某四缸發動機氣門導管斷裂問題分析與解決

趙衛平劉義佳王　浩丁行虎楊艷軍郄彥麗劉金勇（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

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某四缸發動機氣門導管斷裂問題分析與解決

趙衛平1，2劉義佳1，2王浩1，2丁行虎1，2楊艷軍1，2郄彥麗1，2劉金勇1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：針對在發動機試驗中氣門導管偏磨及斷裂問題，從配氣機構的布置，導管材料，導管的長度及包容長度，氣門與導管的配合，氣門小頭的尺寸等方面對氣門導管失效原因進行分析，并制定了有效的整改方案。通過整改方案的實施，配氣布置及各相關零部件的優化，經試驗驗證，導管偏磨和斷裂問題得到了有效的解決。

關鍵詞：氣門導管配氣機構偏磨斷裂

引言

隨著現代車用發動機技術的不斷發展及環保法規的不斷嚴格，發動機向高經濟性、高功率密度、高可靠性和低排放的方向發展[1]。配氣機構作為發動機的重要組成部分，是實現發動機進氣過程和排氣過程的控制機構[2]。其設計合理與否直接關系到發動機的動力性能、經濟性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性[3-4]。隨著發動機高功率、高速化，人們對其性能指標的要求越來越高，要求其在高速運行的條件下仍然能夠平穩、可靠地工作，因而對其配氣機構提出了更高的要求。通過對配氣機構的失效形式進行統計分析，結果表明配氣機構的耐久性主要由下列摩擦副的耐磨性決定：氣門與氣門座、挺柱與配氣凸輪、氣門與氣門導管、挺柱與機體及搖臂與搖臂軸[5]。本文結合一款四缸直噴汽油機配氣機構失效案例，詳細闡述了配氣機構設計過程中需要注意的幾個關鍵問題。

1問題描述

發動機在臺架試驗中先后出現了多次氣門機構失效的故障，主要表現為氣門導管斷裂（見圖1），氣門導管偏磨（見圖2）等，導致發動機嚴重損壞，試驗無法繼續進行。

圖1　氣門導管斷裂

圖2　氣門導管偏磨

2原因分析

2.1配氣機構的布置

配氣機構的布置是整個配氣機構的核心，合理的配氣機構布置是保證發動機配氣機構正常運行的基礎，通過與AVL公司合作發現我司C機型配氣機構布置不合理，主要表現為：

1）搖臂相對于氣門小頭滑移速度偏大，搖臂與氣門小頭端接觸區域超出標準要求的氣門頭部圓中心以內70%（直徑）區域（見圖3）；

2）氣門小頭端與搖臂弧端接觸不對稱（見圖4）；

3）氣門關閉時液壓挺柱球心布置在氣門小頭頂面上方，滾子搖臂仰角偏小，氣門桿端存在偏磨風險；

4）氣門關閉時和氣門最大升程時刻，接觸點偏離氣門軸線位置；

5）搖臂弧端的滑移量和滑移速度偏大，氣門桿端可承受接觸力將變小，這將加劇氣門桿端的磨損。

圖3　氣門與搖臂的接觸區域

圖4　氣門與搖臂接觸區域

2.2導管材料

對我司C機型和標桿機型材料成分進行對比分析，結果顯示，我司C機型的氣門導管材料，Cu和鉬含量的成分相比標桿機型偏低，高溫性能較差，具體成分見表1，材料性能見圖5、圖6。

1）Cu含量的增加，有利于改善粉末冶金材料的潤滑性和導熱性；

表1　氣門導管材料對比

2）鉬元素的增加，有利于提高粉末冶金材料的耐磨性和抗腐蝕性。

圖5　極限強度

圖6　高溫強度變化

通過高溫性能對比：銅導管在350℃左右的溫度下，極限強度明顯高于粉末冶金；

2.3氣門導管的長度及包容長度

1）校核發現氣門導管長度和標準要求相比偏短，具體見表2。

表2　氣門導管長度及包容長度對比

2）氣門導管與缸蓋的接觸長度稱為氣門導管的包容長度（見圖7），在配氣機構的評價中，氣門導管包容長度有相關的要求，經排查樣機氣門導管的包容長度偏小，氣門導管上、下端裸露較長，致使氣門導管抗變形能力差。

2.4氣門與氣門導管的配合間隙

圖7　氣門導管的包容長度

氣門-氣門導管是處于點接觸或線接觸的一對摩擦副，接觸區主要集中在氣門-氣門導管兩端的搖臂擺動平面內。在發動機循環的大部分時間內氣門處于最大傾斜狀態，與氣門導管兩端形成夾角接觸，造成較高的接觸應力[5]。氣門與氣門導管的配合間隙（見表3）過大，將導致氣門不正常的傾斜及氣門提前落座，從而導致氣門導管偏磨。

表3　更改前的氣門配合間隙

通過與經驗值進行對比，氣門與氣門導管間隙偏大，對配氣機構的運動不利，氣門-氣門導管的配合間隙是控制潤滑和磨損的主要依據。

3設計思路與問題解決

通過問題排查及其它項目的經驗積累，總結出配氣機構相關的設計思路如下：

3.1合理布置配氣機構

對配氣機構進行重新布置，具體調整見（見圖8）。

1）液壓挺柱球心位置高于氣門小頭端：進0.06；排-0.02；

通過上述調整，可以做到：

1）減小搖臂與氣門的相對滑移距離，使搖臂與氣門的接觸面積保證在70%的范圍內；

圖8　配氣布置的修改示意圖

表4　配氣修改前后分析結果

2）使搖臂在氣門小頭端的位移位置對稱，避免某一側超出范圍，導致滑脫和側向力大的風險；

3）移動液壓挺柱孔位置，使氣門桿端與搖臂弧端接觸軌跡關于氣門中心對稱，以改善氣門機構的運動狀況。

3.2增加氣門導管長度及氣門導管的包容長度

氣門導管長度由36 mm增加為40 mm，氣門導管包容長度由17 mm增大為23 mm，具體見圖9。

圖9　更改前后氣門導管包容長度

1）增加氣門導管長度，以改善氣門-氣門導管的導向和受力；

2）在缸蓋上增加氣門導管凸臺等，即增加氣門導管包容長度，以改善氣門導管的受力和傳熱。

1.2.2 B超檢查標準 受試者體回聲出現于腸壁粘膜下方，呈現短條樣或者線樣回聲于漿膜下。腸壁周圍存在顆粒狀或者點狀高回聲環繞。證實存在腸壁積氣。如果在門靜脈主干或者其他主要分支中出現串珠樣以及氣泡樣高回聲，證實為門靜脈積氣。

3.3更改氣門導管的材料，優化氣門與氣門導管的配合

氣門導管材料由5520更換銅導管，增強氣門導管的抗磨損能力；增大氣門桿直徑，減小氣門桿與氣門導管的配合間隙（見表5），以改善氣門運動可靠性；氣門-氣門導管間隙的減小，有利于減小氣門的晃動，改善氣門導管的受力情況。

表5　氣門與氣門導管間隙對比

3.4減小氣門小頭端的倒角尺寸

氣門小頭端的倒角由0.5±0.2×45°±1°更改為0.5±0.2×20°；氣門小頭端面積19 mm2增大為24 mm2，具體見圖10、圖11。

圖10　更改前小頭面積

圖11　更改后小頭面積

1）更改氣門桿端倒角，增大氣門桿頂端面積，減小氣門與搖臂飛脫的風險；

2）減小排氣門盤部直徑，排除氣門落座時與缸蓋干涉的風險。

對以上四方面改善后進行發動機可靠性試驗，氣門導管偏磨和氣門導管斷裂問題得到有效解決，保證了發動機試驗的正常進行。

4　結論

1）通過調整配氣機構的布置，有效降低了搖臂與氣門間的相對滑移速度和滑移距離，使搖臂與氣門的接觸面積保證在70%的范圍內；氣門桿端與搖臂弧端接觸軌跡關于氣門中心對稱，以改善氣門機構的運動狀況；

2）氣門導管和氣門導管包容長度的加長，有效改善了氣門導管的受力情況，降低氣門導管的偏磨風險；

3）氣門導管材料更改，增強了氣門導管本身的抗磨損能力，增強氣門導管的適應性；

4）氣門-氣門導管間隙，在保證潤滑的前提下，有效降低了氣門在氣門導管中晃動的風險；

5）減小氣門小頭端的倒角，增大氣門桿頂端面積，減小氣門與搖臂飛脫的風險；

6）配氣機構布置和各零部件的優化使氣門導管斷裂及偏磨問題得到有效的解決，保證項目開展的進度和試驗的順利進行。

參考文獻

1舒歌群，馬維忍，梁興雨，等.柴油機配氣機構多體動力學的仿真研究[J].機械設計，2009，26（3）：49-52

2楊靖，李斌，李帥，等.基于Pro/E的發動機配氣機構參數化設計[J].小型內燃機與摩托車，2011，40（6）：55-58

3廖曉山.汽車發動機配氣機構[M].長春：吉林人民出版社，1981

4吳兆漢.內燃機設計[M].北京：北京理工大學出版社，1990

5郭海濤，卓斌，彭健，等.發動機配氣機構中氣門-氣門導管摩擦副的潤滑研究[J].機械工程學報，2002，38（7）：96-101

The Analysis and Solution on Fracture of
Valve Guide for a Four Cylinder Engine

Zhao Weiping1，2，Liu Yijia1，2，Wang Hao1，2，Ding Xinghu1，2，
Yang Yanjun1，2，Qie Yanli1，2，Liu Jinyong1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology＆Research Center

Abstract：This paper shows eccentric wear and fracture problems on valve guide of engine in the reliable test. And some possible failure caused by the layout of valve mechanism，valve guide material，the length of valve guide and its tolerance，fitting accuracy between valve and guide，and the size of its small end are analyzed. Through the implementation of the optimizing scheme that optimizing the layout of valve mechanism and related components，it has been verified by experiment that the eccentric wear and fracture problems have been solved effectively.

Keywords：Valve guide，Valve mechanism，Eccentric wear，Fracture

收稿日期：（2015-03-25）

文章編號：2095-8234（2015）03-0048-04

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK413.4+3

作者簡介：趙衛平（1986-），男，助理工程師，主要從事汽車發動機設計。