【摘要】為了解決變速箱用擋位開關(guān)在使用中故障問題，結(jié)合擋位開關(guān)使用中的故障件，對(duì)擋位開關(guān)密封不良造成內(nèi)部進(jìn)油問題、作動(dòng)壓力下開關(guān)通斷失效問題以及觸點(diǎn)燒蝕問題進(jìn)行分析，進(jìn)一步提高擋位開關(guān)的性能。驗(yàn)證結(jié)果表明，所提出的方案可有效解決擋位開關(guān)在使用過程中存在的問題。

關(guān)鍵詞：變速器 擋位開關(guān) 故障診斷 控制策略優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.66" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20220090

Fault Analysis and Improvement of Gearbox Gear Switch

【Abstract】In order to eliminate fault of gearbox gear switch in use， this paper， by correlating with the faulty parts in the use of gear switch， analyzed oil intake problem caused by poor sealing of gear switch， switch on-and-off failure under actuating pressure as well as contact ablation， to further improve the performance of the gear switch. The verification results show than the proposed scheme can effectively solve the problems existing in the use of the gear switch.

Key words：" Gearbox， Gear switch， Fault diagnosis， Control strategy optimization

1 前言

根據(jù)整車控制電路的不同，擋位開關(guān)從用途上可分為空擋開關(guān)、倒擋開關(guān)和高低擋開關(guān)。其中，空擋、倒擋開關(guān)一般安裝于變速器換擋操縱總成上，高低擋開關(guān)位于高低擋換擋氣缸上，變速器擋位開關(guān)的工作性能直接影響用戶的駕駛體驗(yàn)。

為分析擋位開關(guān)在使用中出現(xiàn)故障的原因，本文對(duì)故障件進(jìn)行拆檢，針對(duì)空擋開關(guān)密封不良、倒擋開關(guān)觸點(diǎn)燒蝕、高低擋開關(guān)在作動(dòng)壓力環(huán)境中通斷功能不穩(wěn)定等問題，分別從開關(guān)內(nèi)部橡膠密封墊材料耐溫性和抗拉強(qiáng)度、銀接點(diǎn)接觸方式、作動(dòng)壓力下的密封結(jié)構(gòu)等方面開展性能提升，并依據(jù)實(shí)際使用工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)改進(jìn)前、后的擋位開關(guān)進(jìn)行對(duì)比測試，驗(yàn)證方案的有效性。

2 變速器用擋位開關(guān)工作原理

擋位開關(guān)根據(jù)結(jié)構(gòu)功能可分為觸點(diǎn)常閉型與觸點(diǎn)常開型。以常閉型開關(guān)為例，開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在外力作用下，按鈕組件在一定范圍內(nèi)做直線運(yùn)動(dòng)。塑料襯套帶動(dòng)動(dòng)片壓縮彈簧，使動(dòng)片與靜片的觸點(diǎn)斷開，此時(shí)，開關(guān)由常閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)。當(dāng)外力消失時(shí)，彈簧恢復(fù)到原始狀態(tài)，按鈕組件與動(dòng)片均復(fù)位，開關(guān)由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)。

變速器用擋位開關(guān)可在12～24 V直流電壓下工作，其工作電流為0.5～1.0 A。使用開關(guān)所需環(huán)境溫度為-40～150 ℃，空擋、倒擋的氣壓范圍均低于0.2 MPa，高低擋的氣壓范圍為0.7～0.8 MPa?？論酢⒌箵蹰_關(guān)的使用壽命可達(dá)100萬次，高低擋開關(guān)的使用壽命為40萬次。

3 主要故障模式

經(jīng)售后市場對(duì)舊件復(fù)測及拆解后的反饋，對(duì)其故障模式進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

通過開關(guān)故障模式的統(tǒng)計(jì)分析，開關(guān)內(nèi)部進(jìn)油、漏氣、憋氣及觸點(diǎn)燒蝕故障模式累計(jì)占比為75.94%，是造成產(chǎn)品失效的主要故障模式，也是本文的研究重點(diǎn)。

4 故障分析及性能提升

4.1 開關(guān)內(nèi)部進(jìn)油故障

4.1.1 故障表現(xiàn)

擋位開關(guān)通過橡膠密封平墊將由按鈕觸發(fā)端飛濺的油液及其他雜質(zhì)隔離。經(jīng)故障件拆解，開關(guān)的進(jìn)油故障集中于3個(gè)方面：密封墊局部撕裂，油液從撕裂處滲入開關(guān)內(nèi)部；密封墊老化變硬，喪失密封作用；內(nèi)部進(jìn)油開關(guān)均為空擋開關(guān)。

4.1.2 原因分析

針對(duì)密封墊局部撕裂和老化現(xiàn)象，進(jìn)一步分析開關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境。

開關(guān)工作時(shí)，密封墊與按鈕同步運(yùn)動(dòng)。擋位切換時(shí)，空擋開關(guān)需同時(shí)動(dòng)作，由于推動(dòng)密封墊的按鈕組件為金屬件，每次觸發(fā)均伴有一定的沖擊，因此，在長期工作中，密封墊因強(qiáng)度不足而撕裂，最終導(dǎo)致開關(guān)內(nèi)部進(jìn)油。

現(xiàn)有的橡膠密封墊材料采用丁腈橡膠（Acrylonitrile-Butadiene Rubber，NBR），耐高溫可達(dá)120 ℃。由于工況復(fù)雜（如長上坡、長下坡的低速擋行駛致變速器傾斜、局部缺油等），重型載貨汽車及工程機(jī)械車輛的變速器溫度高于120 ℃，進(jìn)而加速了開關(guān)密封墊的老化，令其喪失密封作用。

4.1.3 改進(jìn)方案

通過分析，內(nèi)部進(jìn)油故障原因?yàn)槊芊鈮|的抗撕裂能力不足且耐溫等級(jí)較低。由此，對(duì)密封墊進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

在密封墊上增加尼龍布貼片夾層，提高其抗撕裂性能[1]。該夾層為單層錦絲綢紡織物（錦綸絲材料為尼龍，通常稱為尼龍布），將氫化丁腈橡膠熱硫化的同時(shí)與尼龍布牢固粘合[2]。其中，尼龍布的厚度為0.16 mm，改進(jìn)后的尼龍網(wǎng)布密封墊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

鑒于尼龍布的織物組織為平紋，且經(jīng)緯線交織點(diǎn)多，具有堅(jiān)固、耐磨、經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力大等顯著優(yōu)勢(shì)，尼龍布物理機(jī)械性能如表2所示。改進(jìn)后的橡膠密封墊兼具尼龍織物的高模量（橡膠的彈性模量為8.75×10-3 GPa，尼龍布的彈性模量為20 GPa，尼龍布增加了密封墊的整體彈性模量）、高強(qiáng)度與橡膠材料的柔性、耐疲勞性能，增強(qiáng)了開關(guān)的抗撕裂性能。

通過對(duì)丁腈橡膠、氟橡膠及氫化丁腈橡膠進(jìn)行高低溫、耐油性能對(duì)比測試，如表3所示，最終選用耐高溫等級(jí)更高的氫化丁腈橡膠[4]提升密封墊的抗老化性能。該材料允許在150 ℃高溫下長期工作，同時(shí)滿足低溫-40 ℃的環(huán)境需求，可延長開關(guān)的使用壽命。

4.1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述方案，本文設(shè)計(jì)了耐久性試驗(yàn)，如圖3所示。

將圖3b置入高低溫箱內(nèi)，試驗(yàn)臺(tái)通入壓縮空氣，試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)作頭往復(fù)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)雙H氣閥氣路切換，帶動(dòng)氣缸撥叉軸伸縮動(dòng)作，令開關(guān)觸發(fā)工裝推動(dòng)開關(guān)，通過計(jì)數(shù)器記錄試驗(yàn)次數(shù)。

進(jìn)行100萬次循環(huán)測試，其中，高溫150 ℃循環(huán)20萬次，低溫-40 ℃循環(huán)20萬次，常溫循環(huán)60萬次。試驗(yàn)后，改進(jìn)前的3件試驗(yàn)樣品中2件存在撕裂，3件全部老化變硬，改進(jìn)后試驗(yàn)樣品均無撕裂、老化現(xiàn)象，如圖4所示。

4.2 開關(guān)憋、漏氣故障

4.2.1 故障表現(xiàn)

憋、漏氣故障主要見于高低擋開關(guān)，換擋氣缸進(jìn)行氣路切換時(shí)，氣缸撥叉軸的伸縮頂壓觸發(fā)開關(guān)工作，如圖5所示。其故障具體表現(xiàn)為：

a. 達(dá)到一定氣壓時(shí)，開關(guān)出現(xiàn)插頭部位漏氣；

b. 氣壓達(dá)到0.8 MPa時(shí)，出現(xiàn)誤動(dòng)作（常開式開關(guān)氣壓達(dá)到0.8 MPa后，非工作條件下誤將開關(guān)接通）；

c. 通氣工作一段時(shí)間后，開關(guān)完全失效，自然放置一段時(shí)間后，恢復(fù)正常工作。

4.2.2 原因分析

4.2.2.1 觸發(fā)方式問題

高低擋開關(guān)在換擋氣缸上工作時(shí)，換擋氣缸達(dá)到最大工作氣壓為0.8 MPa，由于換擋撥叉軸的切換速度快，作用于開關(guān)按鈕的時(shí)間較短，導(dǎo)致開關(guān)內(nèi)部的密封墊因受強(qiáng)大沖擊力而破損，氣體從外殼翻鉚處泄漏。

4.2.2.2 設(shè)計(jì)問題

經(jīng)核算，當(dāng)氣壓瞬間達(dá)到0.8 MPa時(shí)，氣壓作用在密封平墊上的力已遠(yuǎn)大于擋位開關(guān)內(nèi)部動(dòng)、靜片間復(fù)位彈簧的彈性限度。因此，通氣后密封墊脹起，推動(dòng)襯套使開關(guān)動(dòng)、靜片接通出現(xiàn)誤動(dòng)作。高低擋開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件尺寸如圖6所示，具體過程通過設(shè)計(jì)手冊(cè)壓力和應(yīng)力單位換算表進(jìn)行核算，作用于密封墊的力F為：

F=PS" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

其中，S為密封墊所受氣壓的最大面積：

S= （d2/4 × π）" " " " " " " " " " " " " " （2）

式中，d為氣壓作用的直徑；P為壓強(qiáng)。

0.8 MPa氣壓施加在密封墊的力約為30.258 N，超過開關(guān)內(nèi)部彈簧的彈性限度。由于開關(guān)內(nèi)部的彈簧在觸點(diǎn)工作時(shí)接通力的范圍為26～34 N，在無觸發(fā)的情況下易出現(xiàn)誤動(dòng)作。

4.2.2.3 工作環(huán)境因素

作動(dòng)壓力下，當(dāng)開關(guān)密封墊處于輕微泄漏狀態(tài)，氣體將進(jìn)入圖5中的開關(guān)觸點(diǎn)室，積累至一定程度，在接線動(dòng)片與靜片之間形成氣壓。按鈕軸向頂壓導(dǎo)致按鈕彈簧壓縮，開關(guān)無法達(dá)到接通位置，即通斷失效。放置一段時(shí)間使內(nèi)部氣體自然泄出，開關(guān)恢復(fù)通斷功能。

4.2.3 改進(jìn)措施

根據(jù)高低擋開關(guān)在作動(dòng)壓力下的特點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)算，取消開關(guān)中的密封平墊。同時(shí)，考慮到氣缸中氣源的干燥性對(duì)開關(guān)的影響，采用雙O形密封圈的密封方式，改進(jìn)前、后密封結(jié)構(gòu)如圖7所示。

在襯套與底座之間增加一個(gè)O形密封圈，形成動(dòng)密封，防止氣體和雜質(zhì)從開關(guān)進(jìn)入插頭組件。在開關(guān)與底座之間增加一個(gè)O形密封圈，形成端面靜密封，防止氣體、雜質(zhì)等從側(cè)向進(jìn)入插頭組件[5]。

改進(jìn)后可避免因密封墊破損導(dǎo)致的開關(guān)漏氣，防止開關(guān)通氣時(shí)，因氣壓的作用面積過大，沖擊力大引起的開關(guān)誤動(dòng)作，并改善密封墊輕微破損導(dǎo)致氣體滲漏引起的開關(guān)憋氣現(xiàn)象。同時(shí)，其內(nèi)部的密封圈保持密封效果，且工作時(shí)不受按鈕觸發(fā)的沖擊影響，增強(qiáng)了開關(guān)的耐久性。

4.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

模擬實(shí)際工況，將開關(guān)安裝于變速器同型號(hào)的換擋氣缸上，搭建如圖3所示的試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)中氣壓的控制范圍為0.7～0.8 MPa。

對(duì)改進(jìn)后的開關(guān)進(jìn)行3組耐久性對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)前的高低擋開關(guān)平均壽命為15萬次，改進(jìn)后的平均壽命超過40萬次，可靠性大幅提升，效果顯著。

4.3 觸點(diǎn)燒蝕

4.3.1 故障表現(xiàn)

觸點(diǎn)燒蝕故障集中在倒車燈開關(guān)，主要分為觸點(diǎn)表面熔焊和接線片連接的襯套（工程塑料件）受熱熔化。

4.3.2 原因分析

經(jīng)分析確定，觸點(diǎn)燒蝕故障的主要原因是開關(guān)的材料和設(shè)計(jì)問題。

觸點(diǎn)是在銅（Cu）基體上貼銀氧化鉻層（AgCdO12）制成的，故牌號(hào)為AgCdO12/Cu，其作用是當(dāng)開關(guān)觸點(diǎn)帶載時(shí)，在電弧的作用下，溫度提高，觸點(diǎn)銀層中AgCdO12劇烈分散、蒸發(fā)，而觸點(diǎn)表面冷卻時(shí)，電弧能量降低，從而改善滅弧性能[6]。因此，觸點(diǎn)銀層不斷消耗，較薄的銀層將影響觸頭散熱性能，進(jìn)而令觸點(diǎn)過熱熔焊。

電弧形成的瞬間產(chǎn)生較高熱量，由于金屬接線片與襯套直接接觸，如圖8所示，而襯套由于耐熱性較弱極易熔化受損，最終導(dǎo)致開關(guān)失效。

現(xiàn)有開關(guān)的動(dòng)片與靜片的觸點(diǎn)均為平面型，理論上，只有動(dòng)片和靜片上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)觸點(diǎn)面完全平行，才能進(jìn)行面接觸。實(shí)際上，如圖9所示，由于開關(guān)結(jié)構(gòu)存在誤差，兩個(gè)觸點(diǎn)面無法完全平行，且接觸時(shí)同心的概率極低。觸點(diǎn)極易發(fā)生邊緣接觸，圖9a中觸點(diǎn)的邊緣銀層最薄，圖9b所示的觸點(diǎn)銀合金層分布情況將影響觸點(diǎn)散熱性能，出現(xiàn)觸點(diǎn)燒蝕故障，從而降低開關(guān)壽命。

4.3.3 改進(jìn)措施

開關(guān)工作時(shí)，電壓和電流達(dá)到一定值，接線片的觸點(diǎn)由接通到分離。此過程中，觸點(diǎn)間不可避免地產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧。因此，如何提高開關(guān)的電磨損性能，降低電弧對(duì)開關(guān)的損害是改進(jìn)的關(guān)鍵，為解決觸點(diǎn)燒蝕故障，從以下方面進(jìn)行改進(jìn)提升：

a. 降低接觸電阻、增加觸點(diǎn)銀合金層厚度，增強(qiáng)觸點(diǎn)抗電磨損性能。將AgCdO12/Cu銀觸點(diǎn)的AgCdO12層由0.15 mm增加到0.30 mm。實(shí)際使用中，觸點(diǎn)的銀層不斷消耗，接觸電阻隨著銀層厚度減小而增大，進(jìn)而加速觸點(diǎn)燒蝕。

b. 更改觸點(diǎn)接觸方式，增強(qiáng)接觸可靠性。將觸點(diǎn)的接觸方式從面-面接觸更改為點(diǎn)-面接觸，如圖10所示。由于靜片的觸點(diǎn)為平面、動(dòng)片的觸點(diǎn)為弧面，靜片與動(dòng)片相切且為點(diǎn)接觸，避免因裝配不同心而產(chǎn)生虛接現(xiàn)象，從而提高開關(guān)內(nèi)部接觸的可靠性[2]。

c. 提升與觸點(diǎn)接觸的絕緣材料的耐溫等級(jí)，延長開關(guān)的工作壽命。由于與靜片接觸的襯套（工程塑料件）極易受高溫熔化，導(dǎo)致開關(guān)通斷功能喪失。經(jīng)過測試驗(yàn)證，單純的動(dòng)靜片的觸點(diǎn)燒熔，除接觸電阻增加外，并未影響開關(guān)正常工作。因此，保證與開關(guān)接線片接觸的襯套（絕緣件）不被燒損或提高襯套的耐溫等級(jí)是延長開關(guān)工作壽命的有效方案。

經(jīng)過綜合考慮，襯套材料使用耐高溫性能更好的陶瓷件理論上耐高溫1 400 ℃，陶瓷（Al2O3）的摩擦因數(shù)與工程塑料聚砜（Polysulfone，PSU）相近，但陶瓷的相對(duì)密度和強(qiáng)度均優(yōu)于工程塑料。陶瓷件作為絕緣材料，其耐高溫性能突出，滿足開關(guān)材料所有需求，工程塑料與陶瓷性能對(duì)比如表4所示。

4.3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過24 V、30 A直流電負(fù)荷試驗(yàn)測試開關(guān)的工作壽命，電路如圖11所示。陶瓷襯套開關(guān)帶載的工作壽命顯著提高，改進(jìn)前開關(guān)的電負(fù)載試驗(yàn)壽命最高為4萬次，改進(jìn)后電負(fù)載試驗(yàn)壽命最高可達(dá)10萬次，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

4.3.5 改進(jìn)效果

對(duì)改進(jìn)后的故障件進(jìn)行分析，如表6所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，開關(guān)漏油故障、觸點(diǎn)燒蝕故障現(xiàn)象明顯減少，未發(fā)生開關(guān)憋、漏氣故障，產(chǎn)品的開關(guān)密封性能、帶負(fù)載工作能力、作動(dòng)壓力下的耐久性能均大幅提升，占比較高的故障通過提升工藝后明顯改善，所提出改進(jìn)方案切實(shí)有效。開關(guān)的其他故障，如按鈕卡滯、插頭部位進(jìn)水、通斷行程超差、襯套偏磨等故障模式相對(duì)占比提高，需持續(xù)改進(jìn)。

5 結(jié)束語

本文通過分析擋位開關(guān)故障件的故障模式，制定優(yōu)化方案并在實(shí)際工況下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明，方案切實(shí)有效。試驗(yàn)中優(yōu)化了密封墊設(shè)計(jì)、膠料的耐溫等級(jí)，未發(fā)現(xiàn)由上述原因?qū)е碌拈_關(guān)進(jìn)油故障，先后解決了空擋開關(guān)因密封墊撕裂、老化導(dǎo)致的進(jìn)油問題；根據(jù)工作的氣動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)，將密封平墊調(diào)整為O形密封圈，徹底解決了高低檔開關(guān)憋、漏氣問題；通過更改觸點(diǎn)接觸方式、增大觸點(diǎn)銀合金層厚度等，使觸點(diǎn)燒蝕故障明顯改善，但該問題未徹底解決，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。本文方案延長了開關(guān)的使用壽命，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需結(jié)合具體工況，不斷提升開關(guān)質(zhì)量，保障整車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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