變速器殼體壓降法測漏原理及應(yīng)用

費寧忠

華域汽車系統(tǒng)股份有限公司 上海 200041

現(xiàn)代變速器殼體生產(chǎn)廠家都會在殼體裝配前進行氣密性檢測，以確保在生產(chǎn)過程中盡早對工件能否在以后的使用條件下不漏做出判斷，避免對泄漏的工件進行下一步的加工和裝配。氣密性檢測屬于泄漏檢測中的一種，現(xiàn)已被廣泛運用于汽車制造等行業(yè)，是保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的重要手段之一。

在變速器殼體氣密性檢測領(lǐng)域，因為對于殼體的泄漏量都有很高的要求，所以我們一般選用壓降法來檢測殼體的泄漏量。壓降法的特點是可提供較高的測試壓力；檢測精度最高，且不依賴于測試壓力的大?。粚τ诓环€(wěn)定的工件可使用標(biāo)準(zhǔn)件作為參考但其測量范圍有限，穩(wěn)定性相對較差。多應(yīng)用于要求高測試壓力或者高精度的場合。表1為變速器殼體檢測中常見的幾種檢測標(biāo)準(zhǔn)。

表1 常見檢測標(biāo)準(zhǔn)

壓降法的工作原理

壓降式氣密檢漏儀的基本工作原理如圖1所示。其工作原理如同是天平，一端是標(biāo)準(zhǔn)砝碼，即測量標(biāo)準(zhǔn)件，而另一端則是待測的殼體[1]。在相同的工況下，通過檢漏儀內(nèi)的壓差變送器比較得出標(biāo)準(zhǔn)件和比較待測殼體的壓力變化量，如圖2所示。氣密檢漏儀再根據(jù)差降的變化測算出殼體的具體泄漏率，以此來判斷被測殼體是否合格。其中，壓力變化量與泄漏率的計算方式為[2]

圖1 壓降式氣密檢漏儀工作原理

式中P——理想氣體的壓強，單位為kPa；

V——理想氣體的體積，單位為L；

n——理想氣體中氣體物質(zhì)的量，單位為mol；

R——理想氣體常數(shù)，普適氣體恒量；

T——理想氣體的絕對溫度，單位為K。

一般定義壓降法測量結(jié)果顯示的泄漏率是指在一定時間內(nèi)，在檢測要求的充氣壓力下殼體內(nèi)壓力變化所引起的在標(biāo)準(zhǔn)下大氣壓下泄漏的體積。因此

式（3）同時除以檢測時間得壓力變化量與泄漏率的計算公式

式中P0——要求充氣壓力壓強，單位為kPa；

V0——殼體腔內(nèi)體積，單位為L；

ΔP——壓強變化值，單位為kPa；

Pat——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，單位為kPa；

V泄——測試泄漏的體積，單位為L；

t——測試時間，單位為min；

v降——壓力降低速度，單位為kPa/min；

S——殼體泄漏率，單位為cc/min（1cc/min＝1mL/min，下同）。

1.標(biāo)準(zhǔn)件的選擇

一般通過肉眼觀測選擇幾個表面無明顯缺陷的殼體，經(jīng)過多次浸漬處理后再通過壓力降的方法得到一個測試結(jié)果最好的殼體，將它視為零泄漏的標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)該通過噴涂顏料或做標(biāo)記與其他生產(chǎn)的殼體區(qū)別開。同時，標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)當(dāng)放在合適的地方，防止受到污染和損壞，且需要定期檢查。

2.補償標(biāo)定

補償標(biāo)定首先是補償，就是將整個密封系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)樣件以及測試環(huán)境造成的壓力變化補償?shù)簟Ｆ浯问菢?biāo)定，這一步需要將等于工件泄漏要求規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)漏嘴和標(biāo)準(zhǔn)樣件配合使用，讓儀器去記錄，在標(biāo)準(zhǔn)樣件上有一個標(biāo)準(zhǔn)的泄漏率情況下的壓力變化，從而讓檢漏儀能夠識別被測件中不同的壓力變化對應(yīng)的是多少的泄漏量。在標(biāo)定過程中，通過兩次分別有標(biāo)準(zhǔn)漏嘴和沒有標(biāo)準(zhǔn)漏嘴的檢測可計算出V0的數(shù)值。

公式（7）與公式（6）相減得

式中S1——無標(biāo)準(zhǔn)漏嘴時的泄漏率1，單位為cc/min；

S2——無標(biāo)準(zhǔn)漏嘴時的泄漏率2，單位為cc/min；

ΔS——標(biāo)準(zhǔn)漏嘴的泄漏率，單位為cc/min。

壓降法測漏的應(yīng)用

公司設(shè)計了針對某一型號自動變速器的殼體進行氣密性檢測的設(shè)備，其檢測要求充氣壓力50kPa時最大允許泄漏率3SCCM。

1.選用檢漏儀

現(xiàn)在主流的氣密性檢漏儀的有USON、ATEQ、INNOMATEC及JWFROEHLICH等不同品牌，在儀器的功能、分辨率和經(jīng)濟性等多方面都有各自的優(yōu)缺點。因為我們的設(shè)備是對單一腔體進行單一壓力的檢測，對儀器的功能要求簡單，穩(wěn)定性要求高，因此最終選用了Uson Qualitek 626壓差式檢漏儀。

2.設(shè)計測漏設(shè)備

如圖2所示，測漏設(shè)備基本由床身、自動上下料機構(gòu)、封堵機構(gòu)和Uson Qualitek 626壓差式檢漏儀組成。由于變速器殼體是十分復(fù)雜的機械零件之一，需要封堵的孔多且尺寸、形狀與位置各異，所以設(shè)計能否對殼體進行有效封堵是測漏設(shè)備的關(guān)鍵。對于殼體的封堵，一般有針對平面和小孔的平面封堵和針對大孔徑殼體孔使用的內(nèi)脹式封堵機構(gòu)。

圖2 測漏設(shè)備

3.驗收驗證

參考通用汽車的檢具驗收規(guī)范，對變速器殼體氣密性檢測設(shè)備的驗收有如下標(biāo)準(zhǔn)（所有驗收檢測都須在相同的氣壓，溫度條件下進行）。

1）驗收分為預(yù)驗收和終驗收。

2）預(yù)驗收時，采用等于工件泄漏要求規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)漏嘴對設(shè)備進行補償標(biāo)定，然后采用與工件泄漏要求相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)漏嘴連續(xù)測量標(biāo)準(zhǔn)件10次，誤差不大于被測公差的±5%。

3）終驗收時，需要先重復(fù)上述步驟2；然后再選擇5個零件并編號，由2個操作者，每人分別先采用與工件泄漏要求相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)漏嘴對設(shè)備進行一次補償標(biāo)定，然后依次對5個零件各測量3次，并記錄數(shù)據(jù)，這樣每一個零件各得到6個泄漏量數(shù)據(jù)；通過計算評價測量穩(wěn)定性，每次檢測結(jié)果須不大于被測公差±5%，且檢測結(jié)果波動不大于被測公差的10%。

在本設(shè)備驗收的終驗收階段，評價檢測結(jié)果的穩(wěn)定性并不理想。殼體檢測要求為充氣壓力50kPa時泄漏率3SCCM，因此檢測結(jié)果的波動范圍應(yīng)該不大于0.3SCCM，但在實際檢測中由表2數(shù)據(jù)可知，除3#殼體外，檢測數(shù)據(jù)的波動范圍全部大于0.3SCCM。

表2 氣密性檢測數(shù)據(jù)

由于原本殼體的氣密性檢測要求就很高，且檢測結(jié)果的超差范圍又很小，所以通過水檢法無法發(fā)現(xiàn)其泄漏點。通過連續(xù)重復(fù)的用標(biāo)準(zhǔn)件補償標(biāo)定和對其檢測后，發(fā)現(xiàn)在補償標(biāo)定階段，檢漏儀對于殼體檢測結(jié)果的補償是84Pa，根據(jù)經(jīng)驗這個數(shù)值是偏大的。在先后確認(rèn)了殼體標(biāo)準(zhǔn)件和檢漏儀都沒有問題后，我們在檢測標(biāo)準(zhǔn)件的過程中連接了與工件泄漏要求相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)漏嘴，檢漏儀對于殼體檢測結(jié)果中顯示壓力變化量為140Pa。由式（5）可知，壓力變化量和泄漏的流量是成線性關(guān)系的。如表3及圖3所示，在檢測要求泄漏量一定的情況下，補償標(biāo)定的數(shù)值越大，那么檢測結(jié)果中壓力變化量的可用范圍就越小，自然檢測結(jié)果也就越難穩(wěn)定。而影響補償數(shù)值的因素就是密封夾具、檢漏儀、標(biāo)準(zhǔn)樣件以及外部測試環(huán)境，因此可以判斷造成檢測結(jié)果不穩(wěn)定的原因就是密封夾具的密封性不好。

圖3 壓力變化與流量關(guān)系

表3 壓力變化量與泄漏率對比

在對密封夾具進行重新檢測和更換后，檢漏儀對于殼體檢測結(jié)果的補償是11Pa，連接了與工件泄漏要求相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)漏嘴，檢漏儀對于殼體檢測結(jié)果中顯示壓力變化量為112Pa。設(shè)備在之后的驗收中數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定，滿足了驗收標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

壓降式氣密檢漏儀因為測量精度高，而在變速器殼體氣密性檢測領(lǐng)域被普遍使用。但它也存在著測量范圍有限，容易受外圍因素影響檢測結(jié)果和相對穩(wěn)定性不佳等問題。為了提高氣密性檢測的效率，會采用如快速充氣法，加裝填充物減少被測工件內(nèi)容積等方法[3]。這些檢測效率的改進措施在實際應(yīng)用中得到了不斷的驗證和發(fā)展。隨著科技的飛速發(fā)展以及工業(yè)4.0的提出，氣密性檢測技術(shù)的發(fā)展將迎來新的契機。相信高精度、高效率、高智能及低成本的氣密性檢測技術(shù)將很快出現(xiàn)在我們面前。