發(fā)動機凸輪軸異常磨損分析

劉高領(lǐng)，韋錦易，翟克嬌，姚博煒

(柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司，廣西柳州 545006)

0 引言

配氣機構(gòu)是發(fā)動機的關(guān)鍵子系統(tǒng)，凸輪軸與挺柱作為配氣機構(gòu)中最重要的摩擦副，凸輪軸的故障直接影響到發(fā)動機的使用性能和工作可靠性[1]。凸輪軸的常見故障包括磨損、異響以及斷裂等，而異響及斷裂往往又同時伴隨著早期磨損的發(fā)生。凸輪軸的磨損問題比較復(fù)雜，影響其磨損的原因較多，如凸輪軸與挺柱之間的材料硬度匹配、凸輪型線、挺柱結(jié)構(gòu)，氣門彈簧力、機油潤滑等[2-3]。

1 故障模式

凸輪磨損宏觀形貌如圖1所示。氣門挺柱如圖2所示。

圖1 凸輪磨損宏觀形貌

圖2 氣門挺柱

某型配置有雙頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)的四缸汽油發(fā)動機，曾出現(xiàn)多起凸輪軸磨損異常并且導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)異響的情況。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在進氣凸輪軸的桃尖附近出現(xiàn)不同程度的磨損情況，比較嚴(yán)重的會在凸輪桃尖處出現(xiàn)明顯圓弧壓痕，如圖1所示，而對應(yīng)的挺柱(圖2)沒有異常現(xiàn)象。出現(xiàn)異常磨損的發(fā)動機行駛里程集中在5 000 km以內(nèi)，屬于早期異常磨損。

2 原因分析

2.1 凸輪軸檢測

2.1.1 材料分析

凸輪軸材料為冷激鑄鐵，將磨損的凸輪進行材料成分分析，分析結(jié)果見表1，由表1可知，檢測的材料成分符合技術(shù)要求。

表1 凸輪軸材料成分 %

2.1.2 硬度檢測

凸輪桃尖采用冷激處理，桃尖硬度要求為48～56 HRC，其余部位不小于40 HRC；將凸輪按圖3所示進行硬度檢測，測量結(jié)果見表2，由圖和表可知符合技術(shù)要求。

圖3 凸輪硬度測量位置

表2 凸輪硬度要求

2.1.3 金相組織分析

按照設(shè)計要求，鑄鐵凸輪軸凸桃冷激區(qū)應(yīng)為白口組織：萊氏體+細(xì)針狀碳化物細(xì)片狀(或粒狀)珠光體，允許少量游離點狀石墨存在 。檢查石墨形狀及長度，結(jié)果如圖4所示，出現(xiàn)少量點狀+團狀石墨；用3%硝酸酒精腐蝕后檢查珠光體含量及碳化物數(shù)量，結(jié)果如圖5所示，出現(xiàn)萊氏體+少量珠光體， 測量結(jié)果符合技術(shù)要求。

圖4 點狀+團狀石墨

圖5 萊氏體+少量珠光體

2.2 挺柱檢測

挺柱設(shè)計材料為合金機構(gòu)鋼SCM415，挺柱表面碳氮共滲,并經(jīng)淬火、回火處理。為了提高產(chǎn)品耐磨性，減少摩擦損耗，降低油耗，在挺柱端面(凸輪接觸面)涂覆DLC(類金剛石)涂層，涂層硬度不小于2 000 HV0.002。通過檢測，挺柱的硬度以及材料符合技術(shù)要求。

2.3 型線分析

2.3.1 凸輪與挺柱接觸應(yīng)力分析

通過搭建動力學(xué)模型進行CAE分析，如圖6和圖7所示，以1 000 r/min為例，在1 000～6 600 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力均小于700 MPa的限值要求，接觸應(yīng)力并非凸輪異常磨損的原因。

圖6 動力學(xué)模型

圖7 凸輪與挺柱接觸應(yīng)力

2.3.2 偏心率分析

在凸輪軸的型線設(shè)計中，需要評估凸輪和挺柱之間的偏心率是否滿足要求，偏心率即凸輪與挺柱的接觸點與挺柱軸心的距離。按照經(jīng)驗，凸輪在運動過程中，凸輪與挺柱的接觸線與挺柱邊緣的距離需要大于0.6 mm，結(jié)合挺柱直徑尺寸校核，最大偏心率需小于12.71 mm。利用Lotus軟件對凸輪軸型線進行分析，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)最大偏心率達(dá)到了14.12 mm，也就表明實際運行時凸輪已經(jīng)超出了挺柱邊緣，不滿足要求。

圖8 凸輪和挺柱之間偏心率

2.4 綜合分析

綜上分析，凸輪軸與挺柱的材料、硬度、金相組織均滿足設(shè)計要求，非零件質(zhì)量問題。導(dǎo)致凸輪軸異常磨損原因是凸輪軸的型線不符合偏心量要求，在凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運行過程中，凸輪與挺柱的接觸線已經(jīng)超出挺柱端面，桃尖始終會受到挺柱邊緣的敲擊，另外由于挺柱端面涂覆有DLC涂層，涂層硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于凸輪軸，且挺柱端面邊緣為錐角過渡，故加劇了磨損。

3 改善措施及驗證

3.1 優(yōu)化型線

更改凸輪軸的型線設(shè)計，通過減小偏心率，在任何情況下避免凸輪與挺柱的邊緣進行接觸，是解決磨損問題的方法之一。利用AVL EXCITE TD 軟件對配氣機構(gòu)進行建模并仿真分析[4]，對凸輪軸型線進行優(yōu)化，優(yōu)化后的型線在滿足原發(fā)動機性能的前提下，同時也滿足偏心率的要求以及整個配氣機構(gòu)運動學(xué)的其他指標(biāo)，分析結(jié)果見表3。

表3 運動學(xué)分析結(jié)果

3.2 挺柱更改

挺柱更改如圖9所示。

凸輪和挺柱之間的硬度差會影響二者之間的磨損[5]。此次改善的方向是降低凸輪和挺柱之間的硬度差，取消挺柱端面DLC涂層，挺柱只進行碳氮共滲，端面硬度由原DLC涂層的2 000 HV0.002降低為680～850 HV10，并且將挺柱端面的銳利錐角更改為圓角過渡，降低挺柱對凸輪的敲擊磨損。

3.3 試驗驗證

為了驗證原因分析的正確性以及改進措施的有效性，裝配3臺發(fā)動機進行臺架耐久驗證，驗證結(jié)果見表4。

表4 臺架驗證結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)分析及試驗驗證結(jié)果可知，凸輪軸型線設(shè)計不合理是導(dǎo)致凸輪軸發(fā)生異常磨損的主要原因，可以采取如下改進措施進行消除：

(1)改善型線設(shè)計，減小偏心率，避免凸輪與挺柱在邊緣位置接觸，可完全解決磨損所導(dǎo)致的異響問題。

(2)若不能變更凸輪型線，通過更改挺柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且取消端部DLC涂層，降低凸輪軸與挺柱之間的硬度差，也能有效地降低凸輪軸磨損。