某型汽油機氣門故障分析

張浩

摘 要：根據氣門傘部斷裂狀態及其他故障現象，結合氣門間隙變化對氣門落座力影響的計算機動力學仿真，完成故障原因和故障過程的分析，為設計變更和下一步驗證提供了方向。

關鍵詞：氣門間隙；落座力；挺柱；氣門反跳

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-106-02

Abstract： Based on the status of the broken valve and related parts and by the method of computer aided simulation， this article analyzes the main cause and the malfunction process of a valve breakage failure to provide a direction for design improvement and test of next phase.

Keywords： Valve clearance； Seat force； Tappet； Valve re-bouncing

CLC NO.： U462.2 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-106-02

前言

氣門及氣門座用于開啟、關閉進氣道和排氣道，在發動機工作過程中控制混合汽的進入和廢氣的排出，是影響發動機性能的關鍵部件之一。氣門及氣門座在高溫、高壓下工作，還需要承受汽缸內爆發壓力的沖擊，工作環境十分惡劣。本文就某型汽油機交變負荷中氣門故障，結合故障現象和力學分析，理清了故障原因和過程，為故障件改進和進一步試驗考核提供了方向。

1 故障現象

某汽油機進行交變負荷試驗至172h時，曲軸箱壓力由-0.16突增到6.3kpa，停機后曲軸無法盤動。拆除排氣歧管，發現排氣側8號氣門斷裂。進一步拆解發現：8號排氣門氣門間隙異常，4缸活塞碎裂，斷裂氣門對應氣門挺柱與氣門接觸部分異常磨損；磨損部分導致氣門和氣門挺柱間間隙異常，其余氣門狀態良好，氣門間隙正常，氣門挺柱無異常磨損。

2 原因分析

閥系類零部件（包括氣門、氣門彈簧、氣門座圈、機械挺柱和凸輪等）在發動機運轉過程中主要受慣性力影響，接觸面的壓力和發動機缸內爆發壓力無關，只和發動機的轉速有關。所以，發動機閥系組件的考核，需在發動機最大轉速下進行，這一轉速通常是發動機的斷油轉速，試驗方法稱之為超速試驗。本次試驗工況亦包含超速過程，但該工況運行時間較短，而在額定轉速工況有較長時間考核，故還需額定轉速下的閥系受力狀態分析。

2.1 氣門間隙對凸輪與氣門間作用力的影響

當凸輪角速度一定時，氣門間隙增大，挺柱與凸輪接觸延遲，凸輪中心與接觸點半徑增加，接觸點速度增加，凸輪與挺柱間沖擊增強。沖擊過程中，若氣門或挺柱發生啃食，則氣門間隙會進一步加大，啃食亦會加強，形成正反饋，直到發動機停止運行為止。

2.2 氣門間隙對氣門落座力的影響

氣門間隙增大，氣門與凸輪接觸延遲，脫離接觸提前。脫離接觸時，氣門速度亦會增加，落座力增強。借助于計算機仿真分析，額定轉速下正常狀態氣門間隙，氣門落座力位390N；故障狀態氣門間隙，落座力為5200N。故障狀態下，氣門傘部和桿連接處受到沖擊力遠超正常值，易發生斷裂。超速狀態下，正常氣門間隙落座力475N，故障狀態氣門間隙落座力1300N。本次試驗超速過程中，氣門間隙異常狀態下，氣門與凸輪脫離后再次接觸時，二者相對速度較小，碰撞沖擊力較?。挥捎诔醮闻鲎蚕牧藲忾T組件的能量，隨后氣門落座時，氣門速度較小，沖擊與額定轉速狀態下氣門落座相比，沖擊力較小。

2.3 氣門間隙對氣門反跳的影響

在氣門開啟過程中，氣門受凸輪壓力和彈簧作用力，氣門的運動狀態主要由凸輪決定。當氣門完全開啟，凸輪垂直方向分速度為0時，氣門在慣性作用下仍然有向下的速度。凸輪角速度不變，隨凸輪轉角變化產生垂直分速度，此時氣門在彈簧力的作用下產生于彈簧力方向相同的加速度，氣門運動主要受彈簧張力影響。氣門與凸輪分離后，兩者的運動分開進行，但氣門端部可能會重新回到凸輪面上，如果沖擊速度過大，氣門會重新彈跳脫離，出現氣門反復跳動的現象。另氣門與氣門座圈接觸時，氣門組件（包括氣門、挺柱和彈簧）能量一方面由傘部和座圈碰撞消耗，另一方面通過鎖夾由彈簧吸收，若沖擊較大，亦容易發生氣門反跳。根據計算機仿真結果，本次試驗中故障狀態氣門間隙在額定轉速和超速轉速皆出現氣門反跳，但氣門反跳升程最大不超過0.5mm，一定程度上會影響發動機性能，但不足以導致活塞撞氣門。因此，本次故障中氣門斷裂并非氣門與活塞撞擊導致，而是氣門與氣門座圈沖擊力過強導致氣門傘部與桿部連接部分斷裂，脫落后的氣門與活塞撞擊導致活塞損壞。

2.4 故障過程總結

氣門挺柱強度不足→挺柱啃食→氣門和挺柱間沖擊增強→挺柱進一步啃食→氣門出現反跳和落座力增大現象→落座力異常導致氣門頭部與桿部焊接部分斷裂→氣門頭部撞擊活塞。

3 結語

3.1 氣門挺柱強度不足導致此次故障，需加強挺柱強度后再次試驗；

3.2 氣門間隙對氣門、挺柱的受力有著重要的影響。若此間隙過大，則會造成氣門落座速度過大，產生落座沖擊噪聲，加劇氣門及座圈磨損，甚至造成發動機損壞。因此，合理的氣門間隙要結合實際情況進行確認，并且在發動機使用過程中要定期維護調整，以保證發動機正常工作。

參考文獻

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