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摘 要：对一例推力钢带失效的无级自动变速器（CVT）进行分析，通过工作原理、失效件检查、失效模式分析、数据调查和故障复现等方法，确认了离合器接合冲击对推力钢带损伤的影响，为CVT推力钢带失效分析提供了一种参考方法。
关键词：无级变速器 金属带 推力钢带 离合器 冲击扭矩 失效 断裂
Analysis the Failure of CVT Pushbelt caused by Clutch Engagement Shock Load
Li Liang， Lan Yuyong， Wen Min
Abstract：This is a case of Continuously Variable Transmission（CVT ） failure pushbelt by the ways of studying the working principle， failed parts inspection， failure mode analysis ，data investigation and failure recurrence， at late it was confirmed that the clutch engagement impact cause the damage of pushbelt， it provides a references way for CVT pushbelt failure analysis.
Key words：Continuously Variable Transmission， Metal belt， Pushbelt， Clutch， Shock load， Failure
1 引言
在目前乘用车的自动变速器类型中，推力钢带式的无级自动变速器（CVT）因其驾乘舒适、节省燃油、结构相对简单和经济耐用等优点而被广泛应用。推力钢带是无级变速系统的核心件之一，在CVT的开发过程中，对推力钢带的控制保护尤为重要。下面介绍一例由离合器前进档控制引起冲击扭矩而导致钢带失效的分析，为CVT推力钢带的应用和问题解决提供一种方法参考。
2 系统结构和工作原理
无级自动变速器常见的一种布置结构如图1所示，其扭矩传动部分主要由液力变矩器（TC）、离合器、无级变速机构、齿轮和差速器组件构成。离合器为湿式摩擦片和行星轮系构成，通过液压和电控，起到前进档（D档）、空档（N档）和倒档（R档）的作用。无级变速机构为V形主动槽轮、从动槽轮组件和推力钢带构成，扭矩主要依靠钢带与槽轮锥面的摩擦进行传递，而摩擦则依靠液压和油缸对钢带和摩擦锥面进行夹紧，在传递扭矩的同时，通过电液控制改变主动槽轮和从动槽轮的轴向位移，从而改变钢带的传动半径，实现变速。又因钢带可控制停留在锥面的任意位置，所以可实现无级调速。
离合器D档N档结构如图2所示，其主要由输入轴、摩擦片副、液压缸和复位弹簧等组成。通过往液压缸内通入或撤去压力油，推动摩擦片副接合或分离，从而实现D档或N档。
钢带结构如图3所示，其主要由钢片和左右两侧钢环组构成，钢片的侧面与槽轮锥面摩擦接触，钢环组承受张紧力，按照钢环组应力分配，左右内1#钢环（从内往外数第1层）承受的应力最大，且与钢片的鞍面直接接触，是钢带防护中的重点关注部位。
钢带的轴向夹紧力Fc和安全系数Sf计算公式：
Fc=T.Sf.cosλ/（2.μ.R）=P.A或Sf= P.A.2.μ.R/T.cosλ
T—传递的扭矩，Sf—安全系数，λ—摩擦锥面角度，μ—钢片与锥面的摩擦系数，R-夹紧槽轮的工作半径，P—夹紧油缸压力，A—夹紧油缸面积。其中，扭矩T扭矩可来自发动机端或驱动车轮端，此次分析仅探讨扭矩来自发动机端的。
3 问题来源
在某型号CVT研发过程中，一台CVT完成并通过了整车道路测试，在例行拆解时检查发现，钢带的左1#钢环断裂（如图4），但未出现整体断裂和钢片锥面打滑磨损现象。
4 失效模式和原因分析
4.1 失效模式
对照推力钢带失效模式检查清单（图5），逐项查找对应故障特征，复查装机数据和液压阀板测试数据，快速排除了明显无关联的模式ACDEH。将钢环放到显微镜下观察，另对钢环断口进行疲劳源分析，未发现有与模式F模式G对应的特征。排除后仅剩下失效模式B冲击扭矩。
钢带和锥轮冲击扭矩失效模式的3个标准特征（图6a）：
B1-锥面有连续的清晰的足形印痕;甚至有冷焊材料堆积现象。
B2-钢环内1#环上有横向的线状压痕。
B3-钢片两侧面有典型三角状磨痕或压痕。
和故障件对比（图6b），对比结果如表1。
判断此故障与冲击扭矩失效模式相似。列出鱼骨分析图，對冲击扭矩故障原因进行展开（图7）。
4.2 数据调查
按照鱼骨图内容逐项检查，其中发现，车辆在测试过程中反馈有过该车挂N档进D档时车辆前后抖动。检查测试数据（图8），分析工况。
全油门起步，发动机转速约3700rpm;
N档挂到D档，主动转速0.03s内从0rpm升高到2300rpm;
此时速比仍维持在ELOW速比，主/从动压力基本无变化;
换算为TC输入扭矩约480N.m。
根据上述安全系数公式，T=T发动机输入扭矩+T冲击载荷扭矩，额外增加的480N.m冲击扭矩，使安全系数Sf小于1.0。冲击的时间非常短，钢片未发生打滑。但瞬时的冲击扭矩可导致钢片歪斜偏转，钢片的鞍面在1#钢环上产生压印痕甚至切断。检查鱼骨图中其它项未发现异常。
4.3 故障复现和原因确认
通过上述排查，认为离合器的换挡冲击关联很大。为了确认原因，将此CVT更换新钢带后修复，复装到原试验车，模拟原换档操作，进行专项的换档测试。测试完成后拆机检查，锥面钢环钢片表现如图9。从图可见，该故障特征与原故障极为相近，认为复现了故障，确认了根本原因为离合器接合不当，冲击扭矩致使钢带失效。
5 对策和方法
经过优化档位识别和离合器接合控制策略，在整车上进行复测验证，换档抖动消失，并经过多台样本测试考核，复检锥面钢片钢环均完好无损伤。最终确认根本原因和措施对应有效。
6 结语
推力钢带失效关联的因素众多，本文对应单一因素，采用对照故障特征快速排查法，可有效缩短分析时间。对于复合因素的故障模式，也可做一定的参考。
关键词：无级变速器 金属带 推力钢带 离合器 冲击扭矩 失效 断裂
Analysis the Failure of CVT Pushbelt caused by Clutch Engagement Shock Load
Li Liang， Lan Yuyong， Wen Min
Abstract：This is a case of Continuously Variable Transmission（CVT ） failure pushbelt by the ways of studying the working principle， failed parts inspection， failure mode analysis ，data investigation and failure recurrence， at late it was confirmed that the clutch engagement impact cause the damage of pushbelt， it provides a references way for CVT pushbelt failure analysis.
Key words：Continuously Variable Transmission， Metal belt， Pushbelt， Clutch， Shock load， Failure
1 引言
在目前乘用车的自动变速器类型中，推力钢带式的无级自动变速器（CVT）因其驾乘舒适、节省燃油、结构相对简单和经济耐用等优点而被广泛应用。推力钢带是无级变速系统的核心件之一，在CVT的开发过程中，对推力钢带的控制保护尤为重要。下面介绍一例由离合器前进档控制引起冲击扭矩而导致钢带失效的分析，为CVT推力钢带的应用和问题解决提供一种方法参考。
2 系统结构和工作原理
无级自动变速器常见的一种布置结构如图1所示，其扭矩传动部分主要由液力变矩器（TC）、离合器、无级变速机构、齿轮和差速器组件构成。离合器为湿式摩擦片和行星轮系构成，通过液压和电控，起到前进档（D档）、空档（N档）和倒档（R档）的作用。无级变速机构为V形主动槽轮、从动槽轮组件和推力钢带构成，扭矩主要依靠钢带与槽轮锥面的摩擦进行传递，而摩擦则依靠液压和油缸对钢带和摩擦锥面进行夹紧，在传递扭矩的同时，通过电液控制改变主动槽轮和从动槽轮的轴向位移，从而改变钢带的传动半径，实现变速。又因钢带可控制停留在锥面的任意位置，所以可实现无级调速。
离合器D档N档结构如图2所示，其主要由输入轴、摩擦片副、液压缸和复位弹簧等组成。通过往液压缸内通入或撤去压力油，推动摩擦片副接合或分离，从而实现D档或N档。
钢带结构如图3所示，其主要由钢片和左右两侧钢环组构成，钢片的侧面与槽轮锥面摩擦接触，钢环组承受张紧力，按照钢环组应力分配，左右内1#钢环（从内往外数第1层）承受的应力最大，且与钢片的鞍面直接接触，是钢带防护中的重点关注部位。
钢带的轴向夹紧力Fc和安全系数Sf计算公式：
Fc=T.Sf.cosλ/（2.μ.R）=P.A或Sf= P.A.2.μ.R/T.cosλ
T—传递的扭矩，Sf—安全系数，λ—摩擦锥面角度，μ—钢片与锥面的摩擦系数，R-夹紧槽轮的工作半径，P—夹紧油缸压力，A—夹紧油缸面积。其中，扭矩T扭矩可来自发动机端或驱动车轮端，此次分析仅探讨扭矩来自发动机端的。
3 问题来源
在某型号CVT研发过程中，一台CVT完成并通过了整车道路测试，在例行拆解时检查发现，钢带的左1#钢环断裂（如图4），但未出现整体断裂和钢片锥面打滑磨损现象。
4 失效模式和原因分析
4.1 失效模式
对照推力钢带失效模式检查清单（图5），逐项查找对应故障特征，复查装机数据和液压阀板测试数据，快速排除了明显无关联的模式ACDEH。将钢环放到显微镜下观察，另对钢环断口进行疲劳源分析，未发现有与模式F模式G对应的特征。排除后仅剩下失效模式B冲击扭矩。
钢带和锥轮冲击扭矩失效模式的3个标准特征（图6a）：
B1-锥面有连续的清晰的足形印痕;甚至有冷焊材料堆积现象。
B2-钢环内1#环上有横向的线状压痕。
B3-钢片两侧面有典型三角状磨痕或压痕。
和故障件对比（图6b），对比结果如表1。
判断此故障与冲击扭矩失效模式相似。列出鱼骨分析图，對冲击扭矩故障原因进行展开（图7）。
4.2 数据调查
按照鱼骨图内容逐项检查，其中发现，车辆在测试过程中反馈有过该车挂N档进D档时车辆前后抖动。检查测试数据（图8），分析工况。
全油门起步，发动机转速约3700rpm;
N档挂到D档，主动转速0.03s内从0rpm升高到2300rpm;
此时速比仍维持在ELOW速比，主/从动压力基本无变化;
换算为TC输入扭矩约480N.m。
根据上述安全系数公式，T=T发动机输入扭矩+T冲击载荷扭矩，额外增加的480N.m冲击扭矩，使安全系数Sf小于1.0。冲击的时间非常短，钢片未发生打滑。但瞬时的冲击扭矩可导致钢片歪斜偏转，钢片的鞍面在1#钢环上产生压印痕甚至切断。检查鱼骨图中其它项未发现异常。
4.3 故障复现和原因确认
通过上述排查，认为离合器的换挡冲击关联很大。为了确认原因，将此CVT更换新钢带后修复，复装到原试验车，模拟原换档操作，进行专项的换档测试。测试完成后拆机检查，锥面钢环钢片表现如图9。从图可见，该故障特征与原故障极为相近，认为复现了故障，确认了根本原因为离合器接合不当，冲击扭矩致使钢带失效。
5 对策和方法
经过优化档位识别和离合器接合控制策略，在整车上进行复测验证，换档抖动消失，并经过多台样本测试考核，复检锥面钢片钢环均完好无损伤。最终确认根本原因和措施对应有效。
6 结语
推力钢带失效关联的因素众多，本文对应单一因素，采用对照故障特征快速排查法，可有效缩短分析时间。对于复合因素的故障模式，也可做一定的参考。