變速器用擋位開關故障分析及改進

【摘要】為了解決變速箱用擋位開關在使用中故障問題，結合擋位開關使用中的故障件，對擋位開關密封不良造成內部進油問題、作動壓力下開關通斷失效問題以及觸點燒蝕問題進行分析，進一步提高擋位開關的性能。驗證結果表明，所提出的方案可有效解決擋位開關在使用過程中存在的問題。

關鍵詞：變速器 擋位開關 故障診斷 控制策略優化

中圖分類號：U463.66" " 文獻標志碼：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

根據整車控制電路的不同，擋位開關從用途上可分為空擋開關、倒擋開關和高低擋開關。其中，空擋、倒擋開關一般安裝于變速器換擋操縱總成上，高低擋開關位于高低擋換擋氣缸上，變速器擋位開關的工作性能直接影響用戶的駕駛體驗。

為分析擋位開關在使用中出現故障的原因，本文對故障件進行拆檢，針對空擋開關密封不良、倒擋開關觸點燒蝕、高低擋開關在作動壓力環境中通斷功能不穩定等問題，分別從開關內部橡膠密封墊材料耐溫性和抗拉強度、銀接點接觸方式、作動壓力下的密封結構等方面開展性能提升，并依據實際使用工況進行模擬試驗，對改進前、后的擋位開關進行對比測試，驗證方案的有效性。

2 變速器用擋位開關工作原理

擋位開關根據結構功能可分為觸點常閉型與觸點常開型。以常閉型開關為例，開關的結構如圖1所示。

在外力作用下，按鈕組件在一定范圍內做直線運動。塑料襯套帶動動片壓縮彈簧，使動片與靜片的觸點斷開，此時，開關由常閉狀態轉換為斷開狀態。當外力消失時，彈簧恢復到原始狀態，按鈕組件與動片均復位，開關由斷開狀態轉換為閉合狀態。

變速器用擋位開關可在12～24 V直流電壓下工作，其工作電流為0.5～1.0 A。使用開關所需環境溫度為-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。空擋、倒擋開關的使用壽命可達100萬次，高低擋開關的使用壽命為40萬次。

3 主要故障模式

經售后市場對舊件復測及拆解后的反饋，對其故障模式進行分類統計，結果如表1所示。

通過開關故障模式的統計分析，開關內部進油、漏氣、憋氣及觸點燒蝕故障模式累計占比為75.94%，是造成產品失效的主要故障模式，也是本文的研究重點。

4 故障分析及性能提升

4.1 開關內部進油故障

4.1.1 故障表現

擋位開關通過橡膠密封平墊將由按鈕觸發端飛濺的油液及其他雜質隔離。經故障件拆解，開關的進油故障集中于3個方面：密封墊局部撕裂，油液從撕裂處滲入開關內部；密封墊老化變硬，喪失密封作用；內部進油開關均為空擋開關。

4.1.2 原因分析

針對密封墊局部撕裂和老化現象，進一步分析開關的設計結構及使用環境。

開關工作時，密封墊與按鈕同步運動。擋位切換時，空擋開關需同時動作，由于推動密封墊的按鈕組件為金屬件，每次觸發均伴有一定的沖擊，因此，在長期工作中，密封墊因強度不足而撕裂，最終導致開關內部進油。

現有的橡膠密封墊材料采用丁腈橡膠（Acrylonitrile-Butadiene Rubber，NBR），耐高溫可達120 ℃。由于工況復雜（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械車輛的變速器溫度高于120 ℃，進而加速了開關密封墊的老化，令其喪失密封作用。

4.1.3 改進方案

通過分析，內部進油故障原因為密封墊的抗撕裂能力不足且耐溫等級較低。由此，對密封墊進行相應改進。

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與尼龍布牢固粘合[2]。其中，尼龍布的厚度為0.16 mm，改進后的尼龍網布密封墊的結構如圖2所示。

鑒于尼龍布的織物組織為平紋，且經緯線交織點多，具有堅固、耐磨、經緯向斷裂強力大等顯著優勢，尼龍布物理機械性能如表2所示。改進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）、高強度與橡膠材料的柔性、耐疲勞性能，增強了開關的抗撕裂性能。

通過對丁腈橡膠、氟橡膠及氫化丁腈橡膠進行高低溫、耐油性能對比測試，如表3所示，最終選用耐高溫等級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，同時滿足低溫-40 ℃的環境需求，可延長開關的使用壽命。

4.1.4 試驗驗證

為驗證上述方案，本文設計了耐久性試驗，如圖3所示。

將圖3b置入高低溫箱內，試驗臺通入壓縮空氣，試驗臺動作頭往復動作，從而驅動雙H氣閥氣路切換，帶動氣缸撥叉軸伸縮動作，令開關觸發工裝推動開關，通過計數器記錄試驗次數。

進行100萬次循環測試，其中，高溫150 ℃循環20萬次，低溫-40 ℃循環20萬次，常溫循環60萬次。試驗后，改進前的3件試驗樣品中2件存在撕裂，3件全部老化變硬，改進后試驗樣品均無撕裂、老化現象，如圖4所示。

4.2 開關憋、漏氣故障

4.2.1 故障表現

憋、漏氣故障主要見于高低擋開關，換擋氣缸進行氣路切換時，氣缸撥叉軸的伸縮頂壓觸發開關工作，如圖5所示。其故障具體表現為：

a. 達到一定氣壓時，開關出現插頭部位漏氣；

b. 氣壓達到0.8 MPa時，出現誤動作（常開式開關氣壓達到0.8 MPa后，非工作條件下誤將開關接通）；

c. 通氣工作一段時間后，開關完全失效，自然放置一段時間后，恢復正常工作。

4.2.2 原因分析

4.2.2.1 觸發方式問題

高低擋開關在換擋氣缸上工作時，換擋氣缸達到最大工作氣壓為0.8 MPa，由于換擋撥叉軸的切換速度快，作用于開關按鈕的時間較短，導致開關內部的密封墊因受強大沖擊力而破損，氣體從外殼翻鉚處泄漏。

4.2.2.2 設計問題

經核算，當氣壓瞬間達到0.8 MPa時，氣壓作用在密封平墊上的力已遠大于擋位開關內部動、靜片間復位彈簧的彈性限度。因此，通氣后密封墊脹起，推動襯套使開關動、靜片接通出現誤動作。高低擋開關內部結構件尺寸如圖6所示，具體過程通過設計手冊壓力和應力單位換算表進行核算，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。

0.8 MPa氣壓施加在密封墊的力約為30.258 N，超過開關內部彈簧的彈性限度。由于開關內部的彈簧在觸點工作時接通力的范圍為26～34 N，在無觸發的情況下易出現誤動作。

4.2.2.3 工作環境因素

作動壓力下，當開關密封墊處于輕微泄漏狀態，氣體將進入圖5中的開關觸點室，積累至一定程度，在接線動片與靜片之間形成氣壓。按鈕軸向頂壓導致按鈕彈簧壓縮，開關無法達到接通位置，即通斷失效。放置一段時間使內部氣體自然泄出，開關恢復通斷功能。

4.2.3 改進措施

根據高低擋開關在作動壓力下的特點，經過反復驗算，取消開關中的密封平墊。同時，考慮到氣缸中氣源的干燥性對開關的影響，采用雙O形密封圈的密封方式，改進前、后密封結構如圖7所示。

在襯套與底座之間增加一個O形密封圈，形成動密封，防止氣體和雜質從開關進入插頭組件。在開關與底座之間增加一個O形密封圈，形成端面靜密封，防止氣體、雜質等從側向進入插頭組件[5]。

改進后可避免因密封墊破損導致的開關漏氣，防止開關通氣時，因氣壓的作用面積過大，沖擊力大引起的開關誤動作，并改善密封墊輕微破損導致氣體滲漏引起的開關憋氣現象。同時，其內部的密封圈保持密封效果，且工作時不受按鈕觸發的沖擊影響，增強了開關的耐久性。

4.2.4 試驗驗證

模擬實際工況，將開關安裝于變速器同型號的換擋氣缸上，搭建如圖3所示的試驗臺，該試驗中氣壓的控制范圍為0.7～0.8 MPa。

對改進后的開關進行3組耐久性對比試驗，結果表明，改進前的高低擋開關平均壽命為15萬次，改進后的平均壽命超過40萬次，可靠性大幅提升，效果顯著。

4.3 觸點燒蝕

4.3.1 故障表現

觸點燒蝕故障集中在倒車燈開關，主要分為觸點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

經分析確定，觸點燒蝕故障的主要原因是開關的材料和設計問題。

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

電弧形成的瞬間產生較高熱量，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，最終導致開關失效。

現有開關的動片與靜片的觸點均為平面型，理論上，只有動片和靜片上對應的兩個觸點面完全平行，才能進行面接觸。實際上，如圖9所示，由于開關結構存在誤差，兩個觸點面無法完全平行，且接觸時同心的概率極低。觸點極易發生邊緣接觸，圖9a中觸點的邊緣銀層最薄，圖9b所示的觸點銀合金層分布情況將影響觸點散熱性能，出現觸點燒蝕故障，從而降低開關壽命。

4.3.3 改進措施

開關工作時，電壓和電流達到一定值，接線片的觸點由接通到分離。此過程中，觸點間不可避免地產生強烈的電弧。因此，如何提高開關的電磨損性能，降低電弧對開關的損害是改進的關鍵，為解決觸點燒蝕故障，從以下方面進行改進提升：

a. 降低接觸電阻、增加觸點銀合金層厚度，增強觸點抗電磨損性能。將AgCdO12/Cu銀觸點的AgCdO12層由0.15 mm增加到0.30 mm。實際使用中，觸點的銀層不斷消耗，接觸電阻隨著銀層厚度減小而增大，進而加速觸點燒蝕。

b. 更改觸點接觸方式，增強接觸可靠性。將觸點的接觸方式從面-面接觸更改為點-面接觸，如圖10所示。由于靜片的觸點為平面、動片的觸點為弧面，靜片與動片相切且為點接觸，避免因裝配不同心而產生虛接現象，從而提高開關內部接觸的可靠性[2]。

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

經過綜合考慮，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）的摩擦因數與工程塑料聚砜（Polysulfone，PSU）相近，但陶瓷的相對密度和強度均優于工程塑料。陶瓷件作為絕緣材料，其耐高溫性能突出，滿足開關材料所有需求，工程塑料與陶瓷性能對比如表4所示。

4.3.4 試驗驗證

通過24 V、30 A直流電負荷試驗測試開關的工作壽命，電路如圖11所示。陶瓷襯套開關帶載的工作壽命顯著提高，改進前開關的電負載試驗壽命最高為4萬次，改進后電負載試驗壽命最高可達10萬次，試驗結果如表5所示。

4.3.5 改進效果

對改進后的故障件進行分析，如表6所示，試驗結果表明，開關漏油故障、觸點燒蝕故障現象明顯減少，未發生開關憋、漏氣故障，產品的開關密封性能、帶負載工作能力、作動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，所提出改進方案切實有效。開關的其他故障，如按鈕卡滯、插頭部位進水、通斷行程超差、襯套偏磨等故障模式相對占比提高，需持續改進。

5 結束語

本文通過分析擋位開關故障件的故障模式，制定優化方案并在實際工況下進行模擬試驗，驗證結果表明，方案切實有效。試驗中優化了密封墊設計、膠料的耐溫等級，未發現由上述原因導致的開關進油故障，先后解決了空擋開關因密封墊撕裂、老化導致的進油問題；根據工作的氣動環境特點，將密封平墊調整為O形密封圈，徹底解決了高低檔開關憋、漏氣問題；通過更改觸點接觸方式、增大觸點銀合金層厚度等，使觸點燒蝕故障明顯改善，但該問題未徹底解決，仍需進一步改進。本文方案延長了開關的使用壽命，但在實際應用中仍需結合具體工況，不斷提升開關質量，保障整車電氣系統的穩定性。

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