宋媛媛，贾永琦

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119）

前言

目前市场上越来越多的重型载货车选用主副变速器结构的变速器来组成整车的动力系统。在这种变速器结构中，主变速器通过换挡杆进行机械式换挡，副变速器通过气路进行高、低挡切换，使主箱挡位数量翻倍。这种变速器的优点是增加了汽车的档位，提高燃油经济性和行驶平顺性，节约成本。

由于此类变速器副箱需要气路系统完成副箱高低挡位置的切换，因此气路系统的可靠性直接影响变速箱甚至整车的性能。通过用户调研及试验研究发现，常规环境下气路系统均可正常工作，但遇到低温环境，气路系统的表现则不尽如人意。例如，在我国东北、西北等寒区，冬季室外温度在零下二十几度的情况非常普遍，尤其是夜间。在此环境下静置了一晚的汽车重新启动时，变速箱气路系统均会出现不同程度的漏气、卡滞现象，导致整车气压不足、起步困难，成为冬季整车故障模式的高发点。据统计，我国东北冬季气阀故障率相比夏季增加至少70%，因此研究并解决气动元件低温故障显得尤为重要。

1 试验验证

为了分析研究该问题，我们在实验室对整车变速箱气路部分的气动元件进行了大量的低温试验。低温（-40℃）试验方法为将需要进行低温测试的被试件（以气路控制阀为例）放入高低温箱中，整个实验气路的其余部分放置在高低温箱外进行测试，通过驱动气缸压缩气路控制阀的顶杆及拨动预选阀的拨头实现气路的切换，各气路元件动作的时序靠时间继电器控制。然而每进行2000～3000次循环，试验气路总会出现如下故障模式：气路严重漏气、气路控制阀顶杆及驱动气缸卡滞直至停止。

1.1 漏气原因分析

针对漏气这种故障，试验人员在低温下打开试验箱进行逐一排查，分析原因如下：

（1）快插接头漏气；低温下，由于快插气管变形变硬，导致密封不良。分析发现试验用快插接头、气管均无法满足低温-40℃的试验条件，因此选用耐低温性较好的成型气管接头（与整车气路一致），消除由于接头漏气对试验造成的影响。

（2）气阀漏气；目前绝大多数气阀内部密封圈均采用氟橡胶，但氟橡胶在-20℃左右就失去了橡胶的高弹性，它在动态下的使用温度极限为-29℃，在-32℃左右就变硬发脆。

解决方案：气阀内密封圈材质选用耐低温性能更好的氢化丁腈橡胶，氢化丁腈橡胶（HNBR）是由丁腈橡胶(NBR)经催化加氢而制得的新型弹性体，加氢反应使得HNBR大分子主链上的不饱和双键数量大幅减少，从而赋予其优异的耐热性、耐候性。不同橡胶材质的主要特点及使用温度见下表：

表1 不同橡胶材质的主要特点及使用温度

1.2 卡滞原因分析

更换密封圈材料后发现漏气问题解决，但卡滞问题依旧存在。起初认为卡滞是由于气阀内部O型圈、阀芯及顶杆磨损造成的，但拆解低温下卡滞的样品并未发现内部有异常磨损存在，并且恢复至常温后卡滞现象消失。多次试验发现卡滞是低温下特有的故障现象，通过低温状态下对整个气路进行大量的拆解和检查，发现低温箱内的气路及气动元件普遍含有较多水分，有些气路的进气气管甚至结冰堵死。而试验气路的气源是经过空气干燥机处理过的常温下干燥的压缩空气，分析原因为常温下的压缩空气沿着气路进入高低温箱内，遇冷发生冷凝，冷凝过程会析出水分，附着在气管内壁及样品内部，在低温下迅速结冰，成为低温下阀体内部阀杆及顶杆的运动障碍。气路的缓慢切换导致阀体内部凝结的水分越来越多，结冰越来越严重直至阀体完全无法动作，整车启动失败。另外，冷凝水附着在气管内壁很容易引起气管堵塞，样品进气压力不足导致样品在低温下无法正常动作，低温寿命试验很难继续进行。

试验室内解决方案：

（1）将全部气路放置在低温环境中，减少了气路本身的冷热交换；

（2）将低温箱内所有气阀的排气口通过气管引出至高低温箱外，防止高低温箱内大量的低温废气和外界空气发生交换，导致高低温箱内结冰严重；

（3）在试验气路前高低温箱内增加两个储气罐，常温压缩空气进入高低温箱 后先进入储气罐，析出的水分首先凝结在储气罐内壁上，使通过试验样品的压缩空气相对干燥，减少冷凝水吸附在样品上的概率，通过定期清除储气罐中的冰来防止气路结冰严重导致堵塞，延长低温试验的连续工作时间。

（4）将原驱动气缸的氟橡胶 O型密封圈改为一对丁腈橡胶Y型密封圈。丁腈橡胶的耐低温性能比氟橡胶的耐低温性能更好，带支撑环的双侧密封圈密封效果更好，密封断面尺寸大，不容易引起变形失效。定期维护保养驱动气缸内部的密封圈，防止在低温下润滑脂失效造成驱动气缸卡滞。

通过以上改进措施，样品在低温下连续动作的次数由2000～3000次延长到了6000～8000次，低温试验效率的显著提高证实了以上分析的正确性，为研究低温下气阀的工作寿命找到了突破口。

为了更加彻底的除掉低温下压缩空气中的水分，实验室配备了一台低温专用的无热再生吸附式干燥器，干燥器通过变压吸附原理来达到干燥效果。由于空气容纳水汽的能力与压力成反比，其干燥后的一部分空气减压膨胀至大气压，这种压力变化使膨胀空气变得更干燥呢，然后让它流过需再生的干燥剂层，干燥的再生气吸出干燥剂里的水分，将其带出干燥器来达到脱湿的目的。采用双塔交替吸附的工作方式连续不断的输出干燥压缩空气。成品气露点可达到-70℃，可彻底除掉-40℃低温下压缩空气中的水分，经过试验验证，增加此干燥器后无需以上改进措施1、2、3条就能保证气路连续切换 5万次气路无由于结冰造成的卡滞或进气气管堵死现象，能更直观的测试低温条件对气阀样品密封圈、润滑脂的影响。

2 试验结论

通过以上试验改进可以得出：低温状态下气阀失效的主要原因归结为密封圈失效和试验气路中有冷凝水存在两个方面。密封圈失效可以通过改用耐低温效果更好的氢化丁腈橡胶材质来解决，试验气路中有冷凝水的实验室解决方案是增加冷凝器，彻底去除低温下气路中的冷凝水；用户解决方案是定期保养整车过滤系统、定期更换整车干燥罐，保持整车气路尽可能干燥和清洁。

大部分气阀产品在低温下泄漏的现象在恢复至常温后都是会消除的，这是由于随着温度的升高阀体内部的O型圈恢复弹性，重新保持密封状态，压缩空气也会由于温度的升高而重新变得干燥。但如果多次在低温下强行换挡，变硬变脆的O型圈在往复运动的过程中很容易受到阀体内部结冰和其他杂质的划伤和损坏，造成不可恢复的泄漏故障。因此建议用户在低温环境下如果遇到由于气阀卡滞而造成的换挡困难等故障，注意不要连续强行换挡，以免造成不必要的损失。