)，將擋圈的一半夾在兩個鉗口中，鉗口的圓角半徑應(yīng)與擋圈厚度相同（r=s），然后反復(fù)輕捶打或使用杠桿將擋圈彎曲至30°。試驗后擋圈未斷裂，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，非故障要因。

3.中五齒限位可靠性確認(rèn)

中五齒軸向間隙確認(rèn)。對中五齒軸向間隙尺寸鏈校核計算，分別使用完全互換法和概率互換法（也稱不完全互換法）[2]，詳見表1。完全互換法計算尺寸鏈，中五齒軸向間隙范圍是-0.08～0.27mm，極限情況下中五齒軸向過盈0.08mm。概率互換法計算尺寸鏈，中五齒軸向間隙范圍是0.016～0.174mm。其中尺寸1、2、4 均采用熱后車削工藝，過程能力水平可達(dá)1.67 以上，保守計算按照3σ過程能力計算，尺寸3 由板材厚度保證，過程能力按照3σ 計算。根據(jù)以上計算，對相關(guān)產(chǎn)品實物尺寸進(jìn)行檢測，均滿足過程能力要求的公差范圍，非故障要因。

中五齒徑向限位確認(rèn)。對中五齒徑向限位尺寸鏈校核計算，詳見表2。校核結(jié)果顯示：單邊重合量最小極限情況1.36mm，滿足設(shè)計要求。根據(jù)以上計算，對相關(guān)產(chǎn)品實物進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)中五齒故障件孔口倒角直徑嚴(yán)重超差，達(dá)到46.70～46.78mm，其他尺寸滿足設(shè)計要求。

針對以上中五齒故障件，與中間軸后軸承實物裝配發(fā)現(xiàn)：由于中五齒孔口倒角大，中五齒凹陷到中間軸后軸承內(nèi)，如圖3 所示。另外通過拼圖（如圖4 所示）計算，中五齒軸向竄動1.6mm，遠(yuǎn)超設(shè)計范圍。此狀態(tài)易導(dǎo)致中五齒軸向限位失效，正反拖工況，中五齒撞擊軸用彈性擋圈，使其承受額外載荷；中五齒端面變?yōu)橛羞吘夐g距的截面，與鋒利截面相比，軸用彈性擋圈的承載能力大幅度下降。故兩者綜合作用，導(dǎo)致中五齒軸用彈性擋圈斷裂，為故障要因。

表1 中五齒軸向間隙尺寸鏈校核計算

表2 中五齒徑向間隙尺寸鏈校核計算

圖3 中五齒與軸承擋圈實物裝配

圖4 中五齒拼圖計算

四、整改優(yōu)化措施及驗證

針對中五齒孔口倒角大導(dǎo)致軸向限位失效以及軸用彈性擋圈承載能力下降問題，可以從兩方面著手：一是校核軸承擋圈與保持架間隙，選配外徑合適的軸承擋圈，使其有效限位中五齒軸向間隙；二是在中五齒端面增加支撐墊圈，創(chuàng)造一個無倒/圓角的端面（見圖5），以此提高軸用彈性擋圈承載能力。

圖5 在軸用彈性擋圈和中五齒之間增加支撐墊圈

采取第一種經(jīng)濟(jì)性措施進(jìn)行驗證，選擇較大的軸承擋圈，使中五齒軸向間隙保證在0.17mm 以內(nèi)，搭載整車完成30000km 可靠性試驗，拆解樣箱中五齒軸用彈性擋圈未發(fā)生斷裂。由此可見，中五齒有效軸向限位，保證合適的軸向間隙，可解決軸用彈性擋圈斷裂故障。

五、結(jié)語

通過軸用彈性擋圈承載能力的設(shè)計計算，對某手動變速器中五齒軸用彈性擋圈斷裂故障FTA 分析，以及優(yōu)化措施的驗證，提供了故障分析的整體思路，識別了產(chǎn)品設(shè)計計算校核和零部件質(zhì)量控制的關(guān)鍵點。