脱档指汽车在行驶中变速器从某一个档位自动脱回空档。脱档有时发生在急加速时，有时发生在突然减速时，还有时发生在道路颠簸汽车抖动时。以前的老式汽车经常出现这个问题。有时也叫跳档。

故障研究

引言

变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其主要功能是安全可靠地传递动力，并通过档位选择实现汽车的起步、加速、减速等。脱档是汽车变速器常的故障之一，是指在汽车行驶过程中，所挂挡位突然脱离档位，即变速器同步器齿套和结合齿花键脱开，无法传递动力。如果汽车在高速或爬坡行驶中突然脱档，可能导致严重的交通事故，直接影响到乘客安全。因此，对汽车变速器脱档故障进行研究，从设计源头解决脱档问题，对提升变速器的换挡可靠性具有重要的现实意义。

变速器换挡系统工作原理

以某双离合变速器换挡系统为例，介绍变速器换挡系统的工作原理。换挡系统由拨叉、齿套、齿毂、滑块、同步环、结合齿组成。

换挡开始前，同步器齿套处于空档位置，拨叉在电磁阀的推动作用下，拨动齿套向目标档位移动。预同步阶段，滑块钢球受齿套上滑块槽的内斜面作用，产生水平分力，滑块与齿套没有相对运动，与齿套一同向目标档位平移，直至滑块在目标档位方向上已无轴向间隙。当齿套位移达到滑块间隙时，滑块与同步环接触，滑块不能继续随齿套移动，而齿套仍要作轴向移动。在滑块的推动下，摩擦锥面开始接触，产生摩擦力矩，同步环在摩擦力矩的作用下转动一个角度，以保证齿套和同步环锁止面重合。

同步阶段，换挡力持续作用。由于摩擦锥面存在相对运动，从而产生同步力矩。同时，齿套锁止面与同步环锁止面接触，在两个锁止面之间产生摩擦力fR，该摩擦力和锁止面上的正压力NR沿同步环花键节圆切线方向产生扭矩 ，即拨环力矩。在同步力矩作用下，待啮合齿轮与同步环转速达到同步，转速差为零，则同步力矩消失，而拨环力矩继续存在，拨环力矩使同步环及其档位齿轮迅速偏转，齿套得以通过同步环，同步过程完成。

啮合阶段，齿套在拨叉的带动下继续向目标档位移动。齿套与结合齿锁止面接触后，作用在结合齿锁止面上的切向分力使结合齿圈及其待啮合齿轮转过一个角度，使齿套和结合齿花键齿啮合。锁止阶段，当齿套花键与结合齿花键完成啮合后，齿套继续移动，到达换挡行程终点。齿套与结合齿花键上设有倒锥结构，倒锥角提供档位保持力，防止齿套脱出档位。至此完成整个换挡过程。

防脱档机理分析

对于双离合变速器换挡系统，有两个防脱档结构，一是齿套和结合齿倒锥锁止结构; 二是拨叉轴定位槽防脱结构。

倒锥锁止结构

换挡完成后，齿套倒锥与结合齿倒锥啮合，倒锥所产生的档位保持力。在传递动力时，倒锥面受到正压力FN，分解为轴向分力FH及径向力F。径向力F 所起的作用为传递扭矩，由发动机扭矩提供。由档位保持力分析可知，倒锥的设计结构使齿套始终受到档位方向的拖入力，即档位保持力P，且随着发动机扭矩的增加，档位保持力随之增加。

拨叉轴定位槽防脱结构

拨叉轴定位槽防脱结构是通过弹簧锁销和拨叉轴定位槽实现防脱功能。拨叉处于空档位置时，弹簧锁销的钢球在拨叉轴定位槽的中间凹槽位置，起到空档定位的作用，拨叉到达档位后，弹簧锁销的钢球在拨叉轴定位槽两侧的斜面位置，弹簧力使钢球对拨叉轴定位槽斜面有一法向压力，其分解为水平方向和垂直方向的分力，水平方向的分力Fx能够阻止拨叉轴向空档方向移动，从而防止脱档。

脱档案例分析

通过上述防脱档结构的介绍可知，从理论上来讲，在没有远离档位方向的外力作用下，齿套和拨叉轴不会向远离档位的方向移动，不会发生脱档现象。但实则不然，很多汽车变速器都存在不同程度的脱档，脱档是一种普遍现象。下面，对两个典型的脱档案例进行分析，明确脱档发生的原因并提出解决方案。

大扭矩作用下脱档

某变速器执行电机驱动台架耐久试验，档位2 档，电机输入转速4 000 r /min，扭矩360 Nm 时，运行50 s 左右自动脱档，此现象可复现。经多次试验验证发现，扭矩360 Nm 时脱档发生率大于75% ，而在扭矩245 Nm 时，无脱档现象。由此可以判断扭矩大小对脱档的影响较大。通过CAE 分析发现，2 档从动齿轮靠近主减速齿轮，齿轮在加载情况下变形较大，从而导致与2 档从动齿焊接成一体的结合齿发生较大变形，使齿套倒锥与结合齿倒锥无法良好啮合，此原因是造成2 档脱档的主要原因。

针对这种情况，从设计角度可以考虑增大倒锥角度的方法增大档位保持力，或增加倒锥结合长度，抵消倒锥变形造成的负面影响，避免脱档现象的发生。

方案一，增大倒锥结合长度，使齿套倒锥与结合齿倒锥良好啮合，保证倒锥的锁止作用。将倒锥加长0．3 mm，试验发现脱档现象无明显改善;将倒锥加长0．5 mm，试验发现脱档现象有所改善，脱档率为42% ，但不能完全解决脱档问题。考虑到系统尺寸链，倒锥长度不宜再加长，因此，该方案不适用。

方案二，增大倒锥角度，增大档位保持力。目前设计倒锥角度3．3°，拟将倒锥角度增加到4° ± 0．5°，在满载情况下，档位保持力增大6．1% ～36.7% 。为保证设计的可靠性，挑选倒锥角3．5°的样件进行脱档验证，未发现脱档故障。

因此，该方案具有可行性，能有效解决脱档问题。从该案例可知，在实际情况中，齿套和结合齿倒锥在扭矩的作用下会发生变形，使实际的倒锥角比理论值小，从而使档位保持力减小; 齿套和结合齿倒锥结合长度因为系统变形而减小，使倒锥锁止面无法良好啮合，无法产生锁止作用。这两种情况均会导致脱档故障的发生。增大倒锥结合长度和增大倒锥角度以抵御倒锥在扭矩作用下变形的副面影响，可有效解决脱档问题。

车辆行驶状态更改时发生脱档

脱档常发生在车辆行驶状态更改的情况下，例如从自由滑行模式转换到驱动模式的过程中、突然减速、爬坡和颠簸路面。下面针对车辆从自由滑行模式转换到驱动模式的过程中脱档的情况进行分析。

车辆在自由滑行状态时，发动机输出扭矩为零，车辆自由向前滑行，齿套和结合齿倒锥面作用一倒拖扭矩，齿套驱动结合齿转动，倒锥为锁止状态。当车辆转换为驱动模式时，发动机输出扭矩作用到结合齿，结合齿转动并与另一侧倒锥面结合，结合齿驱动齿套转动，倒锥为锁止状态。上述分析可知，车辆在自由滑行模式和驱动模式行驶时，齿套和结合齿的倒锥面均贴合在一起，起到锁止作用，不会发生脱档故障。但是，在结合齿转动的过程中，倒锥面会有一个分离的阶段，在此阶段倒锥无法起到锁止作用，此时若有一个与档位方向相反的外力FE作用在齿套上，齿套有可能脱出，发生脱档。

理论上来讲，不存在一个与档位方向相反的外力FE作用在齿套上使其脱出，但是，从实际角度考虑，车辆行驶过程中的颠簸、系统和零件变形等都可能会产生外力使齿套脱出。从设计角度分析，此时倒锥面处于分离状态，倒锥不能发挥锁止作用，需要依靠拨叉轴定位槽进行档位保持，防止脱档。若弹簧钢球在拨叉轴定位槽斜面上的水平分力大于使齿套脱出的外力，就可以避免脱档的发生。因为齿套脱出力无法通过计算获得，只能通过设计经验给予一个合适的设计结构，最大程度地预防脱档现象的发生。增大弹簧钢球作用在拨叉轴定位槽上的防脱水平分力有 3 个途径，增大弹簧刚度、增大拨叉轴定位槽斜面的角度和拨叉轴定位槽定位方式优化。

增大弹簧刚度。弹簧刚度与防脱水平分力成正比关系，在设计要求的范围内尽可能选择刚度大的弹簧能有效预防脱档的发生。增大拨叉轴定位槽斜面的角度。拨叉轴定位槽斜面的角度由20°增大到35°，防脱水平分力增大33．6% ，斜面角度在防脱中起重要作用。

拨叉轴定位槽形状优化。通过设计合理的换挡行程，使拨叉进档后弹簧钢球停靠在拨叉轴定位槽斜坡上，弹簧力使钢球对拨叉轴定位槽斜面作用一水平分力，可以阻止拨叉向空档方向移动，避免脱档的发生。但是，这种斜坡式结构会使拨叉叉脚长时间与齿套拨叉槽挡圈摩擦，导致拨叉叉脚严重磨损。所不同的是，通过设计合理的换挡行程，使拨叉进档后弹簧钢球停靠在拨叉轴定位槽平面。定位槽的斜面可以阻止拨叉向空档方向移动，同时定位槽平面允许拨叉有一定距离的水平移动，使弹簧钢球的水平作用力不是一直作用在拨叉上，只有在拨叉有脱档趋势时，弹簧钢球的水平作用力才起作用，从而避免拨叉叉脚长时间与齿套拨叉槽挡圈摩擦导致拨叉叉脚磨损。因此，设计为最优设计。