變速器氣閥類產(chǎn)品低溫壽命試驗(yàn)的改進(jìn)

宋媛媛，賈永琦

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

前言

目前市場上越來越多的重型載貨車選用主副變速器結(jié)構(gòu)的變速器來組成整車的動力系統(tǒng)。在這種變速器結(jié)構(gòu)中，主變速器通過換擋桿進(jìn)行機(jī)械式換擋，副變速器通過氣路進(jìn)行高、低擋切換，使主箱擋位數(shù)量翻倍。這種變速器的優(yōu)點(diǎn)是增加了汽車的檔位，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛平順性，節(jié)約成本。

由于此類變速器副箱需要?dú)饴废到y(tǒng)完成副箱高低擋位置的切換，因此氣路系統(tǒng)的可靠性直接影響變速箱甚至整車的性能。通過用戶調(diào)研及試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)環(huán)境下氣路系統(tǒng)均可正常工作，但遇到低溫環(huán)境，氣路系統(tǒng)的表現(xiàn)則不盡如人意。例如，在我國東北、西北等寒區(qū)，冬季室外溫度在零下二十幾度的情況非常普遍，尤其是夜間。在此環(huán)境下靜置了一晚的汽車重新啟動時，變速箱氣路系統(tǒng)均會出現(xiàn)不同程度的漏氣、卡滯現(xiàn)象，導(dǎo)致整車氣壓不足、起步困難，成為冬季整車故障模式的高發(fā)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計，我國東北冬季氣閥故障率相比夏季增加至少70%，因此研究并解決氣動元件低溫故障顯得尤為重要。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了分析研究該問題，我們在實(shí)驗(yàn)室對整車變速箱氣路部分的氣動元件進(jìn)行了大量的低溫試驗(yàn)。低溫（-40℃）試驗(yàn)方法為將需要進(jìn)行低溫測試的被試件（以氣路控制閥為例）放入高低溫箱中，整個實(shí)驗(yàn)氣路的其余部分放置在高低溫箱外進(jìn)行測試，通過驅(qū)動氣缸壓縮氣路控制閥的頂桿及撥動預(yù)選閥的撥頭實(shí)現(xiàn)氣路的切換，各氣路元件動作的時序靠時間繼電器控制。然而每進(jìn)行2000～3000次循環(huán)，試驗(yàn)氣路總會出現(xiàn)如下故障模式：氣路嚴(yán)重漏氣、氣路控制閥頂桿及驅(qū)動氣缸卡滯直至停止。

1.1 漏氣原因分析

針對漏氣這種故障，試驗(yàn)人員在低溫下打開試驗(yàn)箱進(jìn)行逐一排查，分析原因如下：

（1）快插接頭漏氣；低溫下，由于快插氣管變形變硬，導(dǎo)致密封不良。分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)用快插接頭、氣管均無法滿足低溫-40℃的試驗(yàn)條件，因此選用耐低溫性較好的成型氣管接頭（與整車氣路一致），消除由于接頭漏氣對試驗(yàn)造成的影響。

（2）氣閥漏氣；目前絕大多數(shù)氣閥內(nèi)部密封圈均采用氟橡膠，但氟橡膠在-20℃左右就失去了橡膠的高彈性，它在動態(tài)下的使用溫度極限為-29℃，在-32℃左右就變硬發(fā)脆。

解決方案：氣閥內(nèi)密封圈材質(zhì)選用耐低溫性能更好的氫化丁腈橡膠，氫化丁腈橡膠（HNBR）是由丁腈橡膠(NBR)經(jīng)催化加氫而制得的新型彈性體，加氫反應(yīng)使得HNBR大分子主鏈上的不飽和雙鍵數(shù)量大幅減少，從而賦予其優(yōu)異的耐熱性、耐候性。不同橡膠材質(zhì)的主要特點(diǎn)及使用溫度見下表：

表1 不同橡膠材質(zhì)的主要特點(diǎn)及使用溫度

1.2 卡滯原因分析

更換密封圈材料后發(fā)現(xiàn)漏氣問題解決，但卡滯問題依舊存在。起初認(rèn)為卡滯是由于氣閥內(nèi)部O型圈、閥芯及頂桿磨損造成的，但拆解低溫下卡滯的樣品并未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有異常磨損存在，并且恢復(fù)至常溫后卡滯現(xiàn)象消失。多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)卡滯是低溫下特有的故障現(xiàn)象，通過低溫狀態(tài)下對整個氣路進(jìn)行大量的拆解和檢查，發(fā)現(xiàn)低溫箱內(nèi)的氣路及氣動元件普遍含有較多水分，有些氣路的進(jìn)氣氣管甚至結(jié)冰堵死。而試驗(yàn)氣路的氣源是經(jīng)過空氣干燥機(jī)處理過的常溫下干燥的壓縮空氣，分析原因?yàn)槌叵碌膲嚎s空氣沿著氣路進(jìn)入高低溫箱內(nèi)，遇冷發(fā)生冷凝，冷凝過程會析出水分，附著在氣管內(nèi)壁及樣品內(nèi)部，在低溫下迅速結(jié)冰，成為低溫下閥體內(nèi)部閥桿及頂桿的運(yùn)動障礙。氣路的緩慢切換導(dǎo)致閥體內(nèi)部凝結(jié)的水分越來越多，結(jié)冰越來越嚴(yán)重直至閥體完全無法動作，整車啟動失敗。另外，冷凝水附著在氣管內(nèi)壁很容易引起氣管堵塞，樣品進(jìn)氣壓力不足導(dǎo)致樣品在低溫下無法正常動作，低溫壽命試驗(yàn)很難繼續(xù)進(jìn)行。

試驗(yàn)室內(nèi)解決方案：

（1）將全部氣路放置在低溫環(huán)境中，減少了氣路本身的冷熱交換；

（2）將低溫箱內(nèi)所有氣閥的排氣口通過氣管引出至高低溫箱外，防止高低溫箱內(nèi)大量的低溫廢氣和外界空氣發(fā)生交換，導(dǎo)致高低溫箱內(nèi)結(jié)冰嚴(yán)重；

（3）在試驗(yàn)氣路前高低溫箱內(nèi)增加兩個儲氣罐，常溫壓縮空氣進(jìn)入高低溫箱 后先進(jìn)入儲氣罐，析出的水分首先凝結(jié)在儲氣罐內(nèi)壁上，使通過試驗(yàn)樣品的壓縮空氣相對干燥，減少冷凝水吸附在樣品上的概率，通過定期清除儲氣罐中的冰來防止氣路結(jié)冰嚴(yán)重導(dǎo)致堵塞，延長低溫試驗(yàn)的連續(xù)工作時間。

（4）將原驅(qū)動氣缸的氟橡膠 O型密封圈改為一對丁腈橡膠Y型密封圈。丁腈橡膠的耐低溫性能比氟橡膠的耐低溫性能更好，帶支撐環(huán)的雙側(cè)密封圈密封效果更好，密封斷面尺寸大，不容易引起變形失效。定期維護(hù)保養(yǎng)驅(qū)動氣缸內(nèi)部的密封圈，防止在低溫下潤滑脂失效造成驅(qū)動氣缸卡滯。

通過以上改進(jìn)措施，樣品在低溫下連續(xù)動作的次數(shù)由2000～3000次延長到了6000～8000次，低溫試驗(yàn)效率的顯著提高證實(shí)了以上分析的正確性，為研究低溫下氣閥的工作壽命找到了突破口。

為了更加徹底的除掉低溫下壓縮空氣中的水分，實(shí)驗(yàn)室配備了一臺低溫專用的無熱再生吸附式干燥器，干燥器通過變壓吸附原理來達(dá)到干燥效果。由于空氣容納水汽的能力與壓力成反比，其干燥后的一部分空氣減壓膨脹至大氣壓，這種壓力變化使膨脹空氣變得更干燥呢，然后讓它流過需再生的干燥劑層，干燥的再生氣吸出干燥劑里的水分，將其帶出干燥器來達(dá)到脫濕的目的。采用雙塔交替吸附的工作方式連續(xù)不斷的輸出干燥壓縮空氣。成品氣露點(diǎn)可達(dá)到-70℃，可徹底除掉-40℃低溫下壓縮空氣中的水分，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，增加此干燥器后無需以上改進(jìn)措施1、2、3條就能保證氣路連續(xù)切換 5萬次氣路無由于結(jié)冰造成的卡滯或進(jìn)氣氣管堵死現(xiàn)象，能更直觀的測試低溫條件對氣閥樣品密封圈、潤滑脂的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)論

通過以上試驗(yàn)改進(jìn)可以得出：低溫狀態(tài)下氣閥失效的主要原因歸結(jié)為密封圈失效和試驗(yàn)氣路中有冷凝水存在兩個方面。密封圈失效可以通過改用耐低溫效果更好的氫化丁腈橡膠材質(zhì)來解決，試驗(yàn)氣路中有冷凝水的實(shí)驗(yàn)室解決方案是增加冷凝器，徹底去除低溫下氣路中的冷凝水；用戶解決方案是定期保養(yǎng)整車過濾系統(tǒng)、定期更換整車干燥罐，保持整車氣路盡可能干燥和清潔。

大部分氣閥產(chǎn)品在低溫下泄漏的現(xiàn)象在恢復(fù)至常溫后都是會消除的，這是由于隨著溫度的升高閥體內(nèi)部的O型圈恢復(fù)彈性，重新保持密封狀態(tài)，壓縮空氣也會由于溫度的升高而重新變得干燥。但如果多次在低溫下強(qiáng)行換擋，變硬變脆的O型圈在往復(fù)運(yùn)動的過程中很容易受到閥體內(nèi)部結(jié)冰和其他雜質(zhì)的劃傷和損壞，造成不可恢復(fù)的泄漏故障。因此建議用戶在低溫環(huán)境下如果遇到由于氣閥卡滯而造成的換擋困難等故障，注意不要連續(xù)強(qiáng)行換擋，以免造成不必要的損失。