發動機可靠性試驗方法機理研究

張敬東，李英濤，宋長青

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

發動機可靠性試驗方法機理研究

張敬東，李英濤，宋長青

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章首先闡述了發動機可靠性試驗的目的，說明對發動機進行可靠性試驗的重要性；然后對發動機的失效機理進行系統研究和分析，得出發動機失效的損傷形式和失效機理；最后針對不同的失效機理制定不同的試驗方法，為發動機新產品和變形產品的開發提供試驗方法。

可靠性試驗；失效機理；損傷形式；試驗方法

引言

從內燃機的發展史來看，人們在內燃機可靠性上所做的工作遠多于在提高性能方面而進行的研究[1-4]。同時新技術的應用也使得產品的可靠性問題也逐漸增加[5-7]，因此每一種新技術的應用都必須針對該技術指定相應的試驗考核方法。

當前國家推出新的汽車三包法對內燃機產品的可靠性提出了更高的要求，因此必須加強對其失效分析和評估，不斷提高內燃機的可靠性。

1 發動機可靠性的重要性

1.1 可靠性的定義

發動機的可靠性是指其在規定時間和工況下保持其功能完整性的能力，因此發動機的可靠性不是一個規定的數值，B10壽命對可靠性的定義為同一批產品中90%的產品沒有出現重大故障之前運行的平均里程。

注：重大故障在這里特指發動機需要更換關鍵零部件，即需要拆解發動機才能進行維修的故障。

1.2 可靠性的重要性

圖1 發動機的市場成功關鍵因素

發動機作為汽車最關鍵核心部件，它是驅動整車的心臟，如果用戶在汽車行駛過程中出現重大故障則可能出現汽車突然無法前進或者無法正常行駛的現象，因此發動機的可靠性要高于汽車其它任何零部件的可靠性。此外發動機在之所以能被用戶接受主要與發動機的排放性能、NVH性能、燃油經濟性、可靠性、售后服務這五項因素有關，同時也必須滿足國家的排放和油耗法規，具體如下圖1所示。

1.3 可靠性試驗目的

發動機進行可靠性試驗都是為了提高發動機的整體質量，最終把發動機在全壽命周期中可能出現的問題在正式投放市場之前全部整改閉環，具體如下：

（1）通過試驗確定發動機的薄弱環節，通過對該零部件進行優化設計延長薄弱零部件的使用壽命以延長首次故障里程。

（2）可靠性試驗也是檢驗發動機設計的關鍵方法，通過試驗可以對CAE分析的結果進行檢驗，并為CAE分析積累數據。

（3）通過可靠性試驗把發動機從設計到生產線裝配過程中存在的問題暴露出來，并對試驗問題進行整改驗證。

2 發動機的失效機理

發動機作為汽車最復雜的核心部件，它的工作模式是把燃料的化學能在燃燒室內部燃燒轉換為動能通過曲軸輸出，但由于缸內高溫氣體的燃燒使得發動機比任何其他動力機械的復雜和精密程度要高，所以要需要對其失效機理進行研究，發動機的主要失效機理模式如下圖所示。

圖2 發動機的主要失效機理模式

2.1 機械失效

（1） 機械失效的概念

機械失效是指零部件在單純的機械作用力下產生的失效，通常包括塑性變形、共振斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂兩種失效形式。

（2）機械失效的機理分析

1）塑性變形失效

當零部件承受的應力超過材料的彈性極限，則產生的變形在外力去除后不能全部恢復，這種殘留的變形是不可逆的塑性變形。

2）共振斷裂

共振斷裂是指機械系統所受激勵的頻率與該系統的固有頻率相接近時，系統振幅顯著增大而出現斷裂的現象。

3）脆性斷裂

脆性斷裂的根本原因是零部件斷裂位置的應力強度大于材料的強度極限所造成，這里指一次性斷裂—即零部件在短時間內失通常沒有經過疲勞過程。

4）疲勞斷裂

疲勞斷裂產生的根本原因是零部件在長時間的交變機械負荷作用下，經歷裂紋萌生、擴展，直至疲勞斷裂的現象。

2.2 熱失效

（1）基本概念

熱失效是主要指發動機的零部件在高溫作用下產生的失效，這類失效主要發生受溫度影響的零部件上，通常分為過熱、熱疲勞和蠕變。

（2）熱失效的機理分析

1）過熱失效

指零部件的實際極限工作溫度高于材料的熔點，或者是在該溫度下零部件產生了較明顯的塑性變形。

2）熱疲勞

金屬零部件在高溫作用下產生熱變形，而由于受到周圍邊界約束的影響變形無法自由釋放而產生熱應力，在反復加熱和冷卻過程中零部件承受交變的熱應力而產生疲勞斷裂現象。

3）蠕變

金屬部件在穩定的高溫作用產生恒定的熱應力，隨時間延長慢慢發生永久性塑性變形的現象，蠕變與熱疲勞均屬于高溫失效[9]，但前者的溫度穩定而后者的溫度反復變化。

2.3 磨損失效

（1）基本概念

磨損是相對運動的兩個零部件的表面由于內部或者外界的作用導致接觸力變化并引起接觸表面出現尺寸變化、粗糙度異常、接觸溫度升高、配合精度降低最終導致無法正常工作或者完全不能工作的現象[8]。

（2）磨損失效機理分析

根據失效產生的原因和失效后的現象，把磨損分為磨粒磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損。

1）磨粒磨損

由外界硬質顆粒或硬表面的微峰在摩擦副對偶表面相對運動過程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現象，稱為磨粒磨損。

2）粘附磨損

又稱咬合磨損，是指滑動摩擦時摩擦副接觸面局部發生金屬粘著，在隨后相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。

3）表面疲勞磨損

相互接觸的運動副表面由于交變接觸應力的作用，使表面材料疲勞斷裂而形成點蝕或剝落的現象，稱為表面疲勞磨損。

4）微動磨損

微動磨損是在相互壓緊的金屬表面間由于小振幅振動而產生的一種復合型式的磨損。

5）腐蝕磨損

腐蝕磨損是指摩擦副對偶表面在相對滑動過程中，表面材料與周圍介質發生化學或電化學反應，并伴隨機械作用而引起的材料損失現象。

3 發動機試驗方法研究

通過上文對發動機失效機理的分析，可以把發動機的可靠性試驗方法分為機械可靠性、熱力學可靠性和磨損可靠性，下文將根據失效機理指定發動機的機械可靠性和耐熱可靠性試驗方法。

3.1 機械可靠性

發動機在正常工作時機械力來源主要是運動件的慣性力、氣缸內燃燒產生的爆發壓力，慣性力與零部件的質量和運動速度相關，爆發壓力與發動機的轉速和負荷相關。因此針對不同的機械失效模式，需要發動機在不同的工況下運行。

（1）塑性變形

零部件表面塑性變形產生源于接觸壓力超過零部件表面允許的接觸壓力，所以需要在最大接觸力進行試驗考核，而接觸力源同樣源于慣性力和爆發壓力。對于閥系類零部件（包括氣門、氣門彈簧、氣門座圈、機械挺柱、凸輪等）承受慣性力的零部件，接觸面的壓力與爆發壓力無關，所以需要在發動機最大轉速下進行試驗，這個轉速通常是發動機的斷油轉速，試驗方法稱之為超速試驗。而發動機的缸體支撐整個發動機，而且整個發動機的受力最終都轉移到缸體上，所以針對缸體變形的考核需要發動機在最大爆發壓力下進行考核，這個點通常對應發動機的全速全負荷工況或者是最大扭矩工況。

(4) 分支線與分支開關之間為一對多的關聯關系,即分支線上有多個分支開關,但分支開關僅關聯一條分支線;

（2）斷裂失效

根據 2.1章的分析可知發動機的主要斷裂失效分為共振斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂，下文就這三種不同失效機理指定相應的試驗工況。

1）共振斷裂

發動機支架類零部件相對其它零部件約束、較弱，因此最容易出現共振斷裂，而考核該類零部件的可靠性就是讓發動機的運行工況處于零部件的共振頻率下運轉，稱之為共振可靠性。

2）脆性斷裂和疲勞斷裂

針對脆性斷裂，包括由溫度梯度激劇變化引起的熱應力產生的沖擊和由機械負荷突變引起的機械應力產生的沖擊。由于這類失效與時間相關不大，即脆性斷裂在時間上具有很強的不可預測性。所以試驗考核重點在負荷的激劇變化，對缸蓋、活塞這類主要承受缸內燃燒爆發壓力影響的零部件在試驗考核時讓發動機的爆發壓力激劇變化以給零部件施加機械沖擊應力，通過外接冷熱水的沖入和交換給零部件施加由溫度引起的熱沖擊應力。

針對疲勞斷裂，如前文所述疲勞斷裂產生的機理是零部件內部的微觀裂紋和加工制造過程中產生的應力集中在長期的交變負荷作用下逐漸萌生、擴展、失穩并最終斷裂的過程，因此在試驗考核是強調了兩個重要因素，即—負荷的變化和時間的延續。發動機的許多重要螺栓包括連桿螺栓、缸蓋螺栓、主軸承蓋螺栓等在發動機負荷變化時螺栓在微觀上不斷承受拉伸和還原的過程，使得螺栓在軸向上承受交變負荷作用；綜上所述在針對疲勞斷裂失效的零部件進行試驗考核時采用怠速—最大爆發壓力—最大功率三個工況卻換進行。

3.2 耐熱可靠性

過熱產生的原因為零部件的實際溫度超過允許的最高溫度，以至于產生塑性變形、膨脹卡滯或者高溫熔化等現象。發動機的活塞頭部的溫度是整個燃燒室中溫度最高的區域[8]，如果活塞溫度過高有可能出現活塞頭部受熱膨脹卡滯現象，因此對于這類零部件（包括活塞環組件）的試驗考核需要在最高燃燒溫度下工作，同時活塞溫度受發動機的水溫和潤滑油溫度影響，當水溫和油溫升高時活塞的冷卻能力降低；所以試驗工況為最大功率，同時保證水溫和油溫處于發動機允許的極限高溫，稱之為高油水溫試驗。

熱疲勞和蠕變失效與過熱失效最大的區別在于前兩種失效的溫度相對較高，同時對應零部件在受熱時的約束將強，以致能夠使受熱零部件產生明顯的塑性變形和彈性變形；對于發動機而言這兩種失效模式只發生在排氣系統上，包括渦輪增壓器組件和排氣歧管組件以及相應的附件類支架；而這兩種失效的區別在于：1）熱疲勞的溫度相對蠕變偏低，2）熱疲勞的出現需要溫度出現周期性波動，而蠕變則是在固定的溫度下進行。針對以上分析熱疲勞的試驗工況為：在最高排氣溫度和最低排氣溫度（停機工況）下切換進行，即讓發動機的排氣系統承受反復的交變熱應力；而對于蠕變失效的試驗工況為始終保持最高排溫。

3.3 磨損可靠性

如前文 2.3所述，磨損是兩個相互接觸而運動之間零部件必然出現的實效形式，其實效的影響因素包括零部件的表面形態、裝配清潔度、潤滑情況、負載大小等等。

軸瓦與軸徑之間、活塞組件與缸筒之間、以及依靠潤滑油為介質驅動的附件磨損均與潤滑相關。對于這類零部件的磨損考核，一般把運動副的潤滑條件設定到最苛刻進行，同時盡可能加大負載。所以主要試驗邊界條件為：最大配瓦間隙、最小配缸間隙、最大承載負荷，同時零部件的清潔度和加工質量設定為主機廠能保證的最低標準。

與潤滑無關的磨損主要包括高負載緊固件之間由于振動產生的微動磨損和皮帶磨損。微動磨損產生的原因為緊固件在最大震動頻率時產生極其微小的相對運動而導致，因此針對這類磨損進行試驗考核時，設定試驗邊界條件為：最大振動頻率工況和最大負載工況。皮帶的磨損主要是打滑產生的撕裂，設定試驗邊界條件為：轉速和負荷頻繁交替變化，較高的變化梯度，皮帶最大抖動幅度和最大徑向負載。

4 結論

（1）從內燃機對整車的實際影響方面分析了內燃機可靠性以及對可靠性進行研究的意義和目的。

（2）從內燃機實際工作條件出發，對其失效機理進行分析，分析機械失效、熱失效和磨損失效產生的原因以及影響因素。

（3）針對不同的失效類型制定出專門的試驗考核方法，為內燃機的可靠性試驗提供理論依據和指導。

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Study on mechanism of engine reliability test

Zhang Jingdong, Li Yingtao, Song Changqing
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

To explain the importance of the reliability tests, the basic purpose of reliability tests were illustrated firstly; then making a systematic research and analysis of the failure mechanism, so the damaging models were gained; lastly formulating the tests methods according to the failure mechanism, providing the tests procedure for the development of the intern combustion engine.

reliability tests; failure mechanism; damaging form; tests procedure

U464

A

1671-7988 (2017)21-92-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.032

CLC NO.: U464

A

1671-7988 (2017)21-92-04

張敬東，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。