基于某V型8缸汽油機(jī)氣門斷裂問題的分析及改進(jìn)

張濱濱，任競(jìng)男，牛振華

(1.中恒天汽車集團(tuán)汽車技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100；2.上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093；3.桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 514006)

0 引言

伴隨汽車產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)發(fā)展，以及目前汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)可靠性的要求也水漲船高，產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部也更加在意產(chǎn)品可靠性與安全性。發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的大心臟，其質(zhì)量將直接關(guān)系到汽車的性能和使用壽命。為了了解產(chǎn)品本身的可靠性，揭露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而確保產(chǎn)品具有良好的安全性和使用性，可靠性試驗(yàn)成為產(chǎn)品開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性評(píng)定中，除發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求外，其關(guān)鍵零部件是否達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，以及主要摩擦副磨損狀態(tài)，都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性水平有著至關(guān)重要的影響。氣門及導(dǎo)管作為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵零部件，其故障或失效對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)存在著致命的影響。本文涉及的某款V8汽油機(jī)在可靠性耐久試驗(yàn)過程中，多次出現(xiàn)排氣門頂彎甚至斷裂的情況，嚴(yán)重制約了該發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

1 問題描述

V8發(fā)動(dòng)機(jī)在400 h交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)過程中，機(jī)器運(yùn)行至滿負(fù)荷額定轉(zhuǎn)速工況，扭矩及功率驟然下降，發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)位置冒出大量青煙，隨即臺(tái)架系統(tǒng)保護(hù)性急停。檢查后發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)機(jī)體都是機(jī)油，右側(cè)缸體被擊穿，氣門頭、活塞碎塊及活塞環(huán)等雜物在缸筒內(nèi)部可見。

對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，具體如下：7缸排氣門斷裂，氣門桿與頭部均在曲軸箱內(nèi)部找到，如圖1所示；氣門鎖片表面可見明顯磨痕，其中7缸氣門鎖片缺失一個(gè)，如圖2所示；7缸活塞碎裂，活塞碎塊及活塞環(huán)碎塊落入曲軸箱內(nèi)，如圖3所示。

圖1 氣門頭 圖2 氣門鎖片 圖3 活塞碎片

2 問題分析

氣門作為負(fù)責(zé)向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)輸送氣體及排除廢氣的重要零件，其斷裂的原因不僅與其材料、熱處理及制造工藝有關(guān)，還與整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的配合尺寸、裝配工藝有關(guān)，有的還牽扯到工作中的潤(rùn)滑條件等。導(dǎo)致氣門斷裂的原因有很多，根據(jù)本機(jī)拆解情況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可歸納為以下幾點(diǎn)。

2.1 潤(rùn)滑條件

氣門位置與其他一些結(jié)構(gòu)一樣，都是通過發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)飛濺的油液進(jìn)行潤(rùn)滑的。但氣門的潤(rùn)滑也有其特殊性，氣門是連通著燃燒室的部件，對(duì)其潤(rùn)滑時(shí)需要控制機(jī)油的泄漏量，避免機(jī)油竄入燃燒室內(nèi)，引發(fā)燒機(jī)油的問題。因此，氣門油封的作用就十分重要，機(jī)油泄漏量過少，則運(yùn)動(dòng)部件之間潤(rùn)滑不夠，容易形成部件之間的干摩擦，進(jìn)而加劇運(yùn)動(dòng)部件的磨損；機(jī)油泄漏量過多，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)油進(jìn)入燃燒室，加速積碳的形成，隨著積碳的不斷增加，最終造成氣門關(guān)閉不嚴(yán)，甚至是氣門粘連卡滯的情況。

在對(duì)故障機(jī)進(jìn)行拆解分析時(shí)，并未在氣門及燃燒室內(nèi)發(fā)現(xiàn)明顯積碳。綜合分析可排除機(jī)油泄漏量過多這一可能。氣門運(yùn)動(dòng)時(shí)是否潤(rùn)滑不足，發(fā)生干摩擦則可以通過合理更改氣門油封部分參數(shù)值，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 溫度條件

氣門的工作環(huán)境比較特殊，在其不斷進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還要承受燃燒室內(nèi)壓力的沖擊以及高溫氣體的吹蝕。尤其是排氣門側(cè)溫度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)氣門。在高溫環(huán)境下，材料的蠕變以及氣體介質(zhì)的腐蝕，都有可能加速氣門及相關(guān)零件的磨損。

為了摸清發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排氣門位置溫度分布狀況，評(píng)估故障機(jī)相同批次氣門材料是否滿足本型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求，后續(xù)進(jìn)行了排氣門溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖4所示。

圖4 氣門溫度分布圖

表1 氣門溫度分布

由以上排氣門溫度場(chǎng)試驗(yàn)可知，本次試驗(yàn)測(cè)得排氣門區(qū)域溫度在500 ℃～650 ℃之間。由于本次溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所用排氣門為空心充鈉氣門，測(cè)得的溫度較問題氣門會(huì)低100 ℃左右。因此故障機(jī)實(shí)際排氣門區(qū)域溫度在600 ℃～750 ℃之間。

根據(jù)溫度場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及Ni30的材料特性，故障件所用批次排氣門材料滿足本機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

2.3 配合零件的尺寸結(jié)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。根據(jù)試驗(yàn)后得到的結(jié)果，鎖夾、導(dǎo)管及座圈存在異常磨損的現(xiàn)象。調(diào)取故障機(jī)裝配檢測(cè)記錄，該批次氣門等相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)尺寸均符合圖紙要求，可排除零部件生產(chǎn)質(zhì)量問題。然后對(duì)相關(guān)零件的配合尺寸進(jìn)行逐一排查，分析設(shè)計(jì)是否合理。

圖5 配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

首先是氣門與導(dǎo)管的間隙值，此值偏大則容易產(chǎn)生氣門擺動(dòng)，關(guān)閉時(shí)落座不嚴(yán)，此值過小則容易發(fā)生氣門運(yùn)動(dòng)卡滯，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致氣門與活塞撞擊，出現(xiàn)氣門折斷的情況。一般發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門與導(dǎo)管的間隙在0.03 mm～0.12 mm之間，而故障機(jī)配合間隙設(shè)計(jì)值在0.037 mm～0.067 mm，基本符合要求。但在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，配合間隙必然會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，氣門與導(dǎo)管配合間隙仍需作為后續(xù)驗(yàn)證試驗(yàn)的一個(gè)變量，在臺(tái)架試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

在排查設(shè)計(jì)圖紙時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣門鎖夾結(jié)構(gòu)與氣門上鎖夾槽存在不一致的問題。鎖夾內(nèi)側(cè)R1的圓弧落在R1.2的鎖夾槽內(nèi)，在氣門上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，較大的間隙會(huì)使鎖夾與氣門產(chǎn)生軸向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使鎖夾過早地出現(xiàn)磨損，當(dāng)鎖夾磨損到一定程度時(shí)，就會(huì)在氣門彈簧的作用下滑出鎖夾槽，進(jìn)而導(dǎo)致氣門脫落，與活塞相撞。氣門和鎖片的具體尺寸分別如圖6、圖7所示。

圖6 氣門尺寸 圖7 鎖片尺寸

2.4 配合零件的硬度匹配

一般情況下，材料的耐磨性隨表面硬度的增加而增強(qiáng)，但是一味地加強(qiáng)材料硬度，往往會(huì)加劇材料的磨損。因?yàn)槟p的本質(zhì)是摩擦副在接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用下產(chǎn)生的表面材料不斷損失的過程，它與配對(duì)件的材質(zhì)、硬度以及中間介質(zhì)、環(huán)境等多種因素都有密切的關(guān)系。一般來說，一對(duì)摩擦副硬度不同時(shí)，硬度較低的件會(huì)率先發(fā)生磨損，硬度相差越大，則會(huì)加速磨損的過程。因此，在選材過程中要考慮到配合零件硬度的匹配狀況，而且不同材料在常溫與高溫下的硬度變化也是有所差異的。表2為故障機(jī)相關(guān)零件的材料及硬度情況。

由表2可以看出，三對(duì)摩擦副(氣門桿與鎖夾、氣門桿與導(dǎo)管及氣門盤部與座圈)之間，表面硬度均存在不同程度的差異，氣門導(dǎo)管與座圈相對(duì)來說硬度較低，與其對(duì)磨件相差較大，而且其材料高溫性能相對(duì)氣門材料來說較差。

表2 故障機(jī)相關(guān)零件材料及硬度情況

3 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

導(dǎo)致氣門斷裂所涉及的因素較多，根本原因暫時(shí)難以確定，根據(jù)對(duì)故障機(jī)的檢測(cè)及已發(fā)現(xiàn)問題的分析，初步制定了以下改進(jìn)方案，并對(duì)不同的改進(jìn)方案采用正交試驗(yàn)的方式進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證，從而快速確定氣門斷裂的根本原因，選出最優(yōu)的改進(jìn)方案。

3.1 更改氣門油封結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析，懷疑氣門潤(rùn)滑不足，適當(dāng)減小排氣門油封油面角，削弱油封刮油能力，增加機(jī)油泄漏量。油面角由35°更改為30°，氣門油封優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 氣門油封優(yōu)化后結(jié)構(gòu) 圖9 氣門鎖夾槽優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

3.2 更改氣門鎖夾槽結(jié)構(gòu)

根據(jù)鎖夾頭部圓弧形狀，優(yōu)化氣門上鎖夾槽位置的結(jié)構(gòu)尺寸，適當(dāng)減小鎖片與氣門的配合間隙，氣門鎖夾槽優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3.3 更改相關(guān)零部件的材料及硬度要求

根據(jù)上述分析，適當(dāng)提高鎖片導(dǎo)管及座圈的硬度要求，其中導(dǎo)管及座圈更換為新材料，具體更改內(nèi)容如表3所示。

表3 優(yōu)化后相關(guān)零部件材料及硬度情況

4 結(jié)論

針對(duì)V8汽油機(jī)耐久試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的氣門斷裂問題，通過對(duì)故障機(jī)進(jìn)行零部件分解、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的分析，初步確定了3個(gè)可能存在的問題。之后再根據(jù)零部件的實(shí)際狀態(tài)，確定了三種改進(jìn)方案。在此基礎(chǔ)上，采用不同因素交叉試驗(yàn)，在臺(tái)架上進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。最終確定方案為：①更改氣門鎖夾槽結(jié)構(gòu)；②更改氣門、鎖夾、導(dǎo)管及座圈材料與硬度要求。