差速鎖指示燈開關(guān)密封結(jié)構(gòu)常見故障的 分析及改進

董 娟，李 峰

（西安航天遠(yuǎn)征流體控制股份有限公司，陜西 西安 710100）

前言

差速鎖是一種鎖止機構(gòu)，用于鎖死差速器，提升汽車在不良路面上的通過能力[1]。差速鎖指示燈開關(guān)用于控制差速鎖指示燈的亮滅，將差速鎖當(dāng)前所處狀態(tài)的信號輸出到駕駛室，使駕駛員清楚當(dāng)前差速鎖的工作狀態(tài)[2]。

圖1為差速鎖指示燈開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖。開關(guān)安裝在差速鎖氣缸蓋上，圖2為差速鎖指示燈開關(guān)安裝簡圖，氣缸蓋進氣口連接氣路。開關(guān)初始安裝時，在復(fù)位彈簧的作用下，活塞桿將頂桿推入開關(guān)內(nèi)部，開關(guān)動片與定片分離，觸點斷開，差速鎖指示燈不亮，遇不良路況差速鎖開啟時，進氣口通氣，氣壓力推動活塞桿帶動撥叉下移，使差速鎖工作。此時，開關(guān)頂桿在內(nèi)部彈簧力下復(fù)位，動片和定片觸點接觸，開關(guān)接通，差速鎖指示燈亮起[3]。

圖1 差速鎖指示燈開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 差速鎖開關(guān)安裝簡圖

1 問題引入

差速鎖未開啟時，差速鎖指示燈開關(guān)的頂桿和推桿上下擠壓橡膠膜片，橡膠膜片長期處于壓縮變形狀態(tài)，圖3為橡膠膜片安裝狀態(tài)。差速鎖開啟時，活塞桿上腔通氣，氣壓力推動活塞桿下移的同時，氣體進入開關(guān)下腔，與氣缸上腔形成同一個密封腔，橡膠膜片被氣壓力推動變形，圖4為差速鎖開啟時，橡膠膜片的狀態(tài)。

圖3 差速鎖指示燈開關(guān)橡膠膜片安裝狀態(tài)

圖4 差速鎖開啟時差速鎖指示燈開關(guān)橡膠膜片狀態(tài)

差速鎖功能開啟與否，橡膠膜片都會受較大的變形力，從理論分析來看，橡膠膜片是影響差速鎖指示燈開關(guān)功能和壽命的關(guān)鍵零件。

實際使用中，對大量故障件分析發(fā)現(xiàn)，差速鎖指示燈開關(guān)失效的主要原因是橡膠膜片密封失效，約占故障件的80%以上，表現(xiàn)為橡膠膜片老化、破裂等問題，與理論分析結(jié)果一致。

橡膠膜片密封失效主要表現(xiàn)為以下故障：

（1）差速鎖功能失效。泄漏量較大時，差速鎖氣缸上腔壓力不足，氣壓力不能克服復(fù)位彈簧彈力，無法推動活塞桿下移，差速鎖功能失效，車輛難以脫困。

（2）差速鎖指示燈常亮報警。差速鎖指示燈常亮是指差速鎖開啟或關(guān)閉時，差速鎖指示燈一直閃亮[4]。泄漏量較小時，氣體在開關(guān)上腔憋壓，開關(guān)上腔氣壓力大于差速鎖氣缸復(fù)位彈簧的彈簧力時，差速鎖復(fù)位彈簧無法將開關(guān)觸點斷開，差速鎖指示燈出現(xiàn)常亮故障，造成司機行車?yán)_。

以上兩個故障都嚴(yán)重影響車輛的正常運行。

2 故障分析

差速鎖指示燈開關(guān)橡膠膜片在適應(yīng)復(fù)雜工況的同時，需滿足密封和大行程變形的要求，膜片的結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍比較復(fù)雜，圖5為差速鎖指示燈開關(guān)橡膠膜片設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定橡膠膜片的加工工藝性較差，橡膠硫化工序是影響橡膠膜片質(zhì)量的關(guān)鍵工序，對橡膠制品企業(yè)過程控制能力要求較高，硫化過程控制不到位易造成橡膠膜片存在一些難以檢出的缺陷。在使用過程中密封失效的主要原因有以下兩點。

圖5 差速鎖指示燈開關(guān)橡膠膜片設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.1 生產(chǎn)加工缺陷

橡膠膜片屬于非標(biāo)橡膠制品，外觀、尺寸及硬度等性能批量檢驗難度大、成本高，難以保證批量產(chǎn)品的一致性，橡膠膜片加工過程中的小缺陷在多次疲勞動作后缺陷放大引起膜片密封失效。

2.2 老化變形

重型卡車多用于工程機械，使用環(huán)境惡劣，且車輛內(nèi)部氣路情況較差，水汽、油污對開關(guān)橡膠膜片的壽命有很大影響， 硬度變化是橡膠老化的一種表現(xiàn)[5]。試驗證明，橡膠膜片硬度控制在HSA73～75時，橡膠膜片受氣壓力變形情況較好，開關(guān)一次裝配合格率較高，調(diào)整橡膠膜片硬度小于HSA73時，開關(guān)一次裝配合格率上升，但壽命降低；橡膠膜片硬度高于HSA75時，出現(xiàn)開關(guān)下腔通氣后開關(guān)斷開故障，成品報廢率突增。使用過程中橡膠膜片硬度變化是開關(guān)發(fā)生故障的主要原因之一。

對橡膠膜片結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進行多次改進后，開關(guān)極限壽命有所提高，由5～6萬次提升至10萬次。

受結(jié)構(gòu)限制，10萬次成為差速鎖指示燈開關(guān)不可逾越的極限壽命，遠(yuǎn)不能滿足車輛的使用要求。

3 結(jié)構(gòu)改進

為解決橡膠膜片引起的失效問題，將橡膠膜片密封結(jié)構(gòu)改進成O形圈密封結(jié)構(gòu)，圖6為密封結(jié)構(gòu)改進后的開關(guān)原理圖。O形圈密封結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，拆裝方便，單件可實現(xiàn)雙向密封，摩擦系數(shù)小，在機械設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用[6]。改進后的差速鎖指示燈開關(guān)由O形圈Ⅰ和O形圈Ⅱ代替橡膠膜片，將開關(guān)分割成上下兩個腔，密封可靠性更高，改進后的結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

圖6 改進密封結(jié)構(gòu)后的差速鎖指示燈開關(guān)結(jié)構(gòu)簡圖

3.1 開關(guān)承受氣壓力的能力提升

改進密封結(jié)構(gòu)后開關(guān)下腔的受力面積為推桿下端面面積，氣體進入開關(guān)下腔后，推桿下端面積小于橡膠膜片受力面積，可有效改善氣壓力對開關(guān)通斷的影響，解決了橡膠膜片硬度超差引起的開關(guān)被氣壓力推開的故障。試驗證明，改進密封結(jié)構(gòu)前開關(guān)下腔通入約1.2 MPa的氣壓時，開關(guān)會被氣壓力斷開。改進密封結(jié)構(gòu)后的開關(guān)可承受2 MPa以上的氣壓力而不被斷開。

3.2 氣密性能更可靠

新結(jié)構(gòu)開關(guān)工作時，O形圈Ⅰ選用端面靜密封，O形圈Ⅱ為軸向動密封，推桿動作行程很小，兩個O形圈受力情況較好，可有效降低漏氣風(fēng)險。

3.3 提升開關(guān)對工況的適應(yīng)能力

新結(jié)構(gòu)開關(guān)上下腔受壓面積均為推桿下端面的面積，O形圈微漏時，開關(guān)上腔憋壓，上腔氣體的受力面積大幅減小，氣壓力遠(yuǎn)小于差速鎖氣缸復(fù)位彈簧的彈簧力，不會造成開關(guān)上腔憋壓時頂桿無法將開關(guān)斷開的故障，降低了開關(guān)對氣密性能的要求，提高了開關(guān)對工況的適應(yīng)能力。

3.4 降低生產(chǎn)成本

標(biāo)準(zhǔn)O形圈，加工成本低廉，工藝成熟，殘次品率低，開關(guān)一次裝配合格率和售后質(zhì)量均有提升，產(chǎn)品生產(chǎn)成本及索賠均大幅降低。

差速鎖開關(guān)改進密封結(jié)構(gòu)后完成10件壽命試驗，壽命均超過50萬次未見異常。

裝車驗證2 000臺開關(guān)，12個月故障率為零?？蛻舴答伔浅M意，改進結(jié)構(gòu)后的差速鎖指示燈開關(guān)性能可達(dá)到進口開關(guān)水平，目前已批量供貨超過5萬臺。

4 結(jié)論

（1）改進后的差速鎖指示燈開關(guān)，對工況的適應(yīng)能力更高，在相同工況下對產(chǎn)品的密封性要求降低，壽命大幅提升。

（2）改進后的差速鎖指示燈開關(guān)裝車故障率下降，可及時準(zhǔn)確的將差速鎖工作狀態(tài)反饋給司機，提升駕車安全性，降低產(chǎn)品質(zhì)量索賠。

（3）O形圈在各行業(yè)大批量使用，加工方便、產(chǎn)品質(zhì)量一致性高。此次結(jié)構(gòu)改進選用標(biāo)準(zhǔn)O形圈，標(biāo)準(zhǔn)件的使用更適合大批量的生產(chǎn)，對產(chǎn)品的成品控制及可靠性有很大的提升。