差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)密封結(jié)構(gòu)常見(jiàn)故障的 分析及改進(jìn)

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(jī)構(gòu)，用于鎖死差速器，提升汽車在不良路面上的通過(guò)能力[1]。差速鎖指示燈開(kāi)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(hào)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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。開(kāi)關(guān)安裝在差速鎖氣缸蓋上，圖2為差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)安裝簡(jiǎn)圖，氣缸蓋進(jìn)氣口連接氣路。開(kāi)關(guān)初始安裝時(shí)，在復(fù)位彈簧的作用下，活塞桿將頂桿推入開(kāi)關(guān)內(nèi)部，開(kāi)關(guān)動(dòng)片與定片分離，觸點(diǎn)斷開(kāi)，差速鎖指示燈不亮，遇不良路況差速鎖開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)氣口通氣，氣壓力推動(dòng)活塞桿帶動(dòng)撥叉下移，使差速鎖工作。此時(shí)，開(kāi)關(guān)頂桿在內(nèi)部彈簧力下復(fù)位，動(dòng)片和定片觸點(diǎn)接觸，開(kāi)關(guān)接通，差速鎖指示燈亮起[3]。

圖1 差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 差速鎖開(kāi)關(guān)安裝簡(jiǎn)圖

1 問(wèn)題引入

差速鎖未開(kāi)啟時(shí)，差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)的頂桿和推桿上下擠壓橡膠膜片，橡膠膜片長(zhǎng)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(kāi)啟時(shí)，活塞桿上腔通氣，氣壓力推動(dòng)活塞桿下移的同時(shí)，氣體進(jìn)入開(kāi)關(guān)下腔，與氣缸上腔形成同一個(gè)密封腔，橡膠膜片被氣壓力推動(dòng)變形，圖4為差速鎖開(kāi)啟時(shí)，橡膠膜片的狀態(tài)。

圖3 差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)橡膠膜片安裝狀態(tài)

圖4 差速鎖開(kāi)啟時(shí)差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)橡膠膜片狀態(tài)

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

實(shí)際使用中，對(duì)大量故障件分析發(fā)現(xiàn)，差速鎖指示燈開(kāi)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(wèn)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(shí)，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(wú)法推動(dòng)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(bào)警。差速鎖指示燈常亮是指差速鎖開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，差速鎖指示燈一直閃亮[4]。泄漏量較小時(shí)，氣體在開(kāi)關(guān)上腔憋壓，開(kāi)關(guān)上腔氣壓力大于差速鎖氣缸復(fù)位彈簧的彈簧力時(shí)，差速鎖復(fù)位彈簧無(wú)法將開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)，差速鎖指示燈出現(xiàn)常亮故障，造成司機(jī)行車?yán)_。

以上兩個(gè)故障都嚴(yán)重影響車輛的正常運(yùn)行。

2 故障分析

差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)橡膠膜片在適應(yīng)復(fù)雜工況的同時(shí)，需滿足密封和大行程變形的要求，膜片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍比較復(fù)雜，圖5為差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)橡膠膜片設(shè)計(jì)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(duì)橡膠制品企業(yè)過(guò)程控制能力要求較高，硫化過(guò)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(guò)程中密封失效的主要原因有以下兩點(diǎn)。

圖5 差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)橡膠膜片設(shè)計(jì)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(yàn)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(guò)程中的小缺陷在多次疲勞動(dòng)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(jī)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(duì)開(kāi)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(yàn)證明，橡膠膜片硬度控制在HSA73～75時(shí)，橡膠膜片受氣壓力變形情況較好，開(kāi)關(guān)一次裝配合格率較高，調(diào)整橡膠膜片硬度小于HSA73時(shí)，開(kāi)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(shí)，出現(xiàn)開(kāi)關(guān)下腔通氣后開(kāi)關(guān)斷開(kāi)故障，成品報(bào)廢率突增。使用過(guò)程中橡膠膜片硬度變化是開(kāi)關(guān)發(fā)生故障的主要原因之一。

對(duì)橡膠膜片結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行多次改進(jìn)后，開(kāi)關(guān)極限壽命有所提高，由5～6萬(wàn)次提升至10萬(wàn)次。

受結(jié)構(gòu)限制，10萬(wàn)次成為差速鎖指示燈開(kāi)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(jìn)

為解決橡膠膜片引起的失效問(wèn)題，將橡膠膜片密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)成O形圈密封結(jié)構(gòu)，圖6為密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的開(kāi)關(guān)原理圖。O形圈密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，拆裝方便，單件可實(shí)現(xiàn)雙向密封，摩擦系數(shù)小，在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[6]。改進(jìn)后的差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)由O形圈Ⅰ和O形圈Ⅱ代替橡膠膜片，將開(kāi)關(guān)分割成上下兩個(gè)腔，密封可靠性更高，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖6 改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)后的差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.1 開(kāi)關(guān)承受氣壓力的能力提升

改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)后開(kāi)關(guān)下腔的受力面積為推桿下端面面積，氣體進(jìn)入開(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)通斷的影響，解決了橡膠膜片硬度超差引起的開(kāi)關(guān)被氣壓力推開(kāi)的故障。試驗(yàn)證明，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)前開(kāi)關(guān)下腔通入約1.2 MPa的氣壓時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì)被氣壓力斷開(kāi)。改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)后的開(kāi)關(guān)可承受2 MPa以上的氣壓力而不被斷開(kāi)。

3.2 氣密性能更可靠

新結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)工作時(shí)，O形圈Ⅰ選用端面靜密封，O形圈Ⅱ?yàn)檩S向動(dòng)密封，推桿動(dòng)作行程很小，兩個(gè)O形圈受力情況較好，可有效降低漏氣風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 提升開(kāi)關(guān)對(duì)工況的適應(yīng)能力

新結(jié)構(gòu)開(kāi)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(shí)，開(kāi)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(huì)造成開(kāi)關(guān)上腔憋壓時(shí)頂桿無(wú)法將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的故障，降低了開(kāi)關(guān)對(duì)氣密性能的要求，提高了開(kāi)關(guān)對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)后完成10件壽命試驗(yàn)，壽命均超過(guò)50萬(wàn)次未見(jiàn)異常。

裝車驗(yàn)證2 000臺(tái)開(kāi)關(guān)，12個(gè)月故障率為零。客戶反饋非常滿意，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)性能可達(dá)到進(jìn)口開(kāi)關(guān)水平，目前已批量供貨超過(guò)5萬(wàn)臺(tái)。

4 結(jié)論

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

（2）改進(jìn)后的差速鎖指示燈開(kāi)關(guān)裝車故障率下降，可及時(shí)準(zhǔn)確的將差速鎖工作狀態(tài)反饋給司機(jī)，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(jìn)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(duì)產(chǎn)品的成品控制及可靠性有很大的提升。