變速器氣閥類產品低溫壽命試驗的改進

宋媛媛，賈永琦

（陜西法士特齒輪有限責任公司，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構的變速器來組成整車的動力系統(tǒng)。在這種變速器結構中，主變速器通過換擋桿進行機械式換擋，副變速器通過氣路進行高、低擋切換，使主箱擋位數量翻倍。這種變速器的優(yōu)點是增加了汽車的檔位，提高燃油經濟性和行駛平順性，節(jié)約成本。

由于此類變速器副箱需要氣路系統(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。通過用戶調研及試驗研究發(fā)現，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)均會出現不同程度的漏氣、卡滯現象，導致整車氣壓不足、起步困難，成為冬季整車故障模式的高發(fā)點。據統(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 試驗驗證

為了分析研究該問題，我們在實驗室對整車變速箱氣路部分的氣動元件進行了大量的低溫試驗。低溫（-40℃）試驗方法為將需要進行低溫測試的被試件（以氣路控制閥為例）放入高低溫箱中，整個實驗氣路的其余部分放置在高低溫箱外進行測試，通過驅動氣缸壓縮氣路控制閥的頂桿及撥動預選閥的撥頭實現氣路的切換，各氣路元件動作的時序靠時間繼電器控制。然而每進行2000～3000次循環(huán)，試驗氣路總會出現如下故障模式：氣路嚴重漏氣、氣路控制閥頂桿及驅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，試驗人員在低溫下打開試驗箱進行逐一排查，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，導致密封不良。分析發(fā)現試驗用快插接頭、氣管均無法滿足低溫-40℃的試驗條件，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造成的影響。

（2）氣閥漏氣；目前絕大多數氣閥內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：氣閥內密封圈材質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)經催化加氫而制得的新型彈性體，加氫反應使得HNBR大分子主鏈上的不飽和雙鍵數量大幅減少，從而賦予其優(yōu)異的耐熱性、耐候性。不同橡膠材質的主要特點及使用溫度見下表：

表1 不同橡膠材質的主要特點及使用溫度

1.2 卡滯原因分析

更換密封圈材料后發(fā)現漏氣問題解決，但卡滯問題依舊存在。起初認為卡滯是由于氣閥內部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)現內部有異常磨損存在，并且恢復至常溫后卡滯現象消失。多次試驗發(fā)現卡滯是低溫下特有的故障現象，通過低溫狀態(tài)下對整個氣路進行大量的拆解和檢查，發(fā)現低溫箱內的氣路及氣動元件普遍含有較多水分，有些氣路的進氣氣管甚至結冰堵死。而試驗氣路的氣源是經過空氣干燥機處理過的常溫下干燥的壓縮空氣，分析原因為常溫下的壓縮空氣沿著氣路進入高低溫箱內，遇冷發(fā)生冷凝，冷凝過程會析出水分，附著在氣管內壁及樣品內部，在低溫下迅速結冰，成為低溫下閥體內部閥桿及頂桿的運動障礙。氣路的緩慢切換導致閥體內部凝結的水分越來越多，結冰越來越嚴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壁很容易引起氣管堵塞，樣品進氣壓力不足導致樣品在低溫下無法正常動作，低溫壽命試驗很難繼續(xù)進行。

試驗室內解決方案：

（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，防止高低溫箱內大量的低溫廢氣和外界空氣發(fā)生交換，導致高低溫箱內結冰嚴重；

（3）在試驗氣路前高低溫箱內增加兩個儲氣罐，常溫壓縮空氣進入高低溫箱 后先進入儲氣罐，析出的水分首先凝結在儲氣罐內壁上，使通過試驗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冰嚴重導致堵塞，延長低溫試驗的連續(xù)工作時間。

（4）將原驅動氣缸的氟橡膠 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。定期維護保養(yǎng)驅動氣缸內部的密封圈，防止在低溫下潤滑脂失效造成驅動氣缸卡滯。

通過以上改進措施，樣品在低溫下連續(xù)動作的次數由2000～3000次延長到了6000～8000次，低溫試驗效率的顯著提高證實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，實驗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。成品氣露點可達到-70℃，可徹底除掉-40℃低溫下壓縮空氣中的水分，經過試驗驗證，增加此干燥器后無需以上改進措施1、2、3條就能保證氣路連續(xù)切換 5萬次氣路無由于結冰造成的卡滯或進氣氣管堵死現象，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 試驗結論

通過以上試驗改進可以得出：低溫狀態(tài)下氣閥失效的主要原因歸結為密封圈失效和試驗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來解決，試驗氣路中有冷凝水的實驗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。

大部分氣閥產品在低溫下泄漏的現象在恢復至常溫后都是會消除的，這是由于隨著溫度的升高閥體內部的O型圈恢復彈性，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行換擋，變硬變脆的O型圈在往復運動的過程中很容易受到閥體內部結冰和其他雜質的劃傷和損壞，造成不可恢復的泄漏故障。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)強行換擋，以免造成不必要的損失。