純電動商用車電磁閥閥芯失效故障分析

【摘" 要】文章針對純電動商用車變速器電磁閥閥芯故障失效案例，通過走訪調(diào)查、故障件復現(xiàn)、試驗分析、對比試驗，依靠部件工作原理，分析產(chǎn)品的失效原因，指出最終影響因素，最后提出此類問題的解決方案。

【關鍵詞】電磁閥閥芯；失效；變速器；檢驗；純電動商用車

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0028-03

Failure Analysis of Solenoid Valve Spool of Pure Electric Commercial Vehicle

LIU Jiacheng，WANG Qingyun，LI Yufei，ZHANG Guangyi

（Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute，Xi′an 710119，China）

【Abstract】In view of a market feedback of pure electric commercial vehicle transmission solenoid valve spore-failure analysis case，through the visit investigation，failure parts reproduction，experimental analysis，comparative test，relying on the working principle of components，analyzes the cause of product failure，points out the final influencing factors，and finally puts forward the solution to such problems.

【Key words】solenoid valve spool；failure；transmission；pure electric commercial vehicle

1" 引言

隨著能源危機和環(huán)境污染的日益加重，電動汽車的發(fā)展是汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。當下環(huán)境問題、社會問題和資源問題不斷加劇，車輛的電動化、智能化、集成化成為汽車行業(yè)的主流發(fā)展趨勢。其中變速器的穩(wěn)定性直接影響車輛運行。在北方冬季，由于環(huán)境溫度低，車輛運行和停止時動力總成的溫差大，容易導致變速器控制單元失效。

變速器總成是汽車傳動的核心，它通過擋位齒輪間不同的速比差異，將變速器前端接入的電機轉(zhuǎn)速以不同的轉(zhuǎn)速輸出到后端傳動軸上，從而實現(xiàn)車輛扭矩和轉(zhuǎn)速的適應性變化。其中，擋位變換主要由操縱執(zhí)行機構(gòu)來控制，操縱執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)分為電動執(zhí)行機構(gòu)和氣動執(zhí)行機構(gòu)，本文主要分析氣動執(zhí)行機構(gòu)。在收到TCU換擋指令后，氣動執(zhí)行機構(gòu)電磁閥開始使能，通過電磁閥閥芯的位移變化實現(xiàn)氣壓的變化，進而來推動執(zhí)行機構(gòu)和擋位齒輪間的撥叉變化，最終實現(xiàn)換擋。

如圖1所示，操縱執(zhí)行機構(gòu)主要由電磁閥體、換擋頭、鎖銷、撥叉桿構(gòu)成。該氣動操縱執(zhí)行機構(gòu)為XY型，通過電磁閥的變化，控制氣缸中的高壓氣體變化，來推動鎖銷運動，最后使換擋頭和撥叉桿沿著XY方向運動，從而完成換擋動作，達到換擋目的。圖2所示的火山口腔體處在電磁閥體中，通過外接電路變化，2個腔體內(nèi)線圈鐵芯吸合和打開，使腔體內(nèi)部充滿不同容積的氣壓。

2" 電磁閥閥芯失效的案例分析

在河北邢臺唐山地區(qū)，某公司一批純電后背電動牽引車空載質(zhì)量19000kg，滿載質(zhì)量49000kg，電機額定功率250kW，峰值功率360kW，行駛里程約30000km，在運營過程中出現(xiàn)變速器無法換擋故障。經(jīng)查驗，為電磁閥閥芯故障。電磁閥閥芯由于經(jīng)歷了物理化學變化，閥芯產(chǎn)生了一定的形變（圖3）和不規(guī)則的溶解現(xiàn)象（圖4），導致在換擋期間變速器閥芯使能后氣壓不能正常變化，無法換擋。

電磁閥閥芯合格標準如圖5、圖6所示。在安裝時，需要將圖6中的動鐵芯密封墊安裝到圖3端部的開口限位槽中，形成精密配合，保證電磁閥閥芯整體長度L不大于22.8mm。在產(chǎn)品生產(chǎn)制作過程中，還需要對圖6中的動鐵芯密封墊進行表面硬度測試。通常該凸臺半徑較小面為A面，半徑較大面為B面，工藝測試中，AB面的硬度需要滿足邵氏硬度HA=80±5，并在鐵芯表面鐫刻生產(chǎn)日期和標記，滿足工藝標準后才可以合格件入庫。

3" 電磁閥閥芯失效原因分析

3.1" 換擋失敗原因

在故障車輛上連接數(shù)據(jù)傳輸USBCAN盒，基于CCP協(xié)議[2]讀取CAN線上傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)（圖7），正常車輛換擋數(shù)據(jù)見圖8。在監(jiān)測數(shù)據(jù)上通過實際擋位位移可知，在變速器擋位為空擋時，某一軸的擋位位移值存在劇烈的振幅波動，嚴重干擾變速器換擋。

故可以定位換擋失敗的原因為操縱執(zhí)行機構(gòu)問題，由于位移值存在多次頻繁的大振幅波動，初步推測問題發(fā)生點在和氣壓變化有關的結(jié)構(gòu)件，即電磁閥部分。

3.2" 電磁閥故障原因

拆開電磁閥上蓋后，可以觀察到電磁閥閥芯產(chǎn)生了劇烈的形變和溶解，并且在電磁閥腔體內(nèi)殘留少許綠色液體，如圖9所示。

由于電磁閥閥腔中的氣體來源屬于穩(wěn)定氣源，無第二氣源存在，因此可能造成電磁閥閥芯故障的原因為氣源污染或產(chǎn)品品質(zhì)問題。

3.2.1" 產(chǎn)品品質(zhì)問題排查

首先，通過市場走訪，排查了相同地方相同批次操縱執(zhí)行機構(gòu)，故障電磁閥閥芯僅占少數(shù)，其余車輛運營狀況良好，無不良故障發(fā)生，因此可間接證明電磁閥閥芯故障并非批次品質(zhì)問題。

其次，市場走訪排查時，仔細觀察氣源，正常運營車輛的電磁閥部位的氣源密閉性良好，無污漬，存在正常使用痕跡。故障車輛的操縱電磁閥閥體火山口部位和閥芯表面有少量黑色油泥，并伴隨淡淡的芳香味。其中一臺故障車輛在儲氣系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了大量積水，并伴有同樣的芳香味，可間接證明電磁閥閥芯故障并非批次品質(zhì)問題，同時初步懷疑為儲氣系統(tǒng)故障，即氣路非穩(wěn)定氣源，存在潛在的化學物質(zhì)。

然后，將故障車輛損壞的電磁閥閥芯更換，原車輛在相同工況下行駛一個月左右，再一次出現(xiàn)了電磁閥閥芯膨脹并趨于溶解的現(xiàn)象。對同工況同批次電磁閥閥芯進行對比排查，可間接證明電磁閥閥芯故障并非批次品質(zhì)問題。

最后，對供應商的HNBR橡膠產(chǎn)品進行抽查點檢，對產(chǎn)品工藝進行品質(zhì)檢查，均未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)問題，所有抽查點檢產(chǎn)品均滿足出廠要求。對供應商提供的HNBR橡膠產(chǎn)品成分報告和第三方測試報告進行對比，報告內(nèi)容基本一致，可直接證明電磁閥閥芯故障并非產(chǎn)品品質(zhì)問題。

通過產(chǎn)品品質(zhì)的多方排查，可排除電磁閥閥芯故障為品質(zhì)問題，問題導向為氣源污染。

3.2.2" 氣源污染排查

1）空濾檢查。拆卸空氣濾芯網(wǎng)，檢查濾芯表面物質(zhì)。通過目測、鼻聞等方式觀察濾芯周邊無異常氣體、異物等。排除空濾濾網(wǎng)上的物質(zhì)導致電磁閥閥芯損壞。

2）空壓機檢查。檢查空壓機出氣口后端安裝的給油裝置，檢查內(nèi)部油脂型號和相關油品型號，無異常。排除空壓機上的物質(zhì)導致電磁閥閥芯損壞。

3）氣路檢查。檢查可拆卸管路部位，通過目測、鼻聞等方式觀察管路內(nèi)壁無異常氣體、異物等。排除氣路內(nèi)的物質(zhì)導致電磁閥閥芯損壞。

4）相關油品檢查。檢查變速器齒輪潤滑油、潤滑脂，通過產(chǎn)品成分分析和化驗，油品品質(zhì)良好，對HNBR橡膠無影響。排除相關油品導致電磁閥閥芯損壞。

5）干燥罐檢查。市場走訪摸排后，觀察到其中一臺車干燥罐中存在大量液體，這與干燥罐功用相悖，液體排出時伴隨芳香味，懷疑干燥罐中液體含有特殊化學物質(zhì)，干燥罐失效，導致氣路破壞。

3.2.3" 污染物質(zhì)排查

在鎖定污染物質(zhì)所處位置后，排查人員搜集相關污染處的污染物，由于污染處的殘留物質(zhì)較少，在多次少量的搜集后，于第三方檢測機構(gòu)進行多次多方驗證。圖10為多個第三方試驗報告，試驗報告結(jié)論對比可知，污染物中存在含量較高的N-丁基苯磺酰胺（BBSA）成分。

N-丁基苯磺酰胺（BBSA）是一種低毒、低揮發(fā)性的化合物，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，是一種多功能有機化合物，廣泛應用于塑料工業(yè)、潤滑劑、清潔劑、柔軟劑和防凍劑等領域，它的特性包括熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和潤滑性能。

兼容試驗高溫70℃ 24h后（圖11），HNBR橡膠塞與N-丁基苯磺酰胺（BBSA）泡在一起出現(xiàn)了明顯溶脹現(xiàn)象且硬度變低，BBSA對HNBR橡膠材質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了極大的反應，對產(chǎn)品使用影響很大。

通過多次控制變量試驗驗證和數(shù)據(jù)分析后可以得知影響操縱執(zhí)行機構(gòu)電磁閥閥芯故障的原因為干燥罐氣道污染。

根據(jù)市場的再次走訪調(diào)查，如車隊反饋，運營車輛所處位置一年四季溫差變化較大，夏季高溫，冬季溫度較低，時常出現(xiàn)雨雪結(jié)冰現(xiàn)象。因此，冬季車輛在經(jīng)過多次運營后，由于氣道氣泵處溫度變化大，并長期沒有保養(yǎng)，使得外界水汽進入氣道。車隊為防止冬季氣道結(jié)冰，對打氣泵中加入了少量含有BBSA成分的防凍液，導致氣道污染，使操縱執(zhí)行機構(gòu)電磁閥閥芯失效。

4" 防范措施

針對上述安全隱患，為避免產(chǎn)生類似的問題，筆者總結(jié)了如下幾點防范措施。

1）定期對車輛使用人員進行回訪，提醒和督促車輛使用人按時按期進行車輛相關零部件保養(yǎng)保修工作，定期對打氣泵放水，清理氣道。

2）對打氣泵內(nèi)添加防凍液、防腐液等物質(zhì)屬于違規(guī)操作，車輛生產(chǎn)商應對車輛使用人進行車輛使用培訓，對車輛使用人關注的問題詳細解答，對細小操作也要講解到位。

參考文獻：

[1] 周孟喜. 電動汽車驅(qū)動工況下的整車控制策略研究[D]. 重慶：重慶大學，2012.

[2] 張彧，馮輝宗，岑明，等. 基于CCP協(xié)議汽車電控單元標定系統(tǒng)的設計[J]. 車用發(fā)動機，2007（6）：59-63.

（編輯" 楊凱麟）