柴油機(jī)搖臂滾輪粘結(jié)問題分析及改進(jìn)

李珊珊，和曉鋒，陳勇

濰柴動力股份有限公司 重慶 402262

1 序言

進(jìn)、排氣搖臂滾輪機(jī)構(gòu)是某型中速柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要組成部分，其作用是傳遞凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和推力，將凸輪的作用力轉(zhuǎn)化為搖臂頭部的上下運(yùn)動，從而驅(qū)動進(jìn)、排氣門的開關(guān)。滾輪與滾輪軸間的摩擦、滾輪與凸輪表面間的摩擦?xí)苯佑绊懖裼蜋C(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，對柴油機(jī)平穩(wěn)可靠運(yùn)行有重要的影響。

根據(jù)磨損機(jī)理，常見的磨損有粘著磨損和磨粒磨損。當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處發(fā)生固相焊合作用，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成了粘著磨損。這種被遷移的材料，或脫離所粘附的表面而成為游離顆粒，在柴油機(jī)摩擦副中很常見，嚴(yán)重的會造成運(yùn)動副咬死[1]。這種磨損就是文中提到的粘結(jié)現(xiàn)象。由于潤滑不良，各運(yùn)動副之間形成干摩擦，導(dǎo)致相關(guān)運(yùn)動件固死、燒損等都屬于這種磨損。它是金屬摩擦副之間最普遍的一種磨損形式。

2 原因分析

2.1 原結(jié)構(gòu)工作原理

由凸輪軸上進(jìn)、排氣凸輪的壓力油孔噴出潤滑油，通過搖臂開擋飛濺至兩側(cè)的滲油槽，潤滑油滲入到滾輪軸軸向油槽（滲油槽與滾輪軸軸向油槽對齊），將油輸入到滾輪軸與滾輪之間，達(dá)到潤滑滾輪與滾輪軸摩擦副的目的。潤滑原理及結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 搖臂滾輪結(jié)構(gòu)潤滑原理

圖2 原滾輪與滾輪軸潤滑結(jié)構(gòu)

2.2 問題描述

原搖臂滾輪機(jī)構(gòu)在近幾個月的柴油機(jī)出廠臺架試驗時，集中出現(xiàn)滾輪粘結(jié)現(xiàn)象。剛開始，粘結(jié)集中在大功率柴油機(jī)上，而后逐漸擴(kuò)展至小功率柴油機(jī)上。最多時每臺柴油機(jī)只有1缸滾輪良好，其余全部粘結(jié)，更嚴(yán)重時直接導(dǎo)致凸輪軸報廢，影響了產(chǎn)品的正常交付。

通過更換滾輪、滾輪軸，重新進(jìn)行磨合和出廠試驗，一般可以解決該問題。并且投入到市場后，也很少發(fā)生進(jìn)、排氣搖臂滾輪粘結(jié)現(xiàn)象。出廠臺架試驗發(fā)生的粘結(jié)數(shù)量大大多于用戶使用過程中發(fā)生的粘結(jié)數(shù)量。滾輪、滾輪軸磨損情況如圖3所示。

圖3 滾輪、滾輪軸磨損情況

2.3 原因分析

（1）材料 凸輪軸材料為20Cr，表面滲碳淬火，硬度為（62±2）HRC，層厚為1.5mm；進(jìn)、排氣滾輪材料為CrWMn，表面淬火，硬度為58～64HRC，外表面的表面粗糙度值Ra=0.2μm，內(nèi)孔表面粗糙度值Ra=0.1μm；滾輪軸材料為50CrVA，表面軟滲氮，硬度為（600±50）HV0.2（HV0.2表示加載20kg載荷且保持10～15s得到的硬度），化合物層深度＞0.01mm，表面滲氮后拋光，表面粗糙度值Ra=0.1μm。

從設(shè)計上看，材料選取及硬度匹配是合理的。質(zhì)量部門檢查硬度，結(jié)果也達(dá)到圖樣要求，說明材料及熱處理沒有問題。

（2）加工質(zhì)量問題 通過尺寸檢驗、理化分析，發(fā)現(xiàn)滾輪軸油槽邊緣無R0.4mm倒角，不滿足圖樣要求。實(shí)際加工狀態(tài)為接近45°倒角（見圖4），在高速轉(zhuǎn)動時，油槽未倒圓角，不是圓滑過渡，呈尖角，滾輪軸油槽內(nèi)潤滑油無法在滾輪軸表面形成潤滑油膜[2]，產(chǎn)生高溫，這是使?jié)L輪與滾輪軸發(fā)生粘結(jié)的原因之一。

圖4 使用萬工顯對滾輪軸放大30倍檢查

同樣，滾輪邊緣原為45°倒角，并存在銳邊，有刮手現(xiàn)象。破壞油膜的同時，滾輪邊緣容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成滾輪偏磨。采取人工修磨至R0.5mm的臨時措施，但改善效果不明顯。

（3）運(yùn)動副配合間隙 滾輪與滾輪軸間的潤滑對間隙的大小十分敏感，間隙不足會限制機(jī)油流動，使摩擦熱不能充分地被機(jī)油帶走，增加了過熱變形的可能；而間隙過大，則難以形成均勻的油膜，對摩擦副表面的潤滑也是不利的。

原結(jié)構(gòu)的滾輪與滾輪軸間理論間隙為0.03～0.06mm，受加工及裝配的影響，此間隙可能難以保證。后續(xù)將間隙加大至0.05～0.08mm后，粘結(jié)現(xiàn)象有所減少，但仍然存在。故間隙并不是此問題的主要影響因素，但必須在質(zhì)量環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，避免間隙過小的情況出現(xiàn)。

（4）滾輪軸孔平行度超差 滾輪軸是直接裝在搖臂上滾輪軸孔內(nèi)的，二者為過渡配合，二者間隙為－0.006～＋0.028mm。圖樣要求滾輪軸孔相對于搖臂軸孔的平行度為0.03mm，有一家供應(yīng)商的產(chǎn)品此平行度嚴(yán)重超差，最大達(dá)0.122mm。而從車間統(tǒng)計滾輪粘結(jié)的比例來看，此供應(yīng)商提供的搖臂粘結(jié)率明顯大于其他。此平行度也是影響因素之一，但同樣不是根本原因，控制后仍有粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。

（5）表面硬度不足 經(jīng)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，材料的硬度越高，耐磨性越好[3]，滾輪和滾輪軸一般要求表面硬度達(dá)到600HV0.2以上。經(jīng)檢驗，滾輪軸的硬度存在低于600HV0.2的情況，滾輪硬度均達(dá)標(biāo)。但后期保證表面硬度后，仍存在粘結(jié)現(xiàn)象。故表面硬度也不是粘結(jié)的根本原因。

滾輪軸的表面處理工藝為軟滲氮，供應(yīng)商為保證尺寸要求，進(jìn)行了精磨外圓的工序。后經(jīng)分析，滲氮后表面生成的白亮層硬度較高，對減磨起關(guān)鍵作用[4]，而白亮層的厚度僅為0.1～0.2mm，滲氮后再磨削加工將嚴(yán)重破壞白亮層，造成滾輪軸表面耐磨性減弱。后期要求滲氮后不允許再磨削加工。可通過工藝試驗摸索確定滲氮前應(yīng)保證的尺寸，從而達(dá)到尺寸要求。

（6）滾輪金相結(jié)構(gòu) 經(jīng)檢驗，發(fā)現(xiàn)滾輪材料中的帶狀、網(wǎng)狀碳化物呈3級，且存在碳化物液析，這會明顯增加滾輪的脆性，使沖擊韌性明顯下降，降低了滾輪表面的接觸疲勞強(qiáng)度及耐磨性[5]。故將適當(dāng)提高滾輪網(wǎng)狀碳化物的等級要求。

3 方案試驗及改進(jìn)措施

在分析原因的同時，采取了多種方案試驗的方法，以盡快找到解決問題的改進(jìn)措施，包括臨時打磨圓角，調(diào)整配合間隙，挑選平行度較好的搖臂，以及選用表面硬度較高的滾輪、滾輪軸等試驗驗證，均沒有完全解決粘結(jié)問題。

在方案試驗的同時，引入了一家有成熟經(jīng)驗的滾輪、滾輪軸供應(yīng)商，該供應(yīng)商加工的滾輪軸，明顯特點(diǎn)為圓角處過渡比較光滑，且油槽底部也為圓角結(jié)構(gòu)，外表面呈灰黑色。表面硬度較高，均在700HV0.2以上，白亮層厚度在0.08～0.1mm。滾輪邊緣也為光滑的圓角，無刮手現(xiàn)象。

將該供應(yīng)商的滾輪軸樣件先后裝試驗機(jī)、產(chǎn)品機(jī)共計115件，經(jīng)過試驗機(jī)的磨合、4h滿負(fù)荷試驗和產(chǎn)品機(jī)的出廠試驗，均沒有發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。同時驗證了該供應(yīng)商的滾輪軸和其他供應(yīng)商滾輪配套的情況，同樣沒有發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。由此判定，滾輪、滾輪軸粘結(jié)問題是一個多種因素綜合影響的結(jié)果。需要從改善運(yùn)動副潤滑，提高工作面表面硬度，以及保證加工、裝配質(zhì)量從而保證配合間隙等多方面共同要求，才可以徹底杜絕此問題的發(fā)生。

綜上分析可知，有改善效果的改進(jìn)措施包括以下幾點(diǎn)。

1）滾輪軸上油槽的底部、槽口圓角必須過渡圓滑，保證油路通暢。

2）將滾輪、滾輪軸的軸尺寸公差加工控制在下偏差，孔尺寸公差控制在上偏差，盡量增大配合間隙。

3）將滾輪軸的表面硬度由（600±50）HV0.2提高至（700±50）HV0.2。

4）要求滾輪軸滲氮后不允許磨削。

5）滾輪的網(wǎng)狀碳化物等級要求為1～2級，磁粉探傷并退磁。

6）嚴(yán)格控制搖臂滾輪軸孔相對搖臂軸的平行度。

通過落實(shí)以上整改措施，該柴油機(jī)搖臂滾輪粘結(jié)問題得到有效解決。

4 結(jié)束語

從解決滾輪、滾輪軸粘結(jié)的全過程來看，國內(nèi)部分零件加工廠不注意加工細(xì)節(jié)，加工較粗糙，導(dǎo)致關(guān)鍵部位倒角不圓滑，留存的毛刺破壞油膜。再加上操作人員的習(xí)慣是將軸的尺寸公差加工至上偏差、孔的尺寸公差加工至下偏差（這樣零件易返修），結(jié)果導(dǎo)致配合間隙偏小，影響油膜形成。技術(shù)部門未強(qiáng)調(diào)此類問題時，質(zhì)量部門對批量零部件的檢查也不夠細(xì)致，此類容易被忽視的原因造成了嚴(yán)重的質(zhì)量問題。由此應(yīng)深刻吸取教訓(xùn)，在設(shè)計初期對零部件的工作原理認(rèn)真分析，通過失效模式分析，將關(guān)鍵問題的細(xì)節(jié)重點(diǎn)要求，引起質(zhì)量部門及加工操作人員的重視，才能避免此類問題的發(fā)生。