某柴油機氣門導管偏磨問題分析及應用

雷淋森，周濤，張波

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某柴油機氣門導管偏磨問題分析及應用

雷淋森，周濤，張波

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

針對在發動機試驗中和整車耐久試驗中出現氣門導管偏磨問題，從配套的氣門搖臂、挺柱、壓塊的整體結構設計方面對氣門導管偏磨原因進行分析，找出問題點，通過對相關零部件進行優化，制定有效的整改方案，經試驗驗證，導管偏磨問題得到了有效的解決。

氣門導管；偏磨；氣門搖臂；應力

1 背景說明

某4DB發動機在經過耐久試驗及兩萬公里路試后發現進氣門導管出現偏磨問題，磨損處在氣門導管下部，其他試驗完成的發動機上進氣門導管也出現了不同程度磨損。

2 原因分析

2.1 調查分析

根據故障現狀原因分析確定氣門導管偏磨的原因是因為氣門桿部受到了側向力引起了氣門導管偏磨。導致氣門受到側向力的因素可能主要有幾點：1）門進氣門搖臂液壓挺住球頭孔中心、大滾輪中心和搖臂前端與氣門壓塊接觸中心不再一條直線上，在運動中造成搖臂受力傾斜，使氣門受到額外的側向力。 2）液壓挺柱孔傾斜布置，對搖臂施加斜向力。 3）搖臂與氣門壓塊之間是滑動摩擦，導致摩擦力大，氣門受到的側向力也大。

圖1 偏磨故障示意

2.2 設計結構分析

2.2.1搖臂結構設計分析

根據搖臂的布置結構設計規范，當凸輪位于基圓上時，H=1/3的氣門升程量，這樣可以減少搖臂尖端和搖臂橋的相對移動量，進而可以減少作用在氣門桿上的側向力，減小偏磨。目前目標機型的氣門升程量為7.99mm，實際進氣機構的H為4.2mm，大于設計要求的2.7mm，搖臂與壓塊的相對位移較大。

2.2.2挺柱、搖臂受力分析

進氣液壓挺住的布置上與搖臂非垂直布置，使搖臂對壓塊的滑動摩擦力較大，使氣門承受較大的側向力。

圖2 實際受力示意圖

進氣搖臂的液壓挺住支撐點、搖臂與壓塊的接觸點、凸輪與搖臂的接觸中心線三點不在一直線上，使搖臂受力后會出現“傾斜”現象，造成搖臂與氣門壓塊的接觸點出現偏移，進而對氣門施加一個側向力，搖臂與壓塊的接觸面為一弧面，搖臂與壓塊的接觸線較短，使搖臂的平穩性不好。

圖3 搖臂、挺柱、壓塊實際接觸情況示意圖

3 方案制定與分析

根據氣門導管偏磨的原因分析，提出了改進方案。將原有搖臂前端的圓弧面改成滾輪，用小滾輪與氣門壓塊進行接觸代替原有的圓弧面與氣門壓塊接觸，將滑動摩擦改成了摩擦力更小的滾動摩擦。同時原有的圓弧面軸線方向上還有R100~265的弧度，這就導致在搖臂受力偏移時而傾斜。改進后的搖臂由于采用滾輪與氣門壓塊線接觸，所以不會出現搖臂傾斜的現象。

圖4 新方案搖臂示意

圖5 氣門升程曲線對比

此方案的搖臂和現量產的搖臂是可以互換的，對已經量產的發動機影響最小。改進后的進氣搖臂由于增加滾輪，所以整體質量增加了，可能會在高轉速時產生“飛脫現象”，同時對氣門升程也可能產生影響，搖臂本身結構變化之后，強度也會產生影響，這些都需要進行CAE分析計算。

計算結果顯示，改進后的搖臂氣門最大升程由原來的7.77mm變成了7.74mm，變化很小，對發動機性能幾乎沒有影響。

圖6 搖臂與壓塊之間的接觸應力分析

由上圖分析可見，雖然搖臂的質量增加了，但是在發動機運行中搖臂和氣門壓塊之間的接觸應力始終大于零，所以不會出現“飛脫現象”。

圖7 搖臂小滾輪銷軸受力分析

搖臂與氣門壓塊之間的應力最大為1000N，CAE按照2000N標準計算，結果顯示小滾輪銷軸的最大應力為527MPa，遠低于銷軸材料（GCr15）的本身抗拉強度極限（1620MPa）。

圖8 搖臂體受力分析計算

搖臂體同樣2000N的標準進行計算，結果顯示搖臂體的最大應力為559MPa，遠低于材料（20CrNiMo）的抗拉強度極限（980MPa）。

綜上所述，采用改進后的雙滾輪搖臂方案在理論上可行的。

4 試驗結果

圖9 新方案試驗結果

根據改進后的方案，裝機進行了100h超速試驗。試驗結果顯示氣門桿頭部磨損均勻，氣門壓塊與搖臂接觸的痕跡只有很窄的一條直線帶，凸輪軸和搖臂接觸面無明顯偏移磨痕，而后對試驗后的氣門導管進行檢測，結果如圖9。

從試驗結果上看，氣門導管的磨損量遠小于0.07mm的試驗評價指標，目標達到。

5 總結

在氣門導管偏磨問題中，從配氣結構設計準則出發，系統分析搖臂、氣門受力情況，通過調整配氣機構中搖臂的設計，優化受力面接觸模式，優化改善氣門、搖臂壓塊間的受力點和受力均勻性，改善氣門機構的運動狀態。

[1] 郭海濤,卓斌,彭健等.發動機配氣機構中氣門一氣門導管摩擦副的潤滑研究[J].機械工程學報,2002,8 (7 ):96-101.

[2] 郭海濤,卓斌,彭健等.氣門一氣門座的摩擦學設計研究[J].內燃機學報,2001.19 (3).

[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] 吳國勝,付曉燕,李樹生.配氣傳動件對氣門導管的影響分析[J].內燃機與配件,2011 (3) :11-13.

The Analysis and Application of Partial Wear Issue of Valve Guide ofSome Diesel Engine

Lei Linsen, Zhou Tao, Zhang Bo

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd.. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

To solve the valve guide partial wear issue occurred during engine test and vehicle enduring test, the valve rockers, tappets and package design are analyzed to identify the main cause. After optimization of related parts and improving plans are made, the partial wear of valve guide is eliminated effectively.

Valve Guide; Partial wear; Valve rocker; Stress

U464.13

A

1671-7988(2018)24-63-03

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雷淋森，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.021