混合動(dòng)力電驅(qū)變速箱用液壓閥體的設(shè)計(jì)優(yōu)化及泄漏率控制

劉芳，孫東坡，莊震亞，王健，葛海龍，郜可峰

(上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 200041)

0 引言

在液壓系統(tǒng)中，液壓油的泄漏是普遍存在但不容忽視的現(xiàn)象，一般機(jī)械液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在使用了一定的時(shí)間后都將出現(xiàn)液壓油的泄漏，一旦開(kāi)始出現(xiàn)泄漏或是泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重，將影響傳動(dòng)系統(tǒng)的正常工作。

文中將結(jié)合某款混動(dòng)車(chē)型電驅(qū)變速箱液壓閥體的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行研究，如圖1所示。為了提高液壓系統(tǒng)的集成性，在閥體內(nèi)部加工有大量的液壓元件接口和油路工藝孔；液壓閥體毛坯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大。該液壓閥體的泄漏類(lèi)型可分為內(nèi)泄漏與外泄漏兩種。外泄漏指從液壓閥體內(nèi)部泄漏到外部環(huán)境中；內(nèi)泄漏指由于液壓油路內(nèi)部的壓力差或密封失效等原因，使液壓油由高壓側(cè)向低壓側(cè)泄漏。對(duì)于電驅(qū)變速箱總成而言，液壓系統(tǒng)的泄漏將會(huì)造成液壓系統(tǒng)壓力不足、執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度不穩(wěn)定、液壓動(dòng)力源發(fā)熱或燒毀、工作效率降低、油液浪費(fèi)、控制失靈等問(wèn)題，導(dǎo)致電驅(qū)變速箱將難以進(jìn)行離合器和換擋機(jī)構(gòu)的控制，進(jìn)而危及整車(chē)的運(yùn)行[1]。因此，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)對(duì)液壓閥體的泄漏率進(jìn)行有效控制和檢測(cè)，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

圖1 閥體的尺寸形狀示意圖

1 液壓閥體的設(shè)計(jì)

閥體的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)其氣密性產(chǎn)生重要的影響。為了達(dá)到良好的氣密性效果，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：

(1)閥體毛坯外形的控制。對(duì)于閥體而言，毛坯的質(zhì)量對(duì)閥體的泄漏率有著明顯的影響。為了保證閥體材料的致密性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮閥體的鑄造特性，并結(jié)合鑄造工藝優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)。在模具加工前，應(yīng)根據(jù)模流分析(如圖2所示)的結(jié)果充分優(yōu)化毛坯的結(jié)構(gòu)，以減少后期修模的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 凝固特點(diǎn)分析

(2)閥體上最小壁厚的控制。過(guò)薄的壁厚將導(dǎo)致閥體內(nèi)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的增加，為了控制閥體的內(nèi)泄漏量，應(yīng)設(shè)定最小壁厚的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于油道深孔，考慮到加工過(guò)程中刀具的偏移及振動(dòng)，其壁厚還應(yīng)當(dāng)適度增加。在此案例中，閥體的最小壁厚不小于4 mm。

(3)液壓系統(tǒng)密封件安裝接口的設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)中的密封件對(duì)系統(tǒng)的泄漏將造成直接的影響。因此，在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一方面要注意密封件的材料和尺寸的選擇，另一方面也要注意閥體接口特征的設(shè)計(jì)。尤其是對(duì)于電磁閥和油泵而言，密封性的好壞直接影響了液壓系統(tǒng)的表現(xiàn)[2]。此案例中使用的密封件主要為O形圈、密封墊片和堵頭。為了保證密封件的工作性能，應(yīng)注意在閥體上為密封件留出合適的安裝特征。例如，在堵頭安裝處，應(yīng)注意孔徑、粗糙度和圓度的控制，對(duì)于O形圈則應(yīng)注意孔徑公差和倒角大小的控制等。

(4)閥體與液壓元件的材料選擇與匹配。液壓閥體通常采用鑄造鐵合金和鑄造鋁合金兩種材料。高溫條件下，鑄造鐵合金的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于鑄造鋁合金的，因此鑄造鐵合金所導(dǎo)致的液壓閥體泄漏量較大。同時(shí)，閥芯和液壓閥體盡量選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料，這樣可以減少高溫條件下的熱膨脹量差異，從而降低泄漏量。如圖3所示，鋁閥/鋁閥體組合優(yōu)于鐵閥芯/鋁閥體組合的泄漏情況。必要時(shí)，為增加耐磨性，還需要對(duì)液壓閥體/閥芯表面采用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化。

圖3 泄漏量與溫度之間的關(guān)系

在設(shè)計(jì)階段全面地考慮引起泄漏的各項(xiàng)因素，能夠有效地降低后續(xù)鑄造、機(jī)加工和裝配時(shí)出現(xiàn)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

2 生產(chǎn)過(guò)程控制

2.1 鑄造過(guò)程質(zhì)量控制

閥體毛坯的質(zhì)量對(duì)閥體的泄漏率有非常大的影響。毛坯的鑄造缺陷，如氣孔、縮松、裂紋等，都會(huì)導(dǎo)致閥體泄漏量增加，進(jìn)而影響液壓模塊的正常工作。除了在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)模流分析結(jié)果優(yōu)化毛坯結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際試模的結(jié)果對(duì)毛坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次優(yōu)化，同時(shí)也應(yīng)對(duì)模具的保養(yǎng)和維護(hù)過(guò)程進(jìn)行控制。

文中所述的液壓閥體采用低壓鑄造[3]的工藝來(lái)鑄造閥體毛坯，獲得的毛坯如圖4所示。在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，液壓閥體毛坯曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)氣孔、裂紋等鑄造缺陷，閥體的整體合格率僅為85%。為了改善毛坯的鑄造特性，提高毛坯的整體合格率，對(duì)閥體的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，包括將部分薄壁結(jié)構(gòu)與閥體分離單獨(dú)鑄造、優(yōu)化毛坯排氣特性、擴(kuò)大澆道的面積等(見(jiàn)圖5)，使得閥體的整體合格率提升了8%，單件工時(shí)下降了10 min，并帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)收益。

圖4 鑄造毛坯

圖5 閥體鑄造特性?xún)?yōu)化示意圖

除了毛坯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之外，對(duì)模具的保養(yǎng)和維護(hù)也是保證毛坯質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。所述液壓閥體的模具如圖6所示。在試生產(chǎn)過(guò)程中，曾經(jīng)出現(xiàn)毛坯裂紋的問(wèn)題。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，模具上出現(xiàn)拉傷的部分工作溫度較高，鑄造過(guò)程中容易粘鋁。由于積鋁后清理不及時(shí)，毛坯在脫模過(guò)程中被嚴(yán)重拉傷，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。在后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)積鋁清理工序進(jìn)行了調(diào)整，定期對(duì)模具表面的積炭和粘鋁進(jìn)行清理。改善積鋁清理工序前后閥體結(jié)構(gòu)的對(duì)比情況如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，整改后毛坯外部圓角結(jié)構(gòu)完整，大大降低了出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 模具結(jié)構(gòu)及拉傷部位示意圖

圖7 整改前后毛坯細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)改善情況示意圖

在正式生產(chǎn)過(guò)程中，為了對(duì)毛坯的孔隙率和裂紋進(jìn)行控制，需要對(duì)生產(chǎn)出的毛坯進(jìn)行100%的X射線(xiàn)探傷檢測(cè)和抽樣切片檢測(cè)。圖8為閥體的X射線(xiàn)探傷圖，圖9為閥體的切片斷面圖。通過(guò)對(duì)毛坯的探傷檢測(cè)和切片檢查，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)毛坯中存在的氣孔和裂紋，避免缺陷毛坯流入到機(jī)加工環(huán)節(jié)中，造成浪費(fèi)。

圖8 X射線(xiàn)探傷圖

圖9 閥體切片檢測(cè)

2.2 機(jī)械加工及檢測(cè)過(guò)程

在機(jī)加工過(guò)程中，需要對(duì)影響液壓模塊密封性能的閥體尺寸制定嚴(yán)格的控制計(jì)劃，以保證這些重要尺寸能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的密封要求。完成加工后，需要對(duì)每件閥體都進(jìn)行氣密性檢測(cè)和清洗。

在閥體的氣密性檢測(cè)過(guò)程中，為了能夠同時(shí)檢測(cè)閥體的內(nèi)泄漏和外泄漏的情況，需要對(duì)閥體的各路高壓油道、低壓油道和型腔面分別進(jìn)行檢測(cè)，以保證能夠全面地檢測(cè)出內(nèi)泄漏和外泄漏的情況。油道的劃分應(yīng)以實(shí)際使用時(shí)的油液流動(dòng)情況作為依據(jù)，以達(dá)到模擬實(shí)際工況的目的。

在此案例中采用壓差法作為氣密性檢測(cè)的主要方法，氣密性檢測(cè)設(shè)備如圖11所示。壓差法的檢測(cè)精度較高，系統(tǒng)響應(yīng)快，適用于大批量的生產(chǎn)過(guò)程。壓差法的檢測(cè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單分為充氣階段、平衡階段和測(cè)量階段，其工藝參數(shù)則主要包括泄漏率、測(cè)試壓力、溫度、充氣時(shí)間、平衡時(shí)間和檢測(cè)時(shí)間等。泄漏率實(shí)際上就是工件的允許泄漏量，閥體的允許泄漏量是根據(jù)閥體在實(shí)際工作中的需求從經(jīng)濟(jì)角度考慮確定的。通常泄漏率都要參考給定的測(cè)試壓力，而測(cè)試壓力都是參照工件實(shí)際工況條件來(lái)確定的。在設(shè)計(jì)氣密性檢測(cè)方案時(shí)，若工況壓力下的泄漏率可以換算成低壓狀態(tài)下的泄漏率，則應(yīng)考慮在低壓狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，以便減小氣密性設(shè)備的體積和降低設(shè)備成本。在充氣階段中，根據(jù)試驗(yàn)容積的大小，設(shè)定在一定的時(shí)間內(nèi)，對(duì)測(cè)試容積進(jìn)行充氣，充氣時(shí)間的長(zhǎng)短根據(jù)測(cè)試容積和測(cè)試壓力大小來(lái)調(diào)整。平衡階段的作用是對(duì)檢測(cè)氣體在一定測(cè)試壓力下進(jìn)行熱和動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定處理。由于檢驗(yàn)氣體在充填階段是受壓的，致使溫度升高，而非常小的溫度變化都會(huì)在密封容積內(nèi)引起氣體壓力變化。為得到相對(duì)精確的測(cè)量結(jié)果，檢驗(yàn)氣體的平衡處理尤為重要。平衡階段所需的時(shí)間與試驗(yàn)溶劑、測(cè)試壓力、工件的熱性能有關(guān)。在一定的時(shí)間內(nèi)，測(cè)量試驗(yàn)容積內(nèi)氣體因微泄漏而造成的壓力下降數(shù)值，通過(guò)換算判斷壓力降是否超出了允許的極限泄漏率，從而判斷工件是否合格，以達(dá)到定量檢測(cè)產(chǎn)品氣密性的目的[4-5]。液壓閥體在出廠(chǎng)前需進(jìn)行氣密性檢測(cè)，裝配成液壓模塊后也需要進(jìn)行氣密性檢測(cè)。在文中的案例中，閥體零件的氣密性測(cè)試壓力為0.6 MPa，充氣時(shí)間為20 s，平衡時(shí)間為20 s，測(cè)試時(shí)間為20 s；液壓模塊的測(cè)試壓力為0.1 MPa，充氣時(shí)間為15 s，保壓時(shí)間為25 s，測(cè)試時(shí)間為10 s，泄壓時(shí)間為5 s。圖12展示了液壓閥體裝配成液壓模塊后氣密性檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)分布。在液壓模塊和閥體的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，結(jié)合氣密性檢測(cè)數(shù)據(jù)和液壓模塊的實(shí)際使用效果來(lái)制定液壓模塊和閥體的泄漏率要求。

圖11 氣密性檢測(cè)設(shè)備

圖12 液壓模塊氣密性檢測(cè)結(jié)果分布情況

為了防止在液壓模塊的使用過(guò)程中由于毛刺、顆粒物所導(dǎo)致的液壓元件和密封件的磨損和損壞，有必要對(duì)液壓閥體的清潔度進(jìn)行控制。該液壓閥體通過(guò)采用高壓清洗、超聲波清洗與人工去毛刺相結(jié)合的方式來(lái)控制清潔度；為了提高去毛刺的效率，還可適當(dāng)考慮采用磨料流動(dòng)加工去毛刺的工藝。

3 總結(jié)

結(jié)合某款電驅(qū)變速箱液壓閥體的設(shè)計(jì)，介紹了液壓閥體泄漏的危害，并從設(shè)計(jì)、控制、加工等方面介紹了閥體泄漏率的控制方法以及閥體泄漏率的檢測(cè)方法。在液壓閥體的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化毛坯結(jié)構(gòu)、模具維護(hù)、探傷檢測(cè)和氣密性檢測(cè)等過(guò)程，閥體成品的泄漏率得到了較好地控制。總之，閥體的泄漏率關(guān)系著液壓系統(tǒng)的工作性能，是保證電驅(qū)變速箱正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，值得工程技術(shù)人員深入研究。