差速鎖指示燈開關密封結構常見故障的 分析及改進

董 娟，李 峰

（西安航天遠征流體控制股份有限公司，陜西 西安 710100）

前言

差速鎖是一種鎖止機構，用于鎖死差速器，提升汽車在不良路面上的通過能力[1]。差速鎖指示燈開關用于控制差速鎖指示燈的亮滅，將差速鎖當前所處狀態的信號輸出到駕駛室，使駕駛員清楚當前差速鎖的工作狀態[2]。

圖1為差速鎖指示燈開關結構簡圖。開關安裝在差速鎖氣缸蓋上，圖2為差速鎖指示燈開關安裝簡圖，氣缸蓋進氣口連接氣路。開關初始安裝時，在復位彈簧的作用下，活塞桿將頂桿推入開關內部，開關動片與定片分離，觸點斷開，差速鎖指示燈不亮，遇不良路況差速鎖開啟時，進氣口通氣，氣壓力推動活塞桿帶動撥叉下移，使差速鎖工作。此時，開關頂桿在內部彈簧力下復位，動片和定片觸點接觸，開關接通，差速鎖指示燈亮起[3]。

圖1 差速鎖指示燈開關結構簡圖

圖2 差速鎖開關安裝簡圖

1 問題引入

差速鎖未開啟時，差速鎖指示燈開關的頂桿和推桿上下擠壓橡膠膜片，橡膠膜片長期處于壓縮變形狀態，圖3為橡膠膜片安裝狀態。差速鎖開啟時，活塞桿上腔通氣，氣壓力推動活塞桿下移的同時，氣體進入開關下腔，與氣缸上腔形成同一個密封腔，橡膠膜片被氣壓力推動變形，圖4為差速鎖開啟時，橡膠膜片的狀態。

圖3 差速鎖指示燈開關橡膠膜片安裝狀態

圖4 差速鎖開啟時差速鎖指示燈開關橡膠膜片狀態

差速鎖功能開啟與否，橡膠膜片都會受較大的變形力，從理論分析來看，橡膠膜片是影響差速鎖指示燈開關功能和壽命的關鍵零件。

實際使用中，對大量故障件分析發現，差速鎖指示燈開關失效的主要原因是橡膠膜片密封失效，約占故障件的80%以上，表現為橡膠膜片老化、破裂等問題，與理論分析結果一致。

橡膠膜片密封失效主要表現為以下故障：

（1）差速鎖功能失效。泄漏量較大時，差速鎖氣缸上腔壓力不足，氣壓力不能克服復位彈簧彈力，無法推動活塞桿下移，差速鎖功能失效，車輛難以脫困。

（2）差速鎖指示燈常亮報警。差速鎖指示燈常亮是指差速鎖開啟或關閉時，差速鎖指示燈一直閃亮[4]。泄漏量較小時，氣體在開關上腔憋壓，開關上腔氣壓力大于差速鎖氣缸復位彈簧的彈簧力時，差速鎖復位彈簧無法將開關觸點斷開，差速鎖指示燈出現常亮故障，造成司機行車困擾。

以上兩個故障都嚴重影響車輛的正常運行。

2 故障分析

差速鎖指示燈開關橡膠膜片在適應復雜工況的同時，需滿足密封和大行程變形的要求，膜片的結構設計普遍比較復雜，圖5為差速鎖指示燈開關橡膠膜片設計結構圖。復雜的結構決定橡膠膜片的加工工藝性較差，橡膠硫化工序是影響橡膠膜片質量的關鍵工序，對橡膠制品企業過程控制能力要求較高，硫化過程控制不到位易造成橡膠膜片存在一些難以檢出的缺陷。在使用過程中密封失效的主要原因有以下兩點。

圖5 差速鎖指示燈開關橡膠膜片設計結構

2.1 生產加工缺陷

橡膠膜片屬于非標橡膠制品，外觀、尺寸及硬度等性能批量檢驗難度大、成本高，難以保證批量產品的一致性，橡膠膜片加工過程中的小缺陷在多次疲勞動作后缺陷放大引起膜片密封失效。

2.2 老化變形

重型卡車多用于工程機械，使用環境惡劣，且車輛內部氣路情況較差，水汽、油污對開關橡膠膜片的壽命有很大影響， 硬度變化是橡膠老化的一種表現[5]。試驗證明，橡膠膜片硬度控制在HSA73～75時，橡膠膜片受氣壓力變形情況較好，開關一次裝配合格率較高，調整橡膠膜片硬度小于HSA73時，開關一次裝配合格率上升，但壽命降低；橡膠膜片硬度高于HSA75時，出現開關下腔通氣后開關斷開故障，成品報廢率突增。使用過程中橡膠膜片硬度變化是開關發生故障的主要原因之一。

對橡膠膜片結構和材質進行多次改進后，開關極限壽命有所提高，由5～6萬次提升至10萬次。

受結構限制，10萬次成為差速鎖指示燈開關不可逾越的極限壽命，遠不能滿足車輛的使用要求。

3 結構改進

為解決橡膠膜片引起的失效問題，將橡膠膜片密封結構改進成O形圈密封結構，圖6為密封結構改進后的開關原理圖。O形圈密封結構簡單、成本低廉，拆裝方便，單件可實現雙向密封，摩擦系數小，在機械設計中得到廣泛應用[6]。改進后的差速鎖指示燈開關由O形圈Ⅰ和O形圈Ⅱ代替橡膠膜片，將開關分割成上下兩個腔，密封可靠性更高，改進后的結構具有以下優點：

圖6 改進密封結構后的差速鎖指示燈開關結構簡圖

3.1 開關承受氣壓力的能力提升

改進密封結構后開關下腔的受力面積為推桿下端面面積，氣體進入開關下腔后，推桿下端面積小于橡膠膜片受力面積，可有效改善氣壓力對開關通斷的影響，解決了橡膠膜片硬度超差引起的開關被氣壓力推開的故障。試驗證明，改進密封結構前開關下腔通入約1.2 MPa的氣壓時，開關會被氣壓力斷開。改進密封結構后的開關可承受2 MPa以上的氣壓力而不被斷開。

3.2 氣密性能更可靠

新結構開關工作時，O形圈Ⅰ選用端面靜密封，O形圈Ⅱ為軸向動密封，推桿動作行程很小，兩個O形圈受力情況較好，可有效降低漏氣風險。

3.3 提升開關對工況的適應能力

新結構開關上下腔受壓面積均為推桿下端面的面積，O形圈微漏時，開關上腔憋壓，上腔氣體的受力面積大幅減小，氣壓力遠小于差速鎖氣缸復位彈簧的彈簧力，不會造成開關上腔憋壓時頂桿無法將開關斷開的故障，降低了開關對氣密性能的要求，提高了開關對工況的適應能力。

3.4 降低生產成本

標準O形圈，加工成本低廉，工藝成熟，殘次品率低，開關一次裝配合格率和售后質量均有提升，產品生產成本及索賠均大幅降低。

差速鎖開關改進密封結構后完成10件壽命試驗，壽命均超過50萬次未見異常。

裝車驗證2 000臺開關，12個月故障率為零。客戶反饋非常滿意，改進結構后的差速鎖指示燈開關性能可達到進口開關水平，目前已批量供貨超過5萬臺。

4 結論

（1）改進后的差速鎖指示燈開關，對工況的適應能力更高，在相同工況下對產品的密封性要求降低，壽命大幅提升。

（2）改進后的差速鎖指示燈開關裝車故障率下降，可及時準確的將差速鎖工作狀態反饋給司機，提升駕車安全性，降低產品質量索賠。

（3）O形圈在各行業大批量使用，加工方便、產品質量一致性高。此次結構改進選用標準O形圈，標準件的使用更適合大批量的生產，對產品的成品控制及可靠性有很大的提升。