一種發動機氣門導管的磨損評價方法

周鵬飛，張向軍，梅本付，陳 俊，宗利華，郎偉欽

（1.清華大學天津高端裝備研究院，天津 300300；2.泛亞汽車技術中心，上海 201210）

0 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]。發動機的高功率、高速化已然成為未來的發展趨勢，這就要求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，氣門與氣門導管的耐磨性是配氣機構耐久性的主要影響因素之一[3]。

有效評價氣門導管的磨損程度，成為研究氣門導管耐磨性能的必要手段。通過氣門導管內徑圓度測量、內表面形貌觀測、內表面軸向二維粗糙度曲線對比等，多角度對氣門導管的磨損情況進行定量或半定量分析，有效地評價了氣門導管的磨損程度，為氣門導管摩擦磨損規律的研究提供了基礎。

1 氣門導管的工作過程及影響

氣門導管是發動機氣門的導向裝置，能將氣門桿上的熱量向氣缸蓋傳送、逸散。氣門導管下部與發動機氣道內的高溫高壓氣體接觸，上部與缸蓋內潤滑各摩擦副的機油接觸，并在內部承受氣門驅動機構的側向推力，同時又與氣門構成摩擦副，進行劇烈的往復運動（圖1）。倘若氣門導管發生偏磨或斷裂，輕則增加發動機機油油耗，重則造成發動機燃燒不完全，功率下降，嚴重影響發動機的動力經濟性，甚至造成氣門損壞[4-6]（圖 2）。

圖1 發動機配氣機構結構

圖2 氣門導管損壞

2 磨損表面形貌觀測

對氣門導管進行1/4剖切，發現內表面銹蝕嚴重，這可能是磨損表面長時間暴露在空氣中所致；也有可能是在高溫乏油的工作環境中發生了銹蝕。用無水酒精超聲清洗，清洗前后導管的內表面情況如圖3所示。在低倍率顯微鏡下觀察，發現內表面有大量點蝕坑（圖4）。

圖3 清洗前后內表面對比（1/4剖切）

圖4 內表面點蝕坑（500 μm，2×）

采用體式顯微鏡對內表面進行低倍觀察，導管內壁有犁削現象（圖 5a），這可能是犁溝效應導致，可能原因：①兩體磨損，導管表面的硬質顆粒，在摩擦副相對運動過程中對導管進行了犁削；②三體磨損，混入了硬質雜質，在摩擦副運動過程中相當于導管表面的硬質顆粒，進行了犁削。

從圖5a橢圓形區域以及放大10倍的形貌分析，結合上述電鏡圖片觀測，這個區域的磨損可能存在多種磨損形式：①摩擦副長時間往復運動導致的疲勞磨損（層狀剝落）；②乏油狀態下，環境溫度較高，以及導桿與導管的材料相熔性問題導致的黏著磨損；③高溫化學環境下的腐蝕微坑（邊界光滑的微坑）。

圖5 低倍觀察

采用掃描電鏡對典型磨損區域進行高倍觀察，發現明顯的疲勞點蝕坑（圖6），這一般發生在穩定磨損階段以后的急劇磨損階段；還發現了皸裂特征（圖7），這表明內表面多處正處于皸裂階段，并會逐漸發展為剝離，形成點蝕坑。

圖6 點蝕坑特征

圖7 皸裂特征

3 圓度測量分析

選取和測量新氣門導管的原則如下。

（1）與磨損氣門導管同型號、同批次出廠，隨機選取新氣門導管樣品10個。

（2）對10個樣品的測量值取平均，測量位置如圖8所示，作為新氣門導管的參照值。

圖8 圓度測量位置

表1 氣門導管內徑測量

氣門導管內徑測量見表1，其中，圓度Ro=Rmax-Rmin，Rmax為最大包容圓半徑，Rmin為最小包容圓半徑，圓度為0時，為理論圓。從表1可見，相比于新導管，磨損導管在3個測量位置的直徑普遍增大，柱體的平均直徑增大了0.011 3 mm；舊導管的柱體圓度較新導管增加2.7倍。

4 磨損區域取樣定量分析

內表面取樣區域如圖9所示，二維粗糙度曲線見圖10，其中黑色區域表示磨損導管，灰色區域表示新導管。圖10a，b顯示磨后舊導管的粗糙度曲線跳動明顯增大，表面磨損較新導管嚴重；圖10c顯示新舊導管粗糙度曲線跳動相當。

圖9 內表面取樣區域

圖10 軸向二維粗糙度對比曲線

采用三維輪廓儀對帶狀區域進行了三維掃描及圖像拼接，3D形貌圖如圖11所示。圖11a標識區域顯示，新氣門導管內表面存在著輕微缺陷（色度差異較小），因為取樣區域是隨機選取，這有可能是普遍現象；圖11b標識區域顯示，內表面存在著顯著磨損現象（色度差異較大）。全圖拼接可以有效判斷導管內部的磨損位置。

圖11 輪廓三維形貌掃描

在上述隨機選取的帶狀區域下，采用 Sa，Sq定量地比較導管磨損前后的磨損程度。Sa和Sq定義如下。

（1）高度偏差Sa。面粗糙度的評價參數，用于表征物體取樣區域表面形貌的粗糙程度。

其中，z（xk，y）l為坐標點（xk，yl）到基準平面的距離，M，N 分別為三維表面圖像的長度和寬度。它表示區域形貌的算數平均偏差，如圖12所示。

圖12 參量示例

（2）高度均方根偏差Sq。計算表面微凸體高度的標準偏差，用于表征表面微凸體的高度分布。

通過Sa和Sq計算，相比于新導管，磨后舊導管的Sa值增加了27.3%，Sq值增加了96.5%，如圖13所示。

圖13 導管Sa、Sq值對比

5 結論

（1）對氣門導管進行1/4剖切,通過內表面的形貌特征觀測、隨機取樣區域的定量粗糙度分析，配合氣門導管的圓度測量，形成了一種基于氣門導管的磨損評價方法。

（2）通過對磨損導管的內表面觀測發現，氣門導管磨損的主要類型為犁削磨損/疲勞磨損以及黏著磨損。內截面的全圖拼接可以有效判斷導管內部的磨損位置。磨損氣門導管的內徑增大了0.0113 mm，圓度為 0.0318，主要發生在近氣門座一端。

（3）從軸向二維粗糙度曲線的對比來看，磨損導管的跳動明顯較大，導管軸向全長均有不同程度的磨損；Sa，Sq值可以定量地評價取樣區域的磨損程度。

[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.

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[3]趙衛平，劉義佳，王浩，等.某四缸發動機氣門導管斷裂問題分析與解決[J].小型內燃機與車輛技術，2015，44（3）：48-51.

[4]韓鳳麟.粉末冶金零件在汽車發動機中的應用[J].現代零部件，2003，31（3）：74-76.

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[6]鐘文紅.280-285型柴油機氣門導管的自制[J].內燃機車，2007，5（5）：27-28.