随着中国汽车工业的发展及国民消费水平的提升，汽车客户对产品个性化及科技智能化要求也在逐步提升。而在进行科技智能化升级时，汽车应用到越来越多的执行器部件。而执行器内部结构耐久性对产品性能至关重要。本文以某执行器零件出现的齿轮断裂问题为例，从设计、制造、材料、整车工况、软件控制逻辑等方面进行问题原因解析。最终确定问题原因为执行器控制策略不合理而导致的齿轮堵转工况导致的断裂。针对以上原因分别制定出从控制策略改善方面的三个方案，经过验证发现三个方案均能极大地提升执行器零件的耐久性和可靠性，进而最终彻底解决该断裂问题。

　　一、问题背景

　　根据反馈，某汽车用执行器机构出现异响情况，对故障件进行拆解发现执行器内部齿轮(2#/3#,如图1所示深色零件)出现断裂故障，进而导致异响。

　　二、问题原因分析

　　总体分析思路

　　如图2所示，按照人、机、料、法、环等因素，从齿轮制造、结构设计、使用工况、电器控制逻辑设计等方面进行全面分析和排查。

　　故障件断面排查

　　(1)故障件齿轮断口排查 如图3及图4所示，经过显微镜对断口进行扫描分析，确认断裂形式为脆性断裂，材料结晶度状态良好。齿面及断口无明显缺料等工艺缺陷。

　　(2)故障件材料孔隙排查 如图5所示，塑料产品在注塑时因工艺原因会存在气孔等缺陷，严重的会影响产品整体强度。经过对故障件进行工业 CT扫描，分析故障件各断面孔隙率及孔隙大小，发现其符合注塑要求，未现明显缺陷。

　　齿轮制造

　　(1)故障件模具排查

　　对故障件模具进行排查，以确认模具是否存在影响齿轮强度的风险点，经过对故障对应模腔齿轮模具放大及扫描观察，未发现明显影响齿轮强度的缺陷点，如图6所示。

　　(2)齿轮注塑工艺排查

　　注塑件注塑过程中的缺陷对产品强度存在很大影响。主要影响因素如料温、注射压力、注射时间、注射速度、保压时间、冷却时间、模具温度等，邀请材料专家对以上因素进行实地验证及评估，未发现明显异常因素。

　　对生产记录进行排查未发现异常生产中断等影响产品质量的事项发生。

　　对材料重量进行分析计算，排除了材料降解的可能性，在此不做详述。

　　(3)故障件齿轮尺寸排查

　　1)执行器齿轮组中心距尺寸排查。执行器齿轮组中心距对齿轮产品耐久性存在较大影响，中心距偏小容易导致齿轮组啮合出现根切现象进而导致执行器动作卡滞甚至齿轮断裂问题，中心距偏大容易导致齿轮运行中出现撞击进而影响齿轮组耐久性。

　　对故障件同批次零件中心距进行排查，满足设计要求，在此不再详述。

　　2)执行器齿轮齿形排查。如图7所示，对故障件齿轮齿形进行排查，发现其满足设计要求。

　　材料符合性排查

　　在材料符合性排查中，结合了两种方法进行材料成分分析和材料特性分析，分别为傅立叶变换红外吸收光谱分析 (FTIR, 如图8所示)以及差示扫描热法 (DSC, 如图9所示)。经过分析排查，发现故障件材料与设计材料相符。

　　执行器在车辆上的运行工况排查

　　车辆在点火、熄火工况下其电压存在差异，本节主要排查车辆在不同工况下是否存在高电压导致执行器扭矩超差进而导致齿轮组超载导致的耐久性能降低问题。

　　经过对至少30台车辆的排查，通过示波器测量执行器插接器处的输入电压和电流，发现其工作电压均满足执行器允许工作电压区间，如图10~图13所示。

　　从以上电压、电流曲线图可以看出，车辆在点火工况下其工作电压较熄火工况下高。另外，不论在熄火还是点火工况下，动作1均存在明显堵转现象，可能会影响产品性能。

　　执行器电机扭矩排查

　　经过对同批次电机进行抽检，测量20件电机产品，发现其输出扭矩、转速均在设计范围内，在此不再详述。

　　执行器控制逻辑排查

　　对该执行器控制逻辑进行排查，发现动作1过程中存在明显堵转(供电时间500ms, 实际动作所需时间320ms), 而动作2无堵转(位置开关信号检测到即断电),以上与实车测量结果相吻合，如图14所示。

　　执行器齿轮组强度校核

　　该节通过静态强度以及疲劳强度方面进行分析，判断齿轮组强度是否满足耐久性要求。

　　(1)齿轮组静态强度校核 通过CAE 手段分析齿轮组静态强度，发现其静态应力小于材料许用应力，安全系数约为1.3,如图15所示。

　　(2)齿轮组疲劳强度校核 如图16所示，通过CAE手段分析齿轮疲劳强度，发现其在2.7节所述存在堵转工况的控制逻辑下，材料实际应力超出材料许用应力3倍以上，导致其耐疲劳性能不满足要求。

　　分析总结

　　从上述分析可以看出，出现该故障的原因是其控制逻辑中存在堵转工况，而执行器齿轮组疲劳强度无法满足堵转工况下的耐久性要求。

　　三、执行器整改方案

　　根据原因分析情况看，解决执行器耐久性能存在两种方法，第一种方法为增强执行器齿轮组强度，第二种方法为通过改善控制策略，消除堵转工况。两种方法进行对比，第一种需要重新设计齿轮组，会导致执行器尺寸增大，另外开发成本也大幅增加，经济性差，而第二种方法相对仅需要修正软件控制逻辑，经济性和操作性也更好。

　　而对于第二种方法，我们制定了三种子方案进行尝试验证。

　　方案一 ：降低堵转时间

　　该方案仅修改动作2的 BCM 给电时间，从而降低堵转时间(执行器动作所需时间约为320ms, 堵转时间约为 30ms, 如图17所示),经过台架耐久及实车耐久验证，故障已消除，效果明显。

　　方案二：消除堵转工况

　　执行器所需电器件增加位置开关，使其在位置1及位置 2均可通过感应位置开关及时断电，消除堵转工况，经过台架耐久及实车耐久验证，故障已消除，效果明显。

　　方案三：通过脉冲宽度调制 (PWM) 调速控制降低输出扭矩

　　更换执行器控制模块，采用具备PWM 调速控制的模块进行控制(供电波形如图18所示),降低正常使用有效电压，进而降低执行器输出扭矩，提升耐久性能。经过台架耐久及实车耐久验证，故障已消除，效果明显。另外通过调速控制，除了解决耐久性问题，还大幅降低了执行器动作声(对比如图19所示)。

　　四、总结

　　本文结合某汽车用执行器齿轮断裂问题分析及整改过程，简要说明了执行器类零件的耐久性能排查思路及其解决措施。希望能对行业内执行器类零件开发工作提供必要的支持和借鉴。

　　参考文献略.