劉芳，孫東坡，莊震亞，王健，葛海龍，郜可峰

(上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 200041)

0 引言

在液壓系統(tǒng)中，液壓油的泄漏是普遍存在但不容忽視的現(xiàn)象，一般機械液壓傳動系統(tǒng)在使用了一定的時間后都將出現(xiàn)液壓油的泄漏，一旦開始出現(xiàn)泄漏或是泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重，將影響傳動系統(tǒng)的正常工作。

文中將結(jié)合某款混動車型電驅(qū)變速箱液壓閥體的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)來進行研究，如圖1所示。為了提高液壓系統(tǒng)的集成性，在閥體內(nèi)部加工有大量的液壓元件接口和油路工藝孔；液壓閥體毛坯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大。該液壓閥體的泄漏類型可分為內(nèi)泄漏與外泄漏兩種。外泄漏指從液壓閥體內(nèi)部泄漏到外部環(huán)境中；內(nèi)泄漏指由于液壓油路內(nèi)部的壓力差或密封失效等原因，使液壓油由高壓側(cè)向低壓側(cè)泄漏。對于電驅(qū)變速箱總成而言，液壓系統(tǒng)的泄漏將會造成液壓系統(tǒng)壓力不足、執(zhí)行機構(gòu)速度不穩(wěn)定、液壓動力源發(fā)熱或燒毀、工作效率降低、油液浪費、控制失靈等問題，導(dǎo)致電驅(qū)變速箱將難以進行離合器和換擋機構(gòu)的控制，進而危及整車的運行[1]。因此，在設(shè)計、生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)對液壓閥體的泄漏率進行有效控制和檢測，具有重要的經(jīng)濟意義。

圖1 閥體的尺寸形狀示意圖

1 液壓閥體的設(shè)計

閥體的設(shè)計會對其氣密性產(chǎn)生重要的影響。為了達到良好的氣密性效果，在設(shè)計時應(yīng)注意：

(1)閥體毛坯外形的控制。對于閥體而言，毛坯的質(zhì)量對閥體的泄漏率有著明顯的影響。為了保證閥體材料的致密性，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮閥體的鑄造特性，并結(jié)合鑄造工藝優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)。在模具加工前，應(yīng)根據(jù)模流分析(如圖2所示)的結(jié)果充分優(yōu)化毛坯的結(jié)構(gòu)，以減少后期修模的風(fēng)險。

圖2 凝固特點分析

(2)閥體上最小壁厚的控制。過薄的壁厚將導(dǎo)致閥體內(nèi)泄漏風(fēng)險的增加，為了控制閥體的內(nèi)泄漏量，應(yīng)設(shè)定最小壁厚的標(biāo)準(zhǔn)。對于油道深孔，考慮到加工過程中刀具的偏移及振動，其壁厚還應(yīng)當(dāng)適度增加。在此案例中，閥體的最小壁厚不小于4 mm。

(3)液壓系統(tǒng)密封件安裝接口的設(shè)計。液壓系統(tǒng)中的密封件對系統(tǒng)的泄漏將造成直接的影響。因此，在液壓系統(tǒng)的設(shè)計中，一方面要注意密封件的材料和尺寸的選擇，另一方面也要注意閥體接口特征的設(shè)計。尤其是對于電磁閥和油泵而言，密封性的好壞直接影響了液壓系統(tǒng)的表現(xiàn)[2]。此案例中使用的密封件主要為O形圈、密封墊片和堵頭。為了保證密封件的工作性能，應(yīng)注意在閥體上為密封件留出合適的安裝特征。例如，在堵頭安裝處，應(yīng)注意孔徑、粗糙度和圓度的控制，對于O形圈則應(yīng)注意孔徑公差和倒角大小的控制等。

(4)閥體與液壓元件的材料選擇與匹配。液壓閥體通常采用鑄造鐵合金和鑄造鋁合金兩種材料。高溫條件下，鑄造鐵合金的熱膨脹系數(shù)遠大于鑄造鋁合金的，因此鑄造鐵合金所導(dǎo)致的液壓閥體泄漏量較大。同時，閥芯和液壓閥體盡量選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料，這樣可以減少高溫條件下的熱膨脹量差異，從而降低泄漏量。如圖3所示，鋁閥/鋁閥體組合優(yōu)于鐵閥芯/鋁閥體組合的泄漏情況。必要時，為增加耐磨性，還需要對液壓閥體/閥芯表面采用硬質(zhì)陽極氧化。

圖3 泄漏量與溫度之間的關(guān)系

在設(shè)計階段全面地考慮引起泄漏的各項因素，能夠有效地降低后續(xù)鑄造、機加工和裝配時出現(xiàn)泄漏的風(fēng)險。

2 生產(chǎn)過程控制

2.1 鑄造過程質(zhì)量控制

閥體毛坯的質(zhì)量對閥體的泄漏率有非常大的影響。毛坯的鑄造缺陷，如氣孔、縮松、裂紋等，都會導(dǎo)致閥體泄漏量增加，進而影響液壓模塊的正常工作。除了在設(shè)計時根據(jù)模流分析結(jié)果優(yōu)化毛坯結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際試模的結(jié)果對毛坯結(jié)構(gòu)進行再次優(yōu)化，同時也應(yīng)對模具的保養(yǎng)和維護過程進行控制。

文中所述的液壓閥體采用低壓鑄造[3]的工藝來鑄造閥體毛坯，獲得的毛坯如圖4所示。在前期開發(fā)過程中，液壓閥體毛坯曾經(jīng)出現(xiàn)過氣孔、裂紋等鑄造缺陷，閥體的整體合格率僅為85%。為了改善毛坯的鑄造特性，提高毛坯的整體合格率，對閥體的細節(jié)結(jié)構(gòu)進行了改進，包括將部分薄壁結(jié)構(gòu)與閥體分離單獨鑄造、優(yōu)化毛坯排氣特性、擴大澆道的面積等(見圖5)，使得閥體的整體合格率提升了8%，單件工時下降了10 min，并帶來了可觀的經(jīng)濟收益。

圖4 鑄造毛坯

圖5 閥體鑄造特性優(yōu)化示意圖

除了毛坯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之外，對模具的保養(yǎng)和維護也是保證毛坯質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。所述液壓閥體的模具如圖6所示。在試生產(chǎn)過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)毛坯裂紋的問題。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，模具上出現(xiàn)拉傷的部分工作溫度較高，鑄造過程中容易粘鋁。由于積鋁后清理不及時，毛坯在脫模過程中被嚴(yán)重拉傷，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，對積鋁清理工序進行了調(diào)整，定期對模具表面的積炭和粘鋁進行清理。改善積鋁清理工序前后閥體結(jié)構(gòu)的對比情況如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，整改后毛坯外部圓角結(jié)構(gòu)完整，大大降低了出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險。

圖6 模具結(jié)構(gòu)及拉傷部位示意圖

圖7 整改前后毛坯細節(jié)結(jié)構(gòu)改善情況示意圖

在正式生產(chǎn)過程中，為了對毛坯的孔隙率和裂紋進行控制，需要對生產(chǎn)出的毛坯進行100%的X射線探傷檢測和抽樣切片檢測。圖8為閥體的X射線探傷圖，圖9為閥體的切片斷面圖。通過對毛坯的探傷檢測和切片檢查，可以及時地發(fā)現(xiàn)毛坯中存在的氣孔和裂紋，避免缺陷毛坯流入到機加工環(huán)節(jié)中，造成浪費。

圖8 X射線探傷圖

圖9 閥體切片檢測

2.2 機械加工及檢測過程

在機加工過程中，需要對影響液壓模塊密封性能的閥體尺寸制定嚴(yán)格的控制計劃，以保證這些重要尺寸能夠滿足系統(tǒng)的密封要求。完成加工后，需要對每件閥體都進行氣密性檢測和清洗。

在閥體的氣密性檢測過程中，為了能夠同時檢測閥體的內(nèi)泄漏和外泄漏的情況，需要對閥體的各路高壓油道、低壓油道和型腔面分別進行檢測，以保證能夠全面地檢測出內(nèi)泄漏和外泄漏的情況。油道的劃分應(yīng)以實際使用時的油液流動情況作為依據(jù)，以達到模擬實際工況的目的。

在此案例中采用壓差法作為氣密性檢測的主要方法，氣密性檢測設(shè)備如圖11所示。壓差法的檢測精度較高，系統(tǒng)響應(yīng)快，適用于大批量的生產(chǎn)過程。壓差法的檢測過程可以簡單分為充氣階段、平衡階段和測量階段，其工藝參數(shù)則主要包括泄漏率、測試壓力、溫度、充氣時間、平衡時間和檢測時間等。泄漏率實際上就是工件的允許泄漏量，閥體的允許泄漏量是根據(jù)閥體在實際工作中的需求從經(jīng)濟角度考慮確定的。通常泄漏率都要參考給定的測試壓力，而測試壓力都是參照工件實際工況條件來確定的。在設(shè)計氣密性檢測方案時，若工況壓力下的泄漏率可以換算成低壓狀態(tài)下的泄漏率，則應(yīng)考慮在低壓狀態(tài)下進行檢測，以便減小氣密性設(shè)備的體積和降低設(shè)備成本。在充氣階段中，根據(jù)試驗容積的大小，設(shè)定在一定的時間內(nèi)，對測試容積進行充氣，充氣時間的長短根據(jù)測試容積和測試壓力大小來調(diào)整。平衡階段的作用是對檢測氣體在一定測試壓力下進行熱和動態(tài)的穩(wěn)定處理。由于檢驗氣體在充填階段是受壓的，致使溫度升高，而非常小的溫度變化都會在密封容積內(nèi)引起氣體壓力變化。為得到相對精確的測量結(jié)果，檢驗氣體的平衡處理尤為重要。平衡階段所需的時間與試驗溶劑、測試壓力、工件的熱性能有關(guān)。在一定的時間內(nèi)，測量試驗容積內(nèi)氣體因微泄漏而造成的壓力下降數(shù)值，通過換算判斷壓力降是否超出了允許的極限泄漏率，從而判斷工件是否合格，以達到定量檢測產(chǎn)品氣密性的目的[4-5]。液壓閥體在出廠前需進行氣密性檢測，裝配成液壓模塊后也需要進行氣密性檢測。在文中的案例中，閥體零件的氣密性測試壓力為0.6 MPa，充氣時間為20 s，平衡時間為20 s，測試時間為20 s；液壓模塊的測試壓力為0.1 MPa，充氣時間為15 s，保壓時間為25 s，測試時間為10 s，泄壓時間為5 s。圖12展示了液壓閥體裝配成液壓模塊后氣密性檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)分布。在液壓模塊和閥體的開發(fā)過程中，結(jié)合氣密性檢測數(shù)據(jù)和液壓模塊的實際使用效果來制定液壓模塊和閥體的泄漏率要求。

圖11 氣密性檢測設(shè)備

圖12 液壓模塊氣密性檢測結(jié)果分布情況

為了防止在液壓模塊的使用過程中由于毛刺、顆粒物所導(dǎo)致的液壓元件和密封件的磨損和損壞，有必要對液壓閥體的清潔度進行控制。該液壓閥體通過采用高壓清洗、超聲波清洗與人工去毛刺相結(jié)合的方式來控制清潔度；為了提高去毛刺的效率，還可適當(dāng)考慮采用磨料流動加工去毛刺的工藝。

3 總結(jié)

結(jié)合某款電驅(qū)變速箱液壓閥體的設(shè)計，介紹了液壓閥體泄漏的危害，并從設(shè)計、控制、加工等方面介紹了閥體泄漏率的控制方法以及閥體泄漏率的檢測方法。在液壓閥體的開發(fā)過程中，通過優(yōu)化毛坯結(jié)構(gòu)、模具維護、探傷檢測和氣密性檢測等過程，閥體成品的泄漏率得到了較好地控制?？傊?，閥體的泄漏率關(guān)系著液壓系統(tǒng)的工作性能，是保證電驅(qū)變速箱正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，值得工程技術(shù)人員深入研究。