基于正交试验的气动式机械差速锁功能台架试验影响因素研究

范春利，宁雪松，申春宝

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

基于正交试验的气动式机械差速锁功能台架试验影响因素研究

范春利，宁雪松，申春宝

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

对气动式机械差速锁的工作原理及失效原因进行研究分析，结合差速锁功能台架试验，基于正交试验方法分析了转速差、进气压力和啮合长度等3 个因素对差速锁功能试验的影响研究。通过对试验结果进行统计学分析，得出对气动式机械差速锁功能台架试验的影响大小顺序为转速差、啮合长度和进气压力，为产品的改进设计提供科学的试验依据。

差速锁；台架试验；正交试验；转速差；进气压力；啮合长度

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-13-03

前言

汽车驱动桥差速锁[1]作为提高车辆通过性、安全性能的关键部件，已成为驱动桥的一项重要配置，而气动式机械差速锁由于其结构简单，不需要设计 液压和电路回路的特点，已广泛应用于中、后桥及部分前驱动桥当中。

近年来，由于驱动桥差速锁功能失效[2]而导致用户损失严重的案例发生较多，进而用户要求巨额索赔，甚至要求退货。根据实车故障现象及售后服务部门的反馈信息分析可知，驱动桥差速锁功能失效主要包括三方面：一是差速锁的啮合齿套打齿损坏；二是差速锁无法锁止或脱开；三是差速锁锁止起车后，因受力而自行脱开。

本文从研究驱动桥差速锁的结构及工作原理入手，分析了驱动桥差速锁功能失效的主要原因，通过正交试验方法，对影响驱动桥差速锁功能的转速差、进气压力和啮合长度三个主要性能参数进行试验研究，为驱动桥差速锁的改进设计提供试验依据。

1、气动式机械差速锁工作原理及失效原因分析

气动式机械差速锁结构如图1所示，气缸1和活塞2共同组成工作腔，回位弹簧4和拨叉5套在拨叉轴3上，滑动齿套7与拨叉5配合，其工作原理为：通过气缸气压与弹簧来控制滑动齿套7与固定齿套6的啮合或脱开。通常情况下，当整车通过左右侧车轮路面附着系数相差较大的路面时，锁止差速锁来提升车辆的通过能力。

图1 差速锁结构图

差速锁的锁止及解锁过程[3]对左右侧车轮的相对转速差要求较严格，若转速差过大，在固定齿套和滑动齿套啮合的瞬间，会因为惯性载荷所产生的较大的动态冲击力而打齿损坏。进气压力的大小，影响了气缸和活塞直径的尺寸设计，当进气压力不足时，对活塞的推力不足以克服整个系统的摩擦力和回位弹簧的阻力，导致推动拨叉不能到达标准位置，进而使得固定齿套和滑动齿套的啮合齿部分啮合，因承载力过大导致打齿损坏。在保证固定齿套和滑动齿套的啮合齿充分啮合后，满足整车额定载荷的许用能力，必须要使两者的啮合齿的啮合长度达到一定的设计强度和抗冲击韧性，若啮合长度过小，会因载荷过大导致啮合齿断裂失效。

2、正交试验与分析

2.1 正交试验方案

表1 试验因素和水平表

正交试验[4]的特点是用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。基于上述失效原因的分析，为找到影响差速锁功能的主要性能参数，选取转速差、进气压力和啮合长度作为3 个因素进行正交试验，采用3因素3水平方式选择L9(34)的正交表进行优化研究，试验因素和水平表见表1。

2.2 正交试验结果

根据表1的试验因素和试验水平进行台架试验，为验证差速锁产品功能的可靠性，本文以差速锁实现完整的锁止和解锁的整个过程为功能性评价标准，即试验合格率，依据台架试验的正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果

2.3 正交试验极差分析

根据台架试验验证及表2正交试验结果，进行正交试验的极差分析，极差结果见表3，根据极差R的大小可以判断各因素对试验合格率的影响主次。通过极差分析的结果可知，各因素的极差结果比较为：A＞C＞B，因此，3种因素对试验合格率的影响的主次顺序为转速差A、啮合长度C和进气压力B。

表3 极差结果表

图2 因素指标趋势图

因素指标趋势图如图2所示，从图2中可以看出，随着转速差的增大，试验合格率呈先增大后变小的趋势，并且变化范围波动最大，说明转速差的范围大小对试验合格率的影响较为明显；随着进气压力的增加，试验合格率也是呈先增大后变小的趋势，但其变化范围波动不大；随着啮合长度的增加，试验合格率呈逐渐增大的趋势，啮合长度增加使固定齿套和滑动齿套的啮合强度增强，提高了承载能力，故其对试验合格率的影响不大。

2.4 正交试验方差分析

由于极差分析不能将试验中由于试验条件改变引起的数据波动同试验误差引起的数据波动区分开来，无法估计试验误差的大小，不能提出一个标准来判断所考察因素作用是否显著。为了弥补极差分析的缺陷，采用方差分析。通过正交试验中的相应计算分析，列出方差分析表，并进行显著性检验，结果如表4所示。

表4 方差结果表

由表4可知，对于转速差A的F值均大于F函数在α＝0.05和α＝0.1的函数值，即该因素对试验合格率的影响非常显著；啮合长度C的F值介于F函数在α＝0.05和α＝0.1的函数值之间，该因素对试验合格率的影响显著；而进气压力B和误差D的F值均小于F函数在α＝0.05和α＝0.1的函数值，这两个因素对试验合格率的影响相对于其他因素来说不明显，故说明在仅考虑转速差A、进气压力B和啮合长度C三因素对试验合格率的影响时，它们的选择至关重要，给出了产品的设计改进的重点要素，其中转速差A对试验合格率的影响尤为重要。

3、结论

（1）应用正交试验设计，同时采用统计学方法分析试验结果，利用较少的试验次数，分析了影响气动式机械差速锁功能台架试验的主要影响因素，为产品的改进设计提供科学的试验依据。

（2）各因素对气动式差速锁功能台架试验的影响大小顺序为转速差A、啮合长度C和进气压力，因此，在对差速锁产品的改进设计及产品升级的过程中，根据试验结果，可以为设计师提出关键的影响因素，即针对转速差的范围进行重点合理设计，可以提高工作效率，缩短产品开发周期。

[1] 刘惟信,汽车车桥设计[M],北京,清华大学出版社,2003:233-237.

[2] 窦春雨等,GDG130型高速多功能车差速锁锁齿碎裂原因分析及对策[J],工程机械,2012:66-67.

[3] 赵方庚等,越野汽车差速锁止机构自动控制系统控制策略研究[J],汽车工程,2005:97-99.

[4] 李云雁,胡传荣,试验设计与数据处理[ M] ,北京:化学工业出版社,2005:41 -52.

Based on the orthogonal experiment of pneumatic mechanical differential lock function research to the influential factors of bench test

Fan Chunli, Ning Xuesong, Shen ChunBao
( China's first auto co., LTD. Technology center, Jilin Changchun130011 )

The working principle and failure reason of pneumatic mechanical differential lock are analyzed, combined with the differential lock function bench test, based on the orthogonal test method,the effects of 3 factors, such as rotational speed difference, inlet pressure and engagement length,on the differential lock function test are analyzed.Through the statistical analysis of test results,it is concluded that the order of the influence of the pneumatic mechanical differential lock on the bench test is the rotational speed difference, the length of the engagement and the pressure of the inlet,to provide scientific experimental basis for improving the design of the products.

Differential lock; Bench test; Orthogonal test; Rotational speed difference; Pressure of the inlet; Length of the engagement

U461.9

A

1671-7988 (2017)10-13-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.006

范春利（1981-），男，吉林长春人，硕士，就职于中国第一汽车股份有限公司技术中心。主要从事汽车传动系统台架试验、试验方法分析与优化等研究。