某增壓汽油發動機氣門彈簧疲勞分析及改進

李志敏，馬百坦，張 珊，莫漢忠

（東風柳州汽車有限公司發動機事業部，廣西 柳州545005）

0 引言

隨著國家整車油耗法規的日益嚴厲，各發動機和汽車公司為應對油耗法規，想盡各種方法降低發動機的燃油耗，在這些方法中，通過渦輪增壓增加平均有效壓力和適當小型化降低發動機的摩擦是目前汽油機一種的常見且有效的技術路徑之一。在某增壓汽油發動機開發過程中，連續發生了多起氣門彈簧斷裂失效故障，阻礙了開發的順利進行，因此必須進行改進，以保證產品開發成功。本文分析了氣門彈簧斷裂的機理，計算其疲勞安全系數以確定薄弱部位，找到了失效原因，為設計的改進提供了依據，并最終取得成功。

1 故障件的可能失效原因

為查找失效的根本原因，圖1中列舉出了氣門彈簧失效的可能原因。

圖1 氣門彈簧失效的可能原因

先后對上述可能原因進行了排查。經排查，氣門彈簧尺寸、彈簧安裝狀態、凸輪軸型線、臺架工況、試驗數據均未發現異常。

為對失效的機理進行研究，對故障件進行了斷口分析，氣門彈簧斷口分析的照片見圖2.從圖中可以看出，斷口分為三部分，呈現疲勞斷裂。A為斷裂源，呈典型的扇貝紋。B區域為疲勞擴展區。C區域磨損嚴重，局部未磨損部位放大后呈現剪切韌窩。金相、硬度檢測顯示基體組織為回火屈氏體，表面無脫碳及其它缺陷，硬度49 HRC.

圖2 氣門彈簧斷口分析

A區域處于彈簧內圈，C區域在彈簧的外圈。經過上述分析可以推斷，零件屬于疲勞斷裂，裂紋源位于彈簧內圈，彈簧在該部位首先萌生裂紋，在發動機運行過程中，裂紋逐漸從A區域擴展到B區域，由于裂紋的擴展，受力面積的減小，彈簧在該斷口受到的應力迅速增大，從而在C區快速斷裂。斷口分析生動地揭示了彈簧斷口從A到B最終到C的疲勞斷裂過程。

此外，經統計，氣門彈簧的斷裂均發生在靠近氣門彈簧座的第2或第3圈，具有一定的規律性。

2 設計校核及有限元疲勞分析

2.1 設計校核

查閱了彈簧的設計資料，該氣門彈簧設計時只按照經驗進行了設計，并未進行三維受力的仿真計算和疲勞校核，雖然氣門彈簧的樣件通過了107次的零件單體試驗，但是為排查導致故障的設計因素，仍然需對設計重新進行校核及疲勞分析。表1為校核計算及后續仿真計算所用參數。

表1 氣門彈簧主要相關參數

對氣門彈簧的安全系數進行校核[1]，安全系數按照以下公式進行計算：

計算結果安全系數不大，不能確保設計是安全的，其中 τ0取 0.3σb，則：

2.2 三維應力計算

雖然上述計算結果提示了存在的風險，但是畢竟根據公式計算并不能揭示彈簧的危險點就在斷口附近，無法為故障的判斷提供有力的直接的支撐，筆者可查閱的文獻中，大多只對彈簧進行理論計算2～4，對彈簧的三維仿真設計較少。為更詳細的考查應力分布情況，將彈簧模型導入Hypermesh進行網格劃分，用ABAQUS進行邊界定義和載荷施加，計算氣門彈簧在三維空間的應力分布，以排查彈簧工作時斷裂風險點和故障是否對應。氣門彈簧的受力工況比較簡單，只要考核以下兩種工況。

1）安裝狀態下的受力工況，即最小工作應力狀態；

2）工作狀態受最大壓縮量時受力工況，即最大工作應力狀態。

三維計算的網格類型為C3D10M，網格數量11萬多個。為消除彈簧兩端自身接觸對應力分析的影響，對模型進行了一定的處理。仿真計算得到彈簧處于最大工作應力時應力分布云圖如圖3所示。

圖3 氣門彈簧最大工作載荷時的應力云圖

從應力云圖可以看出，彈簧的兩端的第一圈基本不受力。氣門彈簧的內側受力較大，外側受力很小，大約為內圈應力值的一半，而彈簧的中心線的局部小區域則基本不受力。因此，從應力分布圖上可以得到的一個重要信息，那就是氣門彈簧靠近座圈的第2及第3圈受到的應力最大，與斷裂部位一致[2-5]。

2.3 疲勞安全系數三維校核

鑒于彈簧是屬于疲勞斷裂，需進一步進行疲勞安全系數的三維校核。計算機疲勞分析軟件為疲勞系數的校核提供了邊界的工具，氣門彈簧的三維疲勞分析是基于FEMFAT軟件進行。FEMFAT提供了ABAQUS的接口，可以直接對ABAQUS的計算結果進行引用和計算。

氣門彈簧的受力是典型的R為常數的疲勞受力組合。將ABAQUS得到的結果導入FEMFAT進行疲勞安全系數分析，其安全系數云圖如圖4所示。計算結果顯示最小疲勞安全系數為1.04，產生的部位與斷裂位置一致，且與2.1的公式計算的數值比較接近。

綜上，基本可以確定氣門彈簧的斷裂為設計的疲勞安全系數不夠導致。

3 改善措施及驗證效果

從上述分析及計算中得知，材料的疲勞強度不夠，疲勞安全系數過低是導致氣門彈簧失效的原因。雖然氣門彈簧通過了零件的單體疲勞試驗，但是在實際的應用中，由于制造工藝一致性和使用條件有差異等原因，氣門彈簧不能足夠可靠的保證安全運行。考慮到產品已經處于開發階段的后期，如更改幾何設計，成本和周期都不能滿足要求。因此，為提高其疲勞安全系數，在不做現有幾何設計修改的前提下，試圖通過以下措施提高彈簧的疲勞安全系數，同時評估了采取以下措施提高零件的疲勞安全系數措施的效果：

1）熱處理工藝提升；

2）外表面噴丸工藝的改進。

經過重新計算，同時采取以上兩項措施后，零件的最低疲勞安全系數提高到1.17，比改進前提高了13%.改進后的氣門彈簧零件，順利通過了零件單體試驗，且通過了與失效件工況相同的整機可靠性驗證，試驗結果表明故障原因的分析正確，措施有效。

4 結束語

通過列舉氣門彈簧失效原因和排查，確定設計強度不足可能是失效的因素。對失效件的斷口分析，揭示了氣門彈簧的失效機理為從內圈到外圈的疲勞斷裂，彈簧斷裂風險的位置為靠近彈簧座的第2及第3圈。公式計算，三維的應力分析和疲勞分析結果都比較接近，表明公式計算是比較可信的，三維計算和公式計算互相印證最終確認設計存在疲勞斷裂風險，并揭示了風險點的位置，顯示其與失效位置吻合，從而為故障的根本判斷提供了有力的支撐。最后，針對故障的原因，制定了提高疲勞安全系數的措施，成功的解決了開發中遇到的斷裂問題。所進行的計算和改進是有效的。

參考文獻：

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