范春利，寧雪松，申春寶

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

基于正交試驗(yàn)的氣動式機(jī)械差速鎖功能臺架試驗(yàn)影響因素研究

范春利，寧雪松，申春寶

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

對氣動式機(jī)械差速鎖的工作原理及失效原因進(jìn)行研究分析，結(jié)合差速鎖功能臺架試驗(yàn)，基于正交試驗(yàn)方法分析了轉(zhuǎn)速差、進(jìn)氣壓力和嚙合長度等3 個(gè)因素對差速鎖功能試驗(yàn)的影響研究。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得出對氣動式機(jī)械差速鎖功能臺架試驗(yàn)的影響大小順序?yàn)檗D(zhuǎn)速差、嚙合長度和進(jìn)氣壓力，為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。

差速鎖；臺架試驗(yàn)；正交試驗(yàn)；轉(zhuǎn)速差；進(jìn)氣壓力；嚙合長度

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-13-03

前言

汽車驅(qū)動橋差速鎖[1]作為提高車輛通過性、安全性能的關(guān)鍵部件，已成為驅(qū)動橋的一項(xiàng)重要配置，而氣動式機(jī)械差速鎖由于其結(jié)構(gòu)簡單，不需要設(shè)計(jì) 液壓和電路回路的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于中、后橋及部分前驅(qū)動橋當(dāng)中。

近年來，由于驅(qū)動橋差速鎖功能失效[2]而導(dǎo)致用戶損失嚴(yán)重的案例發(fā)生較多，進(jìn)而用戶要求巨額索賠，甚至要求退貨。根據(jù)實(shí)車故障現(xiàn)象及售后服務(wù)部門的反饋信息分析可知，驅(qū)動橋差速鎖功能失效主要包括三方面：一是差速鎖的嚙合齒套打齒損壞；二是差速鎖無法鎖止或脫開；三是差速鎖鎖止起車后，因受力而自行脫開。

本文從研究驅(qū)動橋差速鎖的結(jié)構(gòu)及工作原理入手，分析了驅(qū)動橋差速鎖功能失效的主要原因，通過正交試驗(yàn)方法，對影響驅(qū)動橋差速鎖功能的轉(zhuǎn)速差、進(jìn)氣壓力和嚙合長度三個(gè)主要性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為驅(qū)動橋差速鎖的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1、氣動式機(jī)械差速鎖工作原理及失效原因分析

氣動式機(jī)械差速鎖結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣缸1和活塞2共同組成工作腔，回位彈簧4和撥叉5套在撥叉軸3上，滑動齒套7與撥叉5配合，其工作原理為：通過氣缸氣壓與彈簧來控制滑動齒套7與固定齒套6的嚙合或脫開。通常情況下，當(dāng)整車通過左右側(cè)車輪路面附著系數(shù)相差較大的路面時(shí)，鎖止差速鎖來提升車輛的通過能力。

圖1 差速鎖結(jié)構(gòu)圖

差速鎖的鎖止及解鎖過程[3]對左右側(cè)車輪的相對轉(zhuǎn)速差要求較嚴(yán)格，若轉(zhuǎn)速差過大，在固定齒套和滑動齒套嚙合的瞬間，會因?yàn)閼T性載荷所產(chǎn)生的較大的動態(tài)沖擊力而打齒損壞。進(jìn)氣壓力的大小，影響了氣缸和活塞直徑的尺寸設(shè)計(jì)，當(dāng)進(jìn)氣壓力不足時(shí)，對活塞的推力不足以克服整個(gè)系統(tǒng)的摩擦力和回位彈簧的阻力，導(dǎo)致推動撥叉不能到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)位置，進(jìn)而使得固定齒套和滑動齒套的嚙合齒部分嚙合，因承載力過大導(dǎo)致打齒損壞。在保證固定齒套和滑動齒套的嚙合齒充分嚙合后，滿足整車額定載荷的許用能力，必須要使兩者的嚙合齒的嚙合長度達(dá)到一定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和抗沖擊韌性，若嚙合長度過小，會因載荷過大導(dǎo)致嚙合齒斷裂失效。

2、正交試驗(yàn)與分析

2.1 正交試驗(yàn)方案

表1 試驗(yàn)因素和水平表

正交試驗(yàn)[4]的特點(diǎn)是用部分試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)，通過對部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況。基于上述失效原因的分析，為找到影響差速鎖功能的主要性能參數(shù)，選取轉(zhuǎn)速差、進(jìn)氣壓力和嚙合長度作為3 個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用3因素3水平方式選擇L9(34)的正交表進(jìn)行優(yōu)化研究，試驗(yàn)因素和水平表見表1。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1的試驗(yàn)因素和試驗(yàn)水平進(jìn)行臺架試驗(yàn)，為驗(yàn)證差速鎖產(chǎn)品功能的可靠性，本文以差速鎖實(shí)現(xiàn)完整的鎖止和解鎖的整個(gè)過程為功能性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即試驗(yàn)合格率，依據(jù)臺架試驗(yàn)的正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 正交試驗(yàn)極差分析

根據(jù)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證及表2正交試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行正交試驗(yàn)的極差分析，極差結(jié)果見表3，根據(jù)極差R的大小可以判斷各因素對試驗(yàn)合格率的影響主次。通過極差分析的結(jié)果可知，各因素的極差結(jié)果比較為：A＞C＞B，因此，3種因素對試驗(yàn)合格率的影響的主次順序?yàn)檗D(zhuǎn)速差A(yù)、嚙合長度C和進(jìn)氣壓力B。

表3 極差結(jié)果表

圖2 因素指標(biāo)趨勢圖

因素指標(biāo)趨勢圖如圖2所示，從圖2中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速差的增大，試驗(yàn)合格率呈先增大后變小的趨勢，并且變化范圍波動最大，說明轉(zhuǎn)速差的范圍大小對試驗(yàn)合格率的影響較為明顯；隨著進(jìn)氣壓力的增加，試驗(yàn)合格率也是呈先增大后變小的趨勢，但其變化范圍波動不大；隨著嚙合長度的增加，試驗(yàn)合格率呈逐漸增大的趨勢，嚙合長度增加使固定齒套和滑動齒套的嚙合強(qiáng)度增強(qiáng)，提高了承載能力，故其對試驗(yàn)合格率的影響不大。

2.4 正交試驗(yàn)方差分析

由于極差分析不能將試驗(yàn)中由于試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動同試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開來，無法估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小，不能提出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷所考察因素作用是否顯著。為了彌補(bǔ)極差分析的缺陷，采用方差分析。通過正交試驗(yàn)中的相應(yīng)計(jì)算分析，列出方差分析表，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 方差結(jié)果表

由表4可知，對于轉(zhuǎn)速差A(yù)的F值均大于F函數(shù)在α＝0.05和α＝0.1的函數(shù)值，即該因素對試驗(yàn)合格率的影響非常顯著；嚙合長度C的F值介于F函數(shù)在α＝0.05和α＝0.1的函數(shù)值之間，該因素對試驗(yàn)合格率的影響顯著；而進(jìn)氣壓力B和誤差D的F值均小于F函數(shù)在α＝0.05和α＝0.1的函數(shù)值，這兩個(gè)因素對試驗(yàn)合格率的影響相對于其他因素來說不明顯，故說明在僅考慮轉(zhuǎn)速差A(yù)、進(jìn)氣壓力B和嚙合長度C三因素對試驗(yàn)合格率的影響時(shí)，它們的選擇至關(guān)重要，給出了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)的重點(diǎn)要素，其中轉(zhuǎn)速差A(yù)對試驗(yàn)合格率的影響尤為重要。

3、結(jié)論

（1）應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析試驗(yàn)結(jié)果，利用較少的試驗(yàn)次數(shù)，分析了影響氣動式機(jī)械差速鎖功能臺架試驗(yàn)的主要影響因素，為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。

（2）各因素對氣動式差速鎖功能臺架試驗(yàn)的影響大小順序?yàn)檗D(zhuǎn)速差A(yù)、嚙合長度C和進(jìn)氣壓力，因此，在對差速鎖產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品升級的過程中，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以為設(shè)計(jì)師提出關(guān)鍵的影響因素，即針對轉(zhuǎn)速差的范圍進(jìn)行重點(diǎn)合理設(shè)計(jì)，可以提高工作效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

[1] 劉惟信,汽車車橋設(shè)計(jì)[M],北京,清華大學(xué)出版社,2003:233-237.

[2] 竇春雨等,GDG130型高速多功能車差速鎖鎖齒碎裂原因分析及對策[J],工程機(jī)械,2012:66-67.

[3] 趙方庚等,越野汽車差速鎖止機(jī)構(gòu)自動控制系統(tǒng)控制策略研究[J],汽車工程,2005:97-99.

[4] 李云雁,胡傳榮,試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[ M] ,北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:41 -52.

Based on the orthogonal experiment of pneumatic mechanical differential lock function research to the influential factors of bench test

Fan Chunli, Ning Xuesong, Shen ChunBao
( China's first auto co., LTD. Technology center, Jilin Changchun130011 )

The working principle and failure reason of pneumatic mechanical differential lock are analyzed, combined with the differential lock function bench test, based on the orthogonal test method,the effects of 3 factors, such as rotational speed difference, inlet pressure and engagement length,on the differential lock function test are analyzed.Through the statistical analysis of test results,it is concluded that the order of the influence of the pneumatic mechanical differential lock on the bench test is the rotational speed difference, the length of the engagement and the pressure of the inlet,to provide scientific experimental basis for improving the design of the products.

Differential lock; Bench test; Orthogonal test; Rotational speed difference; Pressure of the inlet; Length of the engagement

U461.9

A

1671-7988 (2017)10-13-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.006

范春利（1981-），男，吉林長春人，碩士，就職于中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心。主要從事汽車傳動系統(tǒng)臺架試驗(yàn)、試驗(yàn)方法分析與優(yōu)化等研究。