隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展及國(guó)民消費(fèi)水平的提升，汽車(chē)客戶對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化及科技智能化要求也在逐步提升。而在進(jìn)行科技智能化升級(jí)時(shí)，汽車(chē)應(yīng)用到越來(lái)越多的執(zhí)行器部件。而執(zhí)行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)產(chǎn)品性能至關(guān)重要。本文以某執(zhí)行器零件出現(xiàn)的齒輪斷裂問(wèn)題為例，從設(shè)計(jì)、制造、材料、整車(chē)工況、軟件控制邏輯等方面進(jìn)行問(wèn)題原因解析。最終確定問(wèn)題原因?yàn)閳?zhí)行器控制策略不合理而導(dǎo)致的齒輪堵轉(zhuǎn)工況導(dǎo)致的斷裂。針對(duì)以上原因分別制定出從控制策略改善方面的三個(gè)方案，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)三個(gè)方案均能極大地提升執(zhí)行器零件的耐久性和可靠性，進(jìn)而最終徹底解決該斷裂問(wèn)題。

　　一、問(wèn)題背景

　　根據(jù)反饋，某汽車(chē)用執(zhí)行器機(jī)構(gòu)出現(xiàn)異響情況，對(duì)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(wèn)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(jì)、使用工況、電器控制邏輯設(shè)計(jì)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(guò)顯微鏡對(duì)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(wú)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(shí)因工藝原因會(huì)存在氣孔等缺陷，嚴(yán)重的會(huì)影響產(chǎn)品整體強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)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(xiǎn)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)故障對(duì)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(guò)程中的缺陷對(duì)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(shí)間、注射速度、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、模具溫度等，邀請(qǐng)材料專(zhuān)家對(duì)以上因素進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證及評(píng)估，未發(fā)現(xiàn)明顯異常因素。

　　對(duì)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(duì)材料重量進(jìn)行分析計(jì)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(duì)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(dòng)作卡滯甚至齒輪斷裂問(wèn)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(duì)故障件同批次零件中心距進(jìn)行排查，滿足設(shè)計(jì)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(duì)故障件齒輪齒形進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)其滿足設(shè)計(jì)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(guò)分析排查，發(fā)現(xiàn)故障件材料與設(shè)計(jì)材料相符。

　　執(zhí)行器在車(chē)輛上的運(yùn)行工況排查

　　車(chē)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(chē)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(wèn)題。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)至少30臺(tái)車(chē)輛的排查，通過(guò)示波器測(cè)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(chē)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(dòng)作1均存在明顯堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可能會(huì)影響產(chǎn)品性能。

　　執(zhí)行器電機(jī)扭矩排查

　　經(jīng)過(guò)對(duì)同批次電機(jī)進(jìn)行抽檢，測(cè)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(jì)范圍內(nèi)，在此不再詳述。

　　執(zhí)行器控制邏輯排查

　　對(duì)該執(zhí)行器控制邏輯進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)動(dòng)作1過(guò)程中存在明顯堵轉(zhuǎn)(供電時(shí)間500ms, 實(shí)際動(dòng)作所需時(shí)間320ms), 而動(dòng)作2無(wú)堵轉(zhuǎn)(位置開(kāi)關(guān)信號(hào)檢測(cè)到即斷電),以上與實(shí)車(chē)測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)改善控制策略，消除堵轉(zhuǎn)工況。兩種方法進(jìn)行對(duì)比，第一種需要重新設(shè)計(jì)齒輪組，會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器尺寸增大，另外開(kāi)發(fā)成本也大幅增加，經(jīng)濟(jì)性差，而第二種方法相對(duì)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(duì)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(shí)間

　　該方案僅修改動(dòng)作2的 BCM 給電時(shí)間，從而降低堵轉(zhuǎn)時(shí)間(執(zhí)行器動(dòng)作所需時(shí)間約為320ms, 堵轉(zhuǎn)時(shí)間約為 30ms, 如圖17所示),經(jīng)過(guò)臺(tái)架耐久及實(shí)車(chē)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(kāi)關(guān)，使其在位置1及位置 2均可通過(guò)感應(yīng)位置開(kāi)關(guān)及時(shí)斷電，消除堵轉(zhuǎn)工況，經(jīng)過(guò)臺(tái)架耐久及實(shí)車(chē)耐久驗(yàn)證，故障已消除，效果明顯。

　　方案三：通過(guò)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(guò)臺(tái)架耐久及實(shí)車(chē)耐久驗(yàn)證，故障已消除，效果明顯。另外通過(guò)調(diào)速控制，除了解決耐久性問(wèn)題，還大幅降低了執(zhí)行器動(dòng)作聲(對(duì)比如圖19所示)。

　　四、總結(jié)

　　本文結(jié)合某汽車(chē)用執(zhí)行器齒輪斷裂問(wèn)題分析及整改過(guò)程，簡(jiǎn)要說(shuō)明了執(zhí)行器類(lèi)零件的耐久性能排查思路及其解決措施。希望能對(duì)行業(yè)內(nèi)執(zhí)行器類(lèi)零件開(kāi)發(fā)工作提供必要的支持和借鑒。

　　參考文獻(xiàn)略.