氣檢泄漏測試技術在發動機制造中的應用

黃正旺，竭盡超，梁忠耀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

引言

汽車發動機是汽車的心臟，為整車提供動力的一個裝置。而常見的汽油機、柴油機都屬于往復活塞式內燃機。而在活塞式內燃機的制造過程中合理地、有效地檢測關鍵部件的密封性是發動機生產制造中的一項重要的工藝流程。合理的泄漏測試工藝可以有效減少生產過程中的浪費、避免有泄漏的發動機流入市場而影響企業形象。本文主要對泄漏測試技術在發動機制造工藝里面的應用和相關的失效研究做重點闡述。

1 泄漏測試原理

1.1 泄漏測試技術的概念

泄漏測試是產品質量和工藝控制的一種手段。通過對被測零部件用空氣或其它氣體沖壓，用一種或幾種方式來判定零件是否存在泄漏。對零件進行泄漏檢測的手段有很多，包括浸水法、異種氣體測試法、流量測試法、壓降測試法和壓差測試法等?，F代的氣檢泄漏測試由于采用了先進的電子技術和高品質的氣動元件，以及潔凈、干燥的壓縮空氣，壓降泄漏測試法得到了廣泛的應用。

1.2 氣檢泄漏測試技術原理

壓降泄漏測試法是對被測工件加入特定壓力的壓縮氣體后，對工件進行密封，通過壓力傳感器在規定的測試時間內測出工件是否因工件本身的泄漏導致內部的壓力下降，進而將壓力下降值換算得出泄漏率。而通過給測試系統設置一個零泄漏參考件，將被測工件的壓力變化特征曲線與零泄漏參考件的壓力損失特征曲線進行對比，可一定程度消除外界干擾造成的測量誤差，提高測量系統的精確度[1]（如圖1所示）。

1.3 泄漏率計算原理

測試一個密閉腔體的工件是否有泄漏有兩種方法，一個是目檢漏孔的大小，一個是檢測單位時間內氣體的泄漏量。由于在發動機生產制造過程潛在的泄漏失效模式中，常見的發動機泄漏表象為滴油、滴水，其漏孔極其微小，漏孔的位置很多在不易觀察的工件角落，泄漏的路徑也各式各樣。因此通過目檢或者視覺類的自動檢測手段不能全面覆蓋發動機的各種泄漏情況，所以在發動機生產中的檢測技術一般用泄漏率，泄漏率計算原理如下。

由理想氣體狀態方程[2]:

可知：

式中:R為摩爾氣體常數；M為氣體的摩爾質量，也是常數；P為氣體壓強；T為氣體溫度；m為氣體質量；V為氣體體積。

常見漏率單位有Pa·m/s、Pa·L/s、Pa·m3/s、Pa·L/s、atm·cc/s、bar·L/s和mol/s等。我國法定的漏率單位為Pa·m3/s，下面用到的都為bar·mL/min。

2 泄漏測試工藝

2.1 泄漏測試范圍對象

A公司主要生產的商用車和乘用車搭載的發動機排量有1.2 L和1.5 L，而對這兩款發動機的生產制造過程都有嚴密的泄漏測試控制，確保缺陷發動機不會流入市場，也是行業與環保標準要求。在該公司的發動機制造工藝中，已經將氣缸蓋、氣缸體、排氣歧管總成和發動機總成等形成了完善的泄漏測試流程。涵蓋了廢氣排氣的腔體、發動機冷卻水腔體、發動機機油流動的腔體通道，嚴密的過程控制有效減少了制造過程中的浪費。

2.2 泄漏測試過程

A公司的發動機泄漏測試技術是基于USON泄漏測試儀開發的。泄露測試過程主要分為以下幾個步驟。

預充氣階段：對需要測試的零件腔體進行一個高壓充氣，氣壓一般高于充氣階段幾倍，但不高于該零件對應的設計工作壓力，在自動化生產線中，高壓充氣可有效減少節拍。

充氣階段：向零件腔體充入規定壓力的氣體。

穩定階段：將充氣裝置氣路與腔體隔離，靜置發動機腔體一定時間，讓發動機內部的氣體達到一個平衡的狀態，即腔體任意兩處氣體氣壓ΔP≈0，而這個靜置時間和腔體的大小、形狀、充氣的氣壓都有關系。經研究，靜置時間越長ΔP越趨于零值，因此不能為了減少節拍而隨意改變減少穩定階段的時間。

測試階段：測量測試階段開始那一刻的P1和測試階段結束的那一刻P2，得到ΔP=P1-P2，根據測試階段的壓力差計算得出腔體的泄漏率。

被檢測工件的泄漏率計算公式如下：

泄漏率的確定范圍，A公司的泄漏率的確定是由幾個月生產的無泄漏的發動機或零部件測得出的泄漏率，通過統計學原理，按±6σ計算得出的泄漏范圍。

排氣階段：設備松開工件，將腔體的氣體排入大氣。

2.3 MSA研究

試漏測試設備由密封夾具系統、氣路系統和USON試漏設備構成。由于試漏測試設備比較復雜，要求精確度又很高，因此需要測試系統的過程能力進行周期性評估，確保對發動機（工件）的密封性進行有效的判斷。

標準件的制作是從10臺以上的發動機（工件）挑選出一個泄漏率最接近零值的發動機（工件），并對其進行“泡沫水法”測試密封性，確保無泄漏。

泄漏測試設備的能力驗證需要在標準件的情況下對其進行重復測試50次以上，并根據標準件校準值、質量特性上下差，50次重復測試平均值μ，50次重復測試方差值σ，計算得出測量系統的過程能力Cpk。對不存在人為誤差的自動泄漏測試設備還進行以下驗證，即對至少5n個發動機（工件），在不同的時間進行泄漏測試不少于5r次，且n*r大于等于50。計算得出測量系統的GR&R。M公司的泄漏測試設備Cpk≥2，GR&R≤10%，表明該測量系統重復性和再現性很好。通過該方法一般用于驗證測量系統的重復性、再現性、準確度、線性和短期穩定性，可以調查測量系統本身的固有變差。

3 泄漏測試失效模式研究

常見的失效模式、原因及控制手段如表1所示。

表1 自動泄漏測試失效模式研究

由表1可知，泄漏測試設備的失效和誤判都是由于測試程序、夾具、氣路、設備和環境等原因引起的。因此運用氣檢泄漏測試技術需要很多工程技術手段、質量工具找出最優的工藝參數和最好的現場控制方法。

4 結語

隨著現代氣檢泄漏技術的發展，所適用的工況環境也更加復雜多變，但同時也需要更多控制手段，例如季節變換的溫度補償、濕度補償等。隨著“中國制造2025”的大環境下，發動機制造中的氣檢泄漏測試技術也會更加完善，更加精益化。