一、問題背景
根據(jù)反饋，某汽車用執(zhí)行器機(jī)構(gòu)出現(xiàn)異響情況，對故障件進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器內(nèi)部齒輪(2#/3#,如圖1所示深色零件)出現(xiàn)斷裂故障，進(jìn)而導(dǎo)致異響。
二、問題原因分析
總體分析思路
如圖2所示，按照人、機(jī)、料、法、環(huán)等因素，從齒輪制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用工況、電器控制邏輯設(shè)計等方面進(jìn)行全面分析和排查。
故障件斷面排查
(1)故障件齒輪斷口排查 如圖3及圖4所示，經(jīng)過顯微鏡對斷口進(jìn)行掃描分析，確認(rèn)斷裂形式為脆性斷裂，材料結(jié)晶度狀態(tài)良好。齒面及斷口無明顯缺料等工藝缺陷。
(2)故障件材料孔隙排查 如圖5所示，塑料產(chǎn)品在注塑時因工藝原因會存在氣孔等缺陷，嚴(yán)重的會影響產(chǎn)品整體強(qiáng)度。經(jīng)過對故障件進(jìn)行工業(yè) CT掃描，分析故障件各斷面孔隙率及孔隙大小，發(fā)現(xiàn)其符合注塑要求，未現(xiàn)明顯缺陷。
齒輪制造
(1)故障件模具排查
對故障件模具進(jìn)行排查，以確認(rèn)模具是否存在影響齒輪強(qiáng)度的風(fēng)險點(diǎn)，經(jīng)過對故障對應(yīng)模腔齒輪模具放大及掃描觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯影響齒輪強(qiáng)度的缺陷點(diǎn)，如圖6所示。
(2)齒輪注塑工藝排查
注塑件注塑過程中的缺陷對產(chǎn)品強(qiáng)度存在很大影響。主要影響因素如料溫、注射壓力、注射時間、注射速度、保壓時間、冷卻時間、模具溫度等，邀請材料專家對以上因素進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證及評估，未發(fā)現(xiàn)明顯異常因素。
對生產(chǎn)記錄進(jìn)行排查未發(fā)現(xiàn)異常生產(chǎn)中斷等影響產(chǎn)品質(zhì)量的事項(xiàng)發(fā)生。
對材料重量進(jìn)行分析計算，排除了材料降解的可能性，在此不做詳述。
(3)故障件齒輪尺寸排查
1)執(zhí)行器齒輪組中心距尺寸排查。執(zhí)行器齒輪組中心距對齒輪產(chǎn)品耐久性存在較大影響，中心距偏小容易導(dǎo)致齒輪組嚙合出現(xiàn)根切現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致執(zhí)行器動作卡滯甚至齒輪斷裂問題，中心距偏大容易導(dǎo)致齒輪運(yùn)行中出現(xiàn)撞擊進(jìn)而影響齒輪組耐久性。
對故障件同批次零件中心距進(jìn)行排查，滿足設(shè)計要求，在此不再詳述。
2)執(zhí)行器齒輪齒形排查。如圖7所示，對故障件齒輪齒形進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)其滿足設(shè)計要求。
材料符合性排查
在材料符合性排查中，結(jié)合了兩種方法進(jìn)行材料成分分析和材料特性分析，分別為傅立葉變換紅外吸收光譜分析 (FTIR, 如圖8所示)以及差示掃描熱法 (DSC, 如圖9所示)。經(jīng)過分析排查，發(fā)現(xiàn)故障件材料與設(shè)計材料相符。
執(zhí)行器在車輛上的運(yùn)行工況排查
車輛在點(diǎn)火、熄火工況下其電壓存在差異，本節(jié)主要排查車輛在不同工況下是否存在高電壓導(dǎo)致執(zhí)行器扭矩超差進(jìn)而導(dǎo)致齒輪組超載導(dǎo)致的耐久性能降低問題。
經(jīng)過對至少30臺車輛的排查，通過示波器測量執(zhí)行器插接器處的輸入電壓和電流，發(fā)現(xiàn)其工作電壓均滿足執(zhí)行器允許工作電壓區(qū)間，如圖10~圖13所示。
從以上電壓、電流曲線圖可以看出，車輛在點(diǎn)火工況下其工作電壓較熄火工況下高。另外，不論在熄火還是點(diǎn)火工況下，動作1均存在明顯堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可能會影響產(chǎn)品性能。
執(zhí)行器電機(jī)扭矩排查
經(jīng)過對同批次電機(jī)進(jìn)行抽檢，測量20件電機(jī)產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)其輸出扭矩、轉(zhuǎn)速均在設(shè)計范圍內(nèi)，在此不再詳述。
執(zhí)行器控制邏輯排查
對該執(zhí)行器控制邏輯進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)動作1過程中存在明顯堵轉(zhuǎn)(供電時間500ms, 實(shí)際動作所需時間320ms), 而動作2無堵轉(zhuǎn)(位置開關(guān)信號檢測到即斷電),以上與實(shí)車測量結(jié)果相吻合，如圖14所示。
執(zhí)行器齒輪組強(qiáng)度校核
該節(jié)通過靜態(tài)強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度方面進(jìn)行分析，判斷齒輪組強(qiáng)度是否滿足耐久性要求。
(1)齒輪組靜態(tài)強(qiáng)度校核 通過CAE 手段分析齒輪組靜態(tài)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其靜態(tài)應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，安全系數(shù)約為1.3,如圖15所示。
(2)齒輪組疲勞強(qiáng)度校核 如圖16所示，通過CAE手段分析齒輪疲勞強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其在2.7節(jié)所述存在堵轉(zhuǎn)工況的控制邏輯下，材料實(shí)際應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力3倍以上，導(dǎo)致其耐疲勞性能不滿足要求。
分析總結(jié)
從上述分析可以看出，出現(xiàn)該故障的原因是其控制邏輯中存在堵轉(zhuǎn)工況，而執(zhí)行器齒輪組疲勞強(qiáng)度無法滿足堵轉(zhuǎn)工況下的耐久性要求。
三、執(zhí)行器整改方案
根據(jù)原因分析情況看，解決執(zhí)行器耐久性能存在兩種方法，第一種方法為增強(qiáng)執(zhí)行器齒輪組強(qiáng)度，第二種方法為通過改善控制策略，消除堵轉(zhuǎn)工況。兩種方法進(jìn)行對比，第一種需要重新設(shè)計齒輪組，會導(dǎo)致執(zhí)行器尺寸增大，另外開發(fā)成本也大幅增加，經(jīng)濟(jì)性差，而第二種方法相對僅需要修正軟件控制邏輯，經(jīng)濟(jì)性和操作性也更好。
而對于第二種方法，我們制定了三種子方案進(jìn)行嘗試驗(yàn)證。
方案一 ：降低堵轉(zhuǎn)時間
該方案僅修改動作2的 BCM 給電時間，從而降低堵轉(zhuǎn)時間(執(zhí)行器動作所需時間約為320ms, 堵轉(zhuǎn)時間約為 30ms, 如圖17所示),經(jīng)過臺架耐久及實(shí)車耐久驗(yàn)證，故障已消除，效果明顯。
方案二：消除堵轉(zhuǎn)工況
執(zhí)行器所需電器件增加位置開關(guān)，使其在位置1及位置 2均可通過感應(yīng)位置開關(guān)及時斷電，消除堵轉(zhuǎn)工況，經(jīng)過臺架耐久及實(shí)車耐久驗(yàn)證，故障已消除，效果明顯。
方案三：通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 調(diào)速控制降低輸出扭矩
更換執(zhí)行器控制模塊，采用具備PWM 調(diào)速控制的模塊進(jìn)行控制(供電波形如圖18所示),降低正常使用有效電壓，進(jìn)而降低執(zhí)行器輸出扭矩，提升耐久性能。經(jīng)過臺架耐久及實(shí)車耐久驗(yàn)證，故障已消除，效果明顯。另外通過調(diào)速控制，除了解決耐久性問題，還大幅降低了執(zhí)行器動作聲(對比如圖19所示)。
四、總結(jié)
本文結(jié)合某汽車用執(zhí)行器齒輪斷裂問題分析及整改過程，簡要說明了執(zhí)行器類零件的耐久性能排查思路及其解決措施。希望能對行業(yè)內(nèi)執(zhí)行器類零件開發(fā)工作提供必要的支持和借鑒。
參考文獻(xiàn)略.