无噪音变速拨叉的创新设计及其进展
项锡胜
(温州天和汽车部件有限公司)
前言：
汽车、拖拉机变速拨叉是变速箱的重要构件之一，工作时如同拨叉轴为支点的悬臂梁，承受着间歇式弯曲疲劳载荷，其形状复杂，厚薄相差悬殊，加工精度高。即要保证拨叉的综合机械性能，又必须满足叉部耐磨的目的。目前国内生产拨叉大多数都是通过模锻、铸造成型后经正火或调质处理提高综合机械性能。再经碳氮共渗淬火、渗碳淬火或高频淬火来提高叉部与齿轮接触面的硬度，从而达到耐磨的目的。而任何淬火都会因内部组织变化，比容增大，热应力和组织应力叠加，不可避免地引起变形，甚至裂纹，这就是加工拨叉的最大技术难点，
如何解决这一技术难题。我们进行了以下技术创新设计。
1、最大限度地利用材料的性能;
2、最大限度地简化加工工艺;
3、创新地使用尼龙夹片。
产品主要技术指标：
(1)材料：45-GB/T699-1999锻造余热热处理状态使用
(2)随整机通过耐久性和实用性试验：≥5000小时
试验技术方案
第一阶段：采用单片增强尼龙粘贴法。
我们采用增强尼龙片粘贴的拨叉用于金杯、马自达汽车，使我们对拨叉的使用有一个新的认识，当时我们试用了国内外多家提供的粘结剂和不同的粘结法进行比较。
对增强尼龙粘贴采用正交试验，我们选取了四因素三水平的正交表，制定试验方案：对试验结果通过数理统计分析：得知洛泰胶粘结强度高。国内多家胶的粘结性能都远不如洛泰胶。但美中不足是凡因粘贴不平整需返工时，重新退出粘贴非常困难。且洛泰胶价格昂贵并不断涨价。当时为保证粘结强度，我们只好选取洛泰胶。
第二阶段：两尼龙片连成一体，两夹片内侧制成凸销镶嵌法。
从那时起我们就一直考虑要使尼龙片和拨叉平面贴合在一起，除使用粘胶外，还有其它办法可循吗?如果用两块尼龙，两面分开镶嵌就好了。
考虑到拨叉工作时只有一面与齿轮接触，另一面处于自由状态，尼龙片有可能脱落，根据拨叉使用时的活动空间，叉头前面有足够的位置，这样就把单片尼龙做成两片连在一起的尼龙夹片，尼龙夹片内侧制有两个小凸台，插入拨叉内孔中。保持一定的紧度，试验证明这种夹片结构对解决尼龙片单面脱落非常有效。而且如果一面磨损，可以换面使用，拆装非常方便。这一大胆设想经多次试验后取得了明显的效果。
第三阶段：对于小平面拨叉采用开槽镶嵌法。
国外要求我们提供多种无噪音的高性能新型拨叉。北京齿轮总厂提出和我们
一同开发、研制、生产。我们考虑到本国资源，我国金属钼稀少，离子喷钼拨叉噪音小、耐磨等性能好，但价格昂贵。于是我们协商开发增强尼龙镶嵌的拨叉。由于我们历经过一些试验，有一定的经验与教训。小平面拨叉叉口面积小，为保证其强度，我们在原有拨叉毛坯的基础上，对原有拨叉口加以改进见图 ：
改进前叉口形状见图1与改进后叉口形状见图2，
设计试验镶嵌牢靠的零件槽口尺寸大小(槽宽×槽深)和尼龙片镶角尺寸大小相匹配。其零件开槽形状和开槽尺寸。需经现场加工试制，为避免尖角处有应力，需要设计合理的倒角。既要保证尼龙片镶嵌方便易行，又要确保拨叉头的强度。 为缩短试验时间我们根据影响拨叉头的几个因素作正交试验。为此我们按照L9(34)作如下试验：
因素水平表
|
因素 水平 |
A 零件形状 |
B 开槽尺寸 |
C 尼龙配合寸 |
D 零件倒角 |
|
1 |
原零件直接铣槽面 |
5×3.3 |
5.05×3.5 |
0.5×0.5 |
|
2 |
垂直叉口铣槽面 |
5.15×3.5 |
5.1×3.7 |
1×0.5 |
|
3 |
平行叉口铣槽面 |
5.3×3.7 |
5.2×3.9 |
2×0.5 |
试验方案及结果分析表镶嵌增强尼龙夹片
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因素
试验号 |
A 零件形状 |
B 零件开槽尺寸 |
C 尼龙配合尺寸 |
D 倒角 |
试验结果评分 |
|
1 |
1 原零件形状直接铣面 |
1 5×3.3 |
1 5.05×3.5 |
1 0.5×0.5 |
16 |
|
2 |
1 原零件形状直接铣面 |
2 5.15×3.5 |
2 5.1×3.7 |
2 1×0.5 |
18 |
|
3 |
1 原零件形状直接铣面 |
3 5.3×3.7 |
3 5.2×3.9 |
3 2×0.5 |
21 |
|
4 |
2 垂直叉口铣面 |
1 5×3.3 |
2 5.1×3.7 |
3 2×0.5 |
34 |
|
5 |
2 垂直叉口铣面 |
2 5.15×3.5 |
3 5.2×3.9 |
1 0.5×0.5 |
28 |
|
6 |
2 垂直叉口铣面 |
3 5.3×3.7 |
1 5.05×3.5 |
2 1×0.5 |
23 |
|
7 |
3 平行叉口铣面 |
1 5×3.3 |
3 5.2×3.9 |
2 1×0.5 |
29 |
|
8 |
3 平行叉口铣面 |
2 5.15×3.5 |
1 5.05×3.5 |
3 2×0.5 |
21 |
|
9 |
3 平行叉口铣面 |
3 5.3×3.7 |
2 5.1×3.7 |
1 0.5×0.5 |
17 |
|
K1 |
16+18+21=55 |
16+34+29=79 |
16+26+21=60 |
16+28+17=61 |
|
|
K2 |
34+28+23=85 |
18+28+21=67 |
18+34+17=69 |
18+23+29=70 |
|
|
K3 |
29+21+27=67 |
21+23+17=51 |
21+28+29=78 |
21+34+21=76 |
|
|
R1 |
18.3 |
26.3 |
20 |
20.3 |
|
|
R2 |
28.3 |
22.3 |
23 |
23.3 |
|
|
R3 |
22.3 |
17 |
26 |
25.3 |
|
|
R |
10 |
9.3 |
6 |
5 |
|
从试验结果分析表中可以看出
因子A以A2(垂直叉口铣槽面得分最高)称A2因子为A的优水平
同理因子B的优水平是B1(零件开槽尺寸为5×3.3)
因子C和D的优水平是C3(5.2×3.9)和D3(2×0.5)
很容易想到：如果把这四个因子的优水平结合起来就能得到一个较好的水平组合A2B1C3D3。
选各因子的最佳值组成较优方案现对试验结果经过实践考验后取A2B1C3D3.
A零件形状：取第2水平垂直叉口铣槽面
B零件开槽尺寸：取第1水平5×3.3
C尼龙片配合尺寸：取第3水平5.2×3.9
D零件倒角：取第3水平2×0.5
必须说明的是利用锻造余热正火或调质应该掌握以下几条：
① 在保证锻造成型的前提下，选择钢的锻造温度不宜过高;
② 锻造形变量应根据钢的冲击性能要求确定，常用钢材最佳形变量范围在25%~40%;
③ 锻后停留时间、高温形变后停留时间碳素结构钢不大于60S;
④ 锻后余热正火或淬火温度为钢的相变临界点Ar3及Arcm以上或Arcm~Ar1之间的某一个温度。
通过恰当的余热正火工艺,可使45或40Cr等钢锻后直接获得均匀的铁素体加珠光铁,使其组织更细,晶粒得到细化(5~8级)见图3和图4,因此,寿命提高一倍以上。
结语
近年来，无噪音变速拨叉的研究与试制逐渐得到重视，但其应用普及率与国外差距仍然较大。对变速拨叉镶嵌增强尼龙片，可以获取低成本、高性能、低能耗等综合效益。由于这种拨叉使用时噪音小，安全耐用，目前强力胶粘接的拨叉国内已在金杯、马自达轿车得到广泛应用，带凸销尼龙片嵌入的拨叉美国约翰·迪尔公司已用于拖拉机上。 我公司多年研发成功各种规格汽车、拖拉机变速拨叉，已成为温州天和公司的核心技术， 几家主要客户通过对产品装机考核试验或试用，给予了较高的评价。如美国约翰·迪尔公司将我公司的镶嵌增强尼龙片拨叉，在拖拉机上进行组装适用性试验和等效5000H的适用性试验， 试验全过程运转正常。试验后经分解检查，所有零件无裂纹、变形和磨损。因此， 准备进一步推广使用。