汽車變速器擋位開關(guān)失效模式分析研究

姜瑩、段云宏

（法士特汽車傳動集團公司，西安 710119）

0 引言

擋位開關(guān)是重型汽車變速器總成上配備的一種用以指示變速器擋位信息的電器元件。作為一種傳導感應(yīng)機構(gòu)，擋位開關(guān)將接收到來自操縱機構(gòu)的壓力信號并轉(zhuǎn)換為開關(guān)型電信號，從而將變速器的擋位信息傳遞至整車的顯示儀表及控制電路。變速器上常用的擋位開關(guān)有空擋開關(guān)、倒擋開關(guān)，也有部分變速器副箱上增加了高低擋指示開關(guān)。

擋位開關(guān)主要由頂桿、襯套、動片、靜片、復位彈簧、接線柱和外殼等部件組成。擋位開關(guān)的工作原理如圖1所示：在規(guī)定外力作用下，頂桿在一定范圍內(nèi)作直線運動，去推動觸點閉合(或打開)；一旦外力消失，在復位彈簧的作用下，頂桿自動復位，使觸點保持原始狀態(tài)。由于高低擋開關(guān)出現(xiàn)故障的情況很少，故不對其進行研究，本文主要針對空擋和倒擋開關(guān)進行研究（以下統(tǒng)稱為擋位開關(guān)）。

圖1 擋位開關(guān)工作原理圖

1 擋位開關(guān)性能要求及失效

作為一種實時監(jiān)測、顯示變速器擋位狀態(tài)的電器元件，擋位開關(guān)在汽車傳動系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。由于其應(yīng)用環(huán)境的復雜性和自身重要性，開關(guān)需要耐高低溫、耐水、耐鹽霧腐蝕以及耐瞬時強電流等性能。

因此，在用戶使用過程中，擋位開關(guān)會出現(xiàn)多種失效模式。本文就重型汽車變速器總成擋位開關(guān)的應(yīng)用為研究對象，通過對重型汽車市場返回的擋位開關(guān)舊件進行檢驗，對故障類型進行分類，并對擋位開關(guān)通斷功能失效的故障模式進行了深入剖析。通過查找導致?lián)跷婚_關(guān)失效的根本原因，旨在為今后傳動系統(tǒng)故障排查以及擋位開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計改進提供新的思路。鑒于空擋和倒擋開關(guān)出現(xiàn)的失效模式基本相同，以下分析的常見擋位開關(guān)失效模式全部針對這2 種開關(guān)。

2 擋位開關(guān)失效模式分析

通過對擋位開關(guān)舊件的檢驗，本文總結(jié)了擋位開關(guān)通斷功能失效的9 種常見故障模式（圖2）。下文對這10 種失效模式逐一分析，找到其失效的根本原因。

圖2 擋位開關(guān)故障模式樹圖

2.1 開關(guān)觸點積炭燒蝕

擋位開關(guān)觸點的通斷直接關(guān)系到開關(guān)的性能，而觸點表面的積炭燒蝕會影響開關(guān)閉合時的瞬時電流（圖3）。

圖3 開關(guān)內(nèi)部燒蝕

擋位開關(guān)觸點的直徑大小和復層厚度直接影響觸點的載流能力以及耐電腐蝕性能，其質(zhì)量的好壞在很大程度上決定了電器元件的質(zhì)量以及可靠性。因此在選用的過程中，要綜合考慮整車電壓、瞬時大電流以及開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素。

一般情況下，在設(shè)計開關(guān)與變速器配合尺寸鏈時，考慮到使用過程中開關(guān)內(nèi)部彈簧的力衰減和配套件的磨損,盡可能地保障開關(guān)在觸發(fā)擋位狀態(tài)下有一定的過壓量。

如果駕駛員在換擋過程中存在長時間的停頓，那么動靜片觸點也會長時間處于一種似接觸非接觸的狀態(tài)，觸點之間存在很小的間隙。當這個間隙小于整車電壓所能擊穿的空氣膜厚度時，間隙之間的空氣會被擊穿，觸點間產(chǎn)生電弧現(xiàn)象。電弧燒蝕觸點材料，導致觸點表面物質(zhì)炭化，當炭化量累積到一定程度時,開關(guān)通斷功能失效。因此，盡可能避免在換擋過程中長時間停頓，以減小電弧對動靜片觸點的燒蝕影響。

2.2 開關(guān)內(nèi)部進入雜質(zhì)

開關(guān)外殼防護等級直接影響開關(guān)在使用中，其內(nèi)部是否會進入過多雜質(zhì)，繼而導致開關(guān)故障現(xiàn)象（圖4）。所以設(shè)計開關(guān)外殼的防護等級要盡可能防止外物侵入，雖不能完全防止灰塵進入，但進入的灰塵量應(yīng)不會影響開關(guān)的正常操作。目前我司現(xiàn)行的開關(guān)防護等級為IP67，即為防護灰塵吸入（整體防止接觸，防護灰塵滲透），防護短暫浸泡（防浸）。開關(guān)在進行了高低溫、防水、防塵、鹽霧、耐腐蝕和耐濕熱等相關(guān)試驗后，外殼完好無損傷，很好地起到了防止外部雜質(zhì)進入開關(guān)內(nèi)部的作用。

圖4 開關(guān)內(nèi)部進入雜質(zhì)

2.3 開關(guān)內(nèi)部進油

當擋位開關(guān)的密封出現(xiàn)問題，會導致開關(guān)內(nèi)部進油（圖5），影響開關(guān)的性能。造成擋位開關(guān)進油的原因如下。

圖5 開關(guān)內(nèi)部進油

翻鉚壓力直接影響開關(guān)內(nèi)部密封墊的變形量。翻鉚壓力太小，密封墊形變不足，導致密封效果不佳，內(nèi)部進油；翻鉚壓力過大，密封墊被過度壓縮，導致密封墊壽命下降。根據(jù)實際翻鉚經(jīng)驗，開關(guān)材料為HPb59-1 銅材，翻邊壁厚0.60 mm，翻邊面積205.00 mm為例，翻鉚壓力的合理范圍為3.0～7.5 MPa，最佳翻鉚壓力為5.0 MPa 左右。

開關(guān)密封效果的檢測方法為：利用密封原理，將開關(guān)插頭部分打孔，使右半部分與外界連通，給左半邊部分通入0.8 MPa 的氣壓，通過涂抹肥皂水的辦法觀察右半部分打孔處是否存在氣泡?？卓谔帥]有氣泡產(chǎn)生，即為密封良好，否則為不合格品。

密封墊的材質(zhì)影響其壽命、密封性能、耐高低溫性能、耐油以及耐腐蝕性能。開關(guān)內(nèi)部密封墊在起密封作用的同時，還要通過自身形變傳遞頂桿力，因此要求該部位密封墊額韌性和耐疲勞性要好。實踐證明，使用帶有尼龍布的密封墊能夠滿足實際使用工況，防止在使用過程中密封墊發(fā)生破損。密封墊的選型是一項較為復雜的任務(wù)，選取時應(yīng)充分考慮其工況（包括溫濕度、壓力分布和工作介質(zhì)等），并進行相關(guān)實驗驗證。

2.4 頂桿卡死

擋位開關(guān)的頂桿是推動觸電打開和閉合的關(guān)鍵部件，如果頂桿卡死會直接導致開關(guān)失效（圖6）。造成頂桿卡死的原因如下。

圖6 開關(guān)頂桿卡死

擋位開關(guān)在變速器上的擰緊力矩過大，會造成開關(guān)螺紋拉長，殼體孔口收縮變形，導致頂桿卡死，甚至會導致開關(guān)殼體發(fā)生斷裂。如果擰緊力矩太小，則會導致在使用過程中開關(guān)容易松動，觸發(fā)點發(fā)生變化，開關(guān)不能被有效觸發(fā)。另外，開關(guān)擰緊力矩過小，也會導致變速器內(nèi)的齒輪油外滲。因此，合理的擰緊力矩對開關(guān)的使用壽命至關(guān)重要。目前，開關(guān)M18 螺紋擰緊力矩為44～50 N·m，M14 螺紋擰緊力矩為20～27 N·m。

開關(guān)頂桿與銅殼的配合公差以及接觸表面的粗糙度會直接影響開關(guān)頂桿的運動。開關(guān)頂桿與銅殼的配合為間隙配合，配合間隙設(shè)計太大時，殼體頂桿孔的導向作用變差，頂桿容易卡死，導致?lián)Q不上擋，影響整個傳動系統(tǒng)。當配合間隙設(shè)計太小時，頂桿運動不暢，如果頂桿或殼體頂桿孔出現(xiàn)加工誤差時，開關(guān)頂桿也容易卡死。

另外，接觸表面的表面粗糙度對頂桿和殼體頂桿孔的相對運動也至關(guān)重要。目前，頂桿與殼體頂桿孔的表面粗糙度Ra 的上限值為0.8。裝配擋位開關(guān)時，在頂桿頭部涂抹適量的潤滑脂，滿足擋位開關(guān)的使用工況。

2.5 換擋卡滯

在售后反饋的信息中，存在換擋卡滯的故障現(xiàn)象，而拆下?lián)Q擋開關(guān)后，換擋卡滯現(xiàn)象消失。開關(guān)的功能以及現(xiàn)有擋位排布決定了，換擋開關(guān)的觸發(fā)方式為V 形槽觸發(fā)或?qū)K觸發(fā)（圖7），這對開關(guān)頂桿粗糙度、V 型槽面和導塊接觸面粗糙度、V 形槽面頂端的倒圓角以及換擋轉(zhuǎn)角要求較高。尤其是加工中如果存在毛刺，會直接導致開關(guān)與V 形槽卡死。因此，尋找新的擋位開關(guān)觸發(fā)方式能夠從根本上解決此類卡滯問題。

圖7 常見擋位開關(guān)觸發(fā)原理圖

2.6 開關(guān)的靜片脫落

靜片通過鉚接固定在靜片槽內(nèi)，并與接線柱相連。靜片在鉚接過程中不僅要牢固（圖8），而且要保持一定的彎型，以保證動靜片觸點能夠有效接觸。鉚接質(zhì)量直接影響靜片的可靠程度。通過對鉚接后的靜片進行抗沖擊性能檢測，可以達到對鉚接質(zhì)量驗證的目的。

圖8 動靜片變形、脫落

檢測方法為：從1 000.00 mm 高度將鉚接后的靜片組件進行自由落體，靜片不能出現(xiàn)脫落和松動。跌落試驗后，再將組件用0.5 kg 沖擊錘從相對200.00 mm 高度自由落體,對鉚接后的靜片正面進行撞擊5 次，靜片不能出現(xiàn)脫落和松動現(xiàn)象。

2.7 動靜片變形

擋位開關(guān)動靜片的抗變形能力減弱，會造成擋位開關(guān)失效的可能性增加。影響動靜片抗變形能力的因素有以下2 點。

動靜片的厚度直接影響動靜片的抗變形能力。改進前動靜片的厚度為0.70 mm，改進后的動靜片厚度達到0.80 mm。經(jīng)過試驗驗證，增加厚度后的動靜片抗形變能力提升40%左右，滿足現(xiàn)有開關(guān)的使用工況。

在鉚接靜片時，應(yīng)避免沖頭對靜片彎型的影響。在鉚接完成后，必須對靜片進行校正處理，以保障靜片的彎型程度。

2.8 彈簧彈力衰減

彈簧對于擋位開關(guān)產(chǎn)品來說是至關(guān)重要的部件，尤其是按鈕彈簧力的選取，將直接決定擋位開關(guān)的品質(zhì)。開關(guān)在觸發(fā)過程中存在2 個階段。

（1）頂桿在壓縮初段，按鈕彈簧不發(fā)生形變，頂桿、按鈕彈簧與彈簧座形成的按鈕組件可以等效成一個剛性組件。

（2）觸點接通或斷開后，繼續(xù)按壓頂桿，此時按鈕彈簧被壓縮，彈簧座不發(fā)生移動，起到保護觸點的作用，防止過壓縮。

改進前按鈕彈簧設(shè)計長度為32.00 mm，絲徑為0.70 mm。

裝配完組件后彈簧長度為20.00 mm，壓縮了12.00 mm。按壓頂桿到極限位置，彈簧長度近乎達到為15.95 mm，這對于絲徑為0.70 mm、中徑只有3.30 mm 的彈簧來說，已經(jīng)達到其屈服極限。長期在這種工況下工作，該彈簧的工作壽命大大減少，彈性降低，影響開關(guān)的工作行程。按鈕組件進行改進后，彈簧絲徑增大，總長尺寸減小，穩(wěn)定性提高，已進行100 萬次耐久性能試驗驗證。

2.9 頂桿磨損

頂桿材質(zhì)以及熱處理工藝直接影響開關(guān)頂桿的硬度和耐磨性能。目前，開關(guān)頂桿采用20Cr 材質(zhì)，表面進行氰化處理，硬度指標達到89～92 HR15N，有效硬化層深為0.26～0.50 mm，滿足使用工況對頂桿耐磨性的要求。

3 結(jié)束語

擋位開關(guān)作為變速器上重要的電器元件，對整車功能實現(xiàn)和安全運行起著至關(guān)重要的作用。本文通過對售后市場返回舊件的拆解，找出開關(guān)常見失效的故障模式，并對其進行分析研究，找準其根本原因，為產(chǎn)品設(shè)計和制造過程改進提供基礎(chǔ)信息。后期將進一步通過技術(shù)優(yōu)化，規(guī)避開關(guān)該類失效模式的出現(xiàn)，從而提高擋位開關(guān)的可靠性。

本文提供了一種分析擋位開關(guān)常見失效模式的思路，為擋位開關(guān)故障件的分析提供參考。然而在實際應(yīng)用過程中問題紛繁復雜，不可能完全借用本文思。因此需要技術(shù)人員多多積累經(jīng)驗，不斷提升開關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量，保障整車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。