汽车变速器挡位开关失效模式分析研究

姜莹、段云宏

（法士特汽车传动集团公司，西安 710119）

0 引言

挡位开关是重型汽车变速器总成上配备的一种用以指示变速器挡位信息的电器元件。作为一种传导感应机构，挡位开关将接收到来自操纵机构的压力信号并转换为开关型电信号，从而将变速器的挡位信息传递至整车的显示仪表及控制电路。变速器上常用的挡位开关有空挡开关、倒挡开关，也有部分变速器副箱上增加了高低挡指示开关。

挡位开关主要由顶杆、衬套、动片、静片、复位弹簧、接线柱和外壳等部件组成。挡位开关的工作原理如图1所示：在规定外力作用下，顶杆在一定范围内作直线运动，去推动触点闭合(或打开)；一旦外力消失，在复位弹簧的作用下，顶杆自动复位，使触点保持原始状态。由于高低挡开关出现故障的情况很少，故不对其进行研究，本文主要针对空挡和倒挡开关进行研究（以下统称为挡位开关）。

图1 挡位开关工作原理图

1 挡位开关性能要求及失效

作为一种实时监测、显示变速器挡位状态的电器元件，挡位开关在汽车传动系统中被广泛应用。由于其应用环境的复杂性和自身重要性，开关需要耐高低温、耐水、耐盐雾腐蚀以及耐瞬时强电流等性能。

因此，在用户使用过程中，挡位开关会出现多种失效模式。本文就重型汽车变速器总成挡位开关的应用为研究对象，通过对重型汽车市场返回的挡位开关旧件进行检验，对故障类型进行分类，并对挡位开关通断功能失效的故障模式进行了深入剖析。通过查找导致挡位开关失效的根本原因，旨在为今后传动系统故障排查以及挡位开关产品设计改进提供新的思路。鉴于空挡和倒挡开关出现的失效模式基本相同，以下分析的常见挡位开关失效模式全部针对这2 种开关。

2 挡位开关失效模式分析

通过对挡位开关旧件的检验，本文总结了挡位开关通断功能失效的9 种常见故障模式（图2）。下文对这10 种失效模式逐一分析，找到其失效的根本原因。

图2 挡位开关故障模式树图

2.1 开关触点积炭烧蚀

挡位开关触点的通断直接关系到开关的性能，而触点表面的积炭烧蚀会影响开关闭合时的瞬时电流（图3）。

图3 开关内部烧蚀

挡位开关触点的直径大小和复层厚度直接影响触点的载流能力以及耐电腐蚀性能，其质量的好坏在很大程度上决定了电器元件的质量以及可靠性。因此在选用的过程中，要综合考虑整车电压、瞬时大电流以及开关内部结构等因素。

一般情况下，在设计开关与变速器配合尺寸链时，考虑到使用过程中开关内部弹簧的力衰减和配套件的磨损,尽可能地保障开关在触发挡位状态下有一定的过压量。

如果驾驶员在换挡过程中存在长时间的停顿，那么动静片触点也会长时间处于一种似接触非接触的状态，触点之间存在很小的间隙。当这个间隙小于整车电压所能击穿的空气膜厚度时，间隙之间的空气会被击穿，触点间产生电弧现象。电弧烧蚀触点材料，导致触点表面物质炭化，当炭化量累积到一定程度时,开关通断功能失效。因此，尽可能避免在换挡过程中长时间停顿，以减小电弧对动静片触点的烧蚀影响。

2.2 开关内部进入杂质

开关外壳防护等级直接影响开关在使用中，其内部是否会进入过多杂质，继而导致开关故障现象（图4）。所以设计开关外壳的防护等级要尽可能防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘进入，但进入的灰尘量应不会影响开关的正常操作。目前我司现行的开关防护等级为IP67，即为防护灰尘吸入（整体防止接触，防护灰尘渗透），防护短暂浸泡（防浸）。开关在进行了高低温、防水、防尘、盐雾、耐腐蚀和耐湿热等相关试验后，外壳完好无损伤，很好地起到了防止外部杂质进入开关内部的作用。

图4 开关内部进入杂质

2.3 开关内部进油

当挡位开关的密封出现问题，会导致开关内部进油（图5），影响开关的性能。造成挡位开关进油的原因如下。

图5 开关内部进油

翻铆压力直接影响开关内部密封垫的变形量。翻铆压力太小，密封垫形变不足，导致密封效果不佳，内部进油；翻铆压力过大，密封垫被过度压缩，导致密封垫寿命下降。根据实际翻铆经验，开关材料为HPb59-1 铜材，翻边壁厚0.60 mm，翻边面积205.00 mm为例，翻铆压力的合理范围为3.0～7.5 MPa，最佳翻铆压力为5.0 MPa 左右。

开关密封效果的检测方法为：利用密封原理，将开关插头部分打孔，使右半部分与外界连通，给左半边部分通入0.8 MPa 的气压，通过涂抹肥皂水的办法观察右半部分打孔处是否存在气泡。孔口处没有气泡产生，即为密封良好，否则为不合格品。

密封垫的材质影响其寿命、密封性能、耐高低温性能、耐油以及耐腐蚀性能。开关内部密封垫在起密封作用的同时，还要通过自身形变传递顶杆力，因此要求该部位密封垫额韧性和耐疲劳性要好。实践证明，使用带有尼龙布的密封垫能够满足实际使用工况，防止在使用过程中密封垫发生破损。密封垫的选型是一项较为复杂的任务，选取时应充分考虑其工况（包括温湿度、压力分布和工作介质等），并进行相关实验验证。

2.4 顶杆卡死

挡位开关的顶杆是推动触电打开和闭合的关键部件，如果顶杆卡死会直接导致开关失效（图6）。造成顶杆卡死的原因如下。

图6 开关顶杆卡死

挡位开关在变速器上的拧紧力矩过大，会造成开关螺纹拉长，壳体孔口收缩变形，导致顶杆卡死，甚至会导致开关壳体发生断裂。如果拧紧力矩太小，则会导致在使用过程中开关容易松动，触发点发生变化，开关不能被有效触发。另外，开关拧紧力矩过小，也会导致变速器内的齿轮油外渗。因此，合理的拧紧力矩对开关的使用寿命至关重要。目前，开关M18 螺纹拧紧力矩为44～50 N·m，M14 螺纹拧紧力矩为20～27 N·m。

开关顶杆与铜壳的配合公差以及接触表面的粗糙度会直接影响开关顶杆的运动。开关顶杆与铜壳的配合为间隙配合，配合间隙设计太大时，壳体顶杆孔的导向作用变差，顶杆容易卡死，导致换不上挡，影响整个传动系统。当配合间隙设计太小时，顶杆运动不畅，如果顶杆或壳体顶杆孔出现加工误差时，开关顶杆也容易卡死。

另外，接触表面的表面粗糙度对顶杆和壳体顶杆孔的相对运动也至关重要。目前，顶杆与壳体顶杆孔的表面粗糙度Ra 的上限值为0.8。装配挡位开关时，在顶杆头部涂抹适量的润滑脂，满足挡位开关的使用工况。

2.5 换挡卡滞

在售后反馈的信息中，存在换挡卡滞的故障现象，而拆下换挡开关后，换挡卡滞现象消失。开关的功能以及现有挡位排布决定了，换挡开关的触发方式为V 形槽触发或导块触发（图7），这对开关顶杆粗糙度、V 型槽面和导块接触面粗糙度、V 形槽面顶端的倒圆角以及换挡转角要求较高。尤其是加工中如果存在毛刺，会直接导致开关与V 形槽卡死。因此，寻找新的挡位开关触发方式能够从根本上解决此类卡滞问题。

图7 常见挡位开关触发原理图

2.6 开关的静片脱落

静片通过铆接固定在静片槽内，并与接线柱相连。静片在铆接过程中不仅要牢固（图8），而且要保持一定的弯型，以保证动静片触点能够有效接触。铆接质量直接影响静片的可靠程度。通过对铆接后的静片进行抗冲击性能检测，可以达到对铆接质量验证的目的。

图8 动静片变形、脱落

检测方法为：从1 000.00 mm 高度将铆接后的静片组件进行自由落体，静片不能出现脱落和松动。跌落试验后，再将组件用0.5 kg 冲击锤从相对200.00 mm 高度自由落体,对铆接后的静片正面进行撞击5 次，静片不能出现脱落和松动现象。

2.7 动静片变形

挡位开关动静片的抗变形能力减弱，会造成挡位开关失效的可能性增加。影响动静片抗变形能力的因素有以下2 点。

动静片的厚度直接影响动静片的抗变形能力。改进前动静片的厚度为0.70 mm，改进后的动静片厚度达到0.80 mm。经过试验验证，增加厚度后的动静片抗形变能力提升40%左右，满足现有开关的使用工况。

在铆接静片时，应避免冲头对静片弯型的影响。在铆接完成后，必须对静片进行校正处理，以保障静片的弯型程度。

2.8 弹簧弹力衰减

弹簧对于挡位开关产品来说是至关重要的部件，尤其是按钮弹簧力的选取，将直接决定挡位开关的品质。开关在触发过程中存在2 个阶段。

（1）顶杆在压缩初段，按钮弹簧不发生形变，顶杆、按钮弹簧与弹簧座形成的按钮组件可以等效成一个刚性组件。

（2）触点接通或断开后，继续按压顶杆，此时按钮弹簧被压缩，弹簧座不发生移动，起到保护触点的作用，防止过压缩。

改进前按钮弹簧设计长度为32.00 mm，丝径为0.70 mm。

装配完组件后弹簧长度为20.00 mm，压缩了12.00 mm。按压顶杆到极限位置，弹簧长度近乎达到为15.95 mm，这对于丝径为0.70 mm、中径只有3.30 mm 的弹簧来说，已经达到其屈服极限。长期在这种工况下工作，该弹簧的工作寿命大大减少，弹性降低，影响开关的工作行程。按钮组件进行改进后，弹簧丝径增大，总长尺寸减小，稳定性提高，已进行100 万次耐久性能试验验证。

2.9 顶杆磨损

顶杆材质以及热处理工艺直接影响开关顶杆的硬度和耐磨性能。目前，开关顶杆采用20Cr 材质，表面进行氰化处理，硬度指标达到89～92 HR15N，有效硬化层深为0.26～0.50 mm，满足使用工况对顶杆耐磨性的要求。

3 结束语

挡位开关作为变速器上重要的电器元件，对整车功能实现和安全运行起着至关重要的作用。本文通过对售后市场返回旧件的拆解，找出开关常见失效的故障模式，并对其进行分析研究，找准其根本原因，为产品设计和制造过程改进提供基础信息。后期将进一步通过技术优化，规避开关该类失效模式的出现，从而提高挡位开关的可靠性。

本文提供了一种分析挡位开关常见失效模式的思路，为挡位开关故障件的分析提供参考。然而在实际应用过程中问题纷繁复杂，不可能完全借用本文思。因此需要技术人员多多积累经验，不断提升开关产品的质量，保障整车电气系统的稳定运行。