差速锁指示灯开关密封结构常见故障的分析及改进

2021-09-23董娟，李峰

汽车实用技术 2021年17期

董娟，李峰

（西安航天远征流体控制股份有限公司，陕西西安 710100）

前言

差速锁是一种锁止机构，用于锁死差速器，提升汽车在不良路面上的通过能力[1]。差速锁指示灯开关用于控制差速锁指示灯的亮灭，将差速锁当前所处状态的信号输出到驾驶室，使驾驶员清楚当前差速锁的工作状态[2]。

图1为差速锁指示灯开关结构简图。开关安装在差速锁气缸盖上，图2为差速锁指示灯开关安装简图，气缸盖进气口连接气路。开关初始安装时，在复位弹簧的作用下，活塞杆将顶杆推入开关内部，开关动片与定片分离，触点断开，差速锁指示灯不亮，遇不良路况差速锁开启时，进气口通气，气压力推动活塞杆带动拨叉下移，使差速锁工作。此时，开关顶杆在内部弹簧力下复位，动片和定片触点接触，开关接通，差速锁指示灯亮起[3]。

图1 差速锁指示灯开关结构简图

图2 差速锁开关安装简图

1 问题引入

差速锁未开启时，差速锁指示灯开关的顶杆和推杆上下挤压橡胶膜片，橡胶膜片长期处于压缩变形状态，图3为橡胶膜片安装状态。差速锁开启时，活塞杆上腔通气，气压力推动活塞杆下移的同时，气体进入开关下腔，与气缸上腔形成同一个密封腔，橡胶膜片被气压力推动变形，图4为差速锁开启时，橡胶膜片的状态。

图3 差速锁指示灯开关橡胶膜片安装状态

图4 差速锁开启时差速锁指示灯开关橡胶膜片状态

差速锁功能开启与否，橡胶膜片都会受较大的变形力，从理论分析来看，橡胶膜片是影响差速锁指示灯开关功能和寿命的关键零件。

实际使用中，对大量故障件分析发现，差速锁指示灯开关失效的主要原因是橡胶膜片密封失效，约占故障件的80%以上，表现为橡胶膜片老化、破裂等问题，与理论分析结果一致。

橡胶膜片密封失效主要表现为以下故障：

（1）差速锁功能失效。泄漏量较大时，差速锁气缸上腔压力不足，气压力不能克服复位弹簧弹力，无法推动活塞杆下移，差速锁功能失效，车辆难以脱困。

（2）差速锁指示灯常亮报警。差速锁指示灯常亮是指差速锁开启或关闭时，差速锁指示灯一直闪亮[4]。泄漏量较小时，气体在开关上腔憋压，开关上腔气压力大于差速锁气缸复位弹簧的弹簧力时，差速锁复位弹簧无法将开关触点断开，差速锁指示灯出现常亮故障，造成司机行车困扰。

以上两个故障都严重影响车辆的正常运行。

2 故障分析

差速锁指示灯开关橡胶膜片在适应复杂工况的同时，需满足密封和大行程变形的要求，膜片的结构设计普遍比较复杂，图5为差速锁指示灯开关橡胶膜片设计结构图。复杂的结构决定橡胶膜片的加工工艺性较差，橡胶硫化工序是影响橡胶膜片质量的关键工序，对橡胶制品企业过程控制能力要求较高，硫化过程控制不到位易造成橡胶膜片存在一些难以检出的缺陷。在使用过程中密封失效的主要原因有以下两点。

图5 差速锁指示灯开关橡胶膜片设计结构

2.1 生产加工缺陷

橡胶膜片属于非标橡胶制品，外观、尺寸及硬度等性能批量检验难度大、成本高，难以保证批量产品的一致性，橡胶膜片加工过程中的小缺陷在多次疲劳动作后缺陷放大引起膜片密封失效。

2.2 老化变形

重型卡车多用于工程机械，使用环境恶劣，且车辆内部气路情况较差，水汽、油污对开关橡胶膜片的寿命有很大影响，硬度变化是橡胶老化的一种表现[5]。试验证明，橡胶膜片硬度控制在HSA73～75时，橡胶膜片受气压力变形情况较好，开关一次装配合格率较高，调整橡胶膜片硬度小于HSA73时，开关一次装配合格率上升，但寿命降低；橡胶膜片硬度高于HSA75时，出现开关下腔通气后开关断开故障，成品报废率突增。使用过程中橡胶膜片硬度变化是开关发生故障的主要原因之一。

对橡胶膜片结构和材质进行多次改进后，开关极限寿命有所提高，由5～6万次提升至10万次。

受结构限制，10万次成为差速锁指示灯开关不可逾越的极限寿命，远不能满足车辆的使用要求。

3 结构改进

为解决橡胶膜片引起的失效问题，将橡胶膜片密封结构改进成O形圈密封结构，图6为密封结构改进后的开关原理图。O形圈密封结构简单、成本低廉，拆装方便，单件可实现双向密封，摩擦系数小，在机械设计中得到广泛应用[6]。改进后的差速锁指示灯开关由O形圈Ⅰ和O形圈Ⅱ代替橡胶膜片，将开关分割成上下两个腔，密封可靠性更高，改进后的结构具有以下优点：

图6 改进密封结构后的差速锁指示灯开关结构简图

3.1 开关承受气压力的能力提升

改进密封结构后开关下腔的受力面积为推杆下端面面积，气体进入开关下腔后，推杆下端面积小于橡胶膜片受力面积，可有效改善气压力对开关通断的影响，解决了橡胶膜片硬度超差引起的开关被气压力推开的故障。试验证明，改进密封结构前开关下腔通入约1.2 MPa的气压时，开关会被气压力断开。改进密封结构后的开关可承受2 MPa以上的气压力而不被断开。