隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展及國民消費水平的提升，汽車客戶對產(chǎn)品個性化及科技智能化要求也在逐步提升。而在進行科技智能化升級時，汽車應(yīng)用到越來越多的執(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)的齒輪斷裂問題為例，從設(shè)計、制造、材料、整車工況、軟件控制邏輯等方面進行問題原因解析。最終確定問題原因為執(zhí)行器控制策略不合理而導致的齒輪堵轉(zhuǎn)工況導致的斷裂。針對以上原因分別制定出從控制策略改善方面的三個方案，經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)三個方案均能極大地提升執(zhí)行器零件的耐久性和可靠性，進而最終徹底解決該斷裂問題。

　　一、問題背景

　　根據(jù)反饋，某汽車用執(zhí)行器機構(gòu)出現(xiàn)異響情況，對故障件進行拆解發(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，進而導致異響。

　　二、問題原因分析

　　總體分析思路

　　如圖2所示，按照人、機、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)過顯微鏡對斷口進行掃描分析，確認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，嚴重的會影響產(chǎn)品整體強度。經(jīng)過對故障件進行工業(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

　　對故障件模具進行排查，以確認模具是否存在影響齒輪強度的風險點，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)明顯影響齒輪強度的缺陷點，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行實地驗證及評估，未發(fā)現(xiàn)明顯異常因素。

　　對生產(chǎn)記錄進行排查未發(fā)現(xiàn)異常生產(chǎn)中斷等影響產(chǎn)品質(zhì)量的事項發(fā)生。

　　對材料重量進行分析計算，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，中心距偏小容易導致齒輪組嚙合出現(xiàn)根切現(xiàn)象進而導致執(zhí)行器動作卡滯甚至齒輪斷裂問題，中心距偏大容易導致齒輪運行中出現(xiàn)撞擊進而影響齒輪組耐久性。

　　對故障件同批次零件中心距進行排查，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)行器在車輛上的運行工況排查

　　車輛在點火、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致執(zhí)行器扭矩超差進而導致齒輪組超載導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)行器電機扭矩排查

　　經(jīng)過對同批次電機進行抽檢，測量20件電機產(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),以上與實車測量結(jié)果相吻合，如圖14所示。

　　執(zhí)行器齒輪組強度校核

　　該節(jié)通過靜態(tài)強度以及疲勞強度方面進行分析，判斷齒輪組強度是否滿足耐久性要求。

　　(1)齒輪組靜態(tài)強度校核 通過CAE 手段分析齒輪組靜態(tài)強度，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)齒輪組疲勞強度校核 如圖16所示，通過CAE手段分析齒輪疲勞強度，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，材料實際應(yīng)力超出材料許用應(yīng)力3倍以上，導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，第一種方法為增強執(zhí)行器齒輪組強度，第二種方法為通過改善控制策略，消除堵轉(zhuǎn)工況。兩種方法進行對比，第一種需要重新設(shè)計齒輪組，會導致執(zhí)行器尺寸增大，另外開發(fā)成本也大幅增加，經(jīng)濟性差，而第二種方法相對僅需要修正軟件控制邏輯，經(jīng)濟性和操作性也更好。

　　而對于第二種方法，我們制定了三種子方案進行嘗試驗證。

　　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)過臺架耐久及實車耐久驗證，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)過臺架耐久及實車耐久驗證，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)速控制的模塊進行控制(供電波形如圖18所示),降低正常使用有效電壓，進而降低執(zhí)行器輸出扭矩，提升耐久性能。經(jīng)過臺架耐久及實車耐久驗證，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。

　　參考文獻略.