增壓汽油機正時系統故障分析及改進

羅劍坤，羅富勝，張春龍，李 忠，洪志宇

（江鈴汽車股份有限公司動力總成研究院，江西南昌 330200）

0 引言

發動機臺架耐久試驗是發動機DV（Design Verification，設計驗證）可靠性的主要手段，通過發動機臺架測功機耐久試驗，可以快速驗證發動機的疲勞、磨損等失效模式。本文研究的增壓汽油發動機就是在臺架耐久過程中識別出前蓋板正時系統故障[1-2]。

1 故障描述

本研究的增壓汽油發動機前蓋板正時系統見圖1。在耐久試驗過程中增壓汽油發動機出現無法啟動現象，拆解發現是鏈條固定導板斷裂導致正時系統故障所致（圖2）。更換同種狀態的鏈條固定導板繼續耐久，相同故障再次出現，該故障共有4 起案例（表1）。

圖1 發動機前蓋板正時系統

表1 4 起失效案例對應的信息

圖2 鏈條固定導板斷裂

2 CAE 仿真

鏈條導板的斷裂讓相關人員對鏈條導板的強度表示質疑，因此進行了再次的仿真分析校核。單獨對鏈條固定導板進行仿真[3-4]分析，發現強度滿足安全系數要求（圖3）。

通過CAE（Computer Aided Engineering，工程設計中的計算機輔助工程）仿真分析，安全系數在1.6 以上，且在鏈條導板螺栓安裝處受力最大（圖3b））大于1.5，理論上可以接受。

圖3 鏈條固定導板CAE 仿真

3 NVH 共振測試

在發動機正時系統及周圍貼傳感器、皮帶輪處安裝角標儀等，發動機暖機完成后，從低速（1000 r/min/100%）120 s 平穩拉升到高速6000 r/min/100%，采集數據。發動機在運行（試驗）過程中，鏈條的受力將在緊和松之間反復轉換，在這種情況下鏈條導板容易發生z 向運動（該方向和鏈條導板襯套竄動的方向一致）。在4200 r/min 開始鏈條導板襯套的竄動逐漸增大，在5200～6000 r/min 擺動幅度達到最大、達到5 mm，遠超出可接受值1 mm[5]（圖4）。

圖4 鏈條導板襯套竄動量

將鏈條的竄動及共振一起考慮進去再次進行仿真分析，發現鏈條固定導板安裝固定處最容易出現失效。這與試驗過程中出現的失效位置相吻合。

分析結果顯示安全系數是1.296（源自LCF（Low Cycle Fatigue Test）試驗斷裂的鏈條導板），低于接受值（不小于1.5）。

4 耐久試驗工況

火花塞熱值匹配試驗是在發動機火花塞溫度最高和最低的區域運行，以評估火花塞熱值、點火間隙、點火能量等。因此發動機所以轉速的滿負荷（外特性）區域均需要運行。

低周疲勞試驗目的主要是考核發動機氣缸蓋及氣缸墊設計的可靠性。發動機失效形式：從啟動到達到最高設計冷卻液出口溫度的循環條件下，氣缸蓋在溫差應力作用下可能產生的低周疲勞。每個循環0.078 h，共4400 個循環，整個試驗耐久小時為342 h（圖5）。

圖5 低周疲勞試驗工況

試驗有2/3 左右的時間需運行5200 r/min/100%，而高周疲勞試驗有4/7 左右時間需運行在4000 r/min 以上，1/3 左右時間需運行在5200 r/min/100%工況。

高周疲勞試驗目的是評估發動機最大扭矩及最大功率[6]下的耐久性，主要考核發動機的“硬失效”模式。發動機可能的失效模式：發動機關鍵5C 件的高周疲勞。每個循環3.85 h，共70 個循環，整個試驗耐久小時為270 h（圖6）。

圖6 高周疲勞試驗工況

通過對火花塞熱值匹配試驗、高周疲勞試驗和高周疲勞試驗發現發動機在高轉速區域（4200～6000 r/min）占有很大比重。而發動機在這部分區域運行的過程中鏈條導板襯套竄動嚴重，和鏈條導板襯套固定的鏈條導板受力很大、竄動產生很大位移及沖擊，導致鏈條固定導板迅速疲勞、斷裂[6]。與故障情況吻合。

5 設計優化

通過以上分析發現該鏈條導板襯套在低周疲勞試驗、高周疲勞試驗運行時，由于需要在高轉速（4000 r/min 以上）運行，而該區域鏈條導板襯套竄動量大，導致鏈條導板強度不夠，從而斷裂。因此需要減小鏈條導板襯套在的竄動量。通過導板設計變更，限制鏈條竄動的擺幅（圖7）。

圖7 鏈條導板改進前后示意

設變后再次進行NVH（Noise，Vibration，Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）共振測試，發現設變后竄動量有明顯的改善，并且所有轉速區域竄動量在可接受范圍（小于1 mm）內（圖8）。改進前，發動機速在4200 r/min 以上時，鏈條導板竄動位移嚴重超過可接近標準，不可接受；改進后，發動機速在高速時，鏈條導板竄動位移雖增大但未超過1 mm，在可接受標準內。

圖8 改進前后竄動量對比

6 臺架耐久試驗驗證

將設變后的鏈條固定導板搭載到發動機上重新啟動前面因鏈條固定導板導致正時系統故障而終止的試驗。試驗結果如圖9 所示，其中“hrs”即“小時”。

圖9 鏈條導板襯套改進前后試驗結果

342 h 低周疲勞試驗切換新狀態的鏈條導板重新試驗時順利通過耐久；270 h 高周疲勞試驗切換新狀態的鏈條導板重新試驗時順利通過耐久；800 h Global Engine System Test（全球發動機系統測試）（模擬顧客道路使用循環試驗）搭載新狀態的鏈條導板試驗時順利通過耐久。所有試驗均順利通過耐久。

此外還新增了生產裝配驗證試驗。150 h 低周疲勞試驗、150 h 高周疲勞試驗及兩個10 h 質量確認試驗搭載新狀態的鏈條導板試驗時順利通過耐久。生產裝配驗證通過，改進效果顯著。