發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)保的貢獻(xiàn)

敖萍萍

（同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

1 前言

環(huán)境問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和威脅人類生存的重要因素，各國(guó)政府對(duì)此非常重視，紛紛制訂保護(hù)環(huán)境的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)汽車行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格。我國(guó)相關(guān)行業(yè)在這方面也是緊跟國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)為滿足日益嚴(yán)格的排放要求，投入大量的人力物力財(cái)力，為了達(dá)到要求，不僅每年都要按照相關(guān)文件要求進(jìn)行嚴(yán)格環(huán)保評(píng)審，還花費(fèi)大筆資金引進(jìn)、消化國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)?？v觀發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的各標(biāo)準(zhǔn)，從用戶使用角度有污染物排放要求、噪聲排放要求、振動(dòng)限值要求等，生產(chǎn)方面有針對(duì)企業(yè)的排污限制要求、清潔度要求、產(chǎn)品滿足功能的要求以及生產(chǎn)安全等，而企業(yè)自身的發(fā)展又主要考慮用戶需求、產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本等。

在十幾年中，中國(guó)的汽車行業(yè)快速發(fā)展，極大地帶動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步，但同時(shí)也給環(huán)境造成了巨大壓力。汽車從制造、使用到報(bào)廢都會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，其中作為汽車心臟的發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)、使用以及報(bào)廢過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境影響主要有排放污染、噪聲污染、廢水以及原材料污染等。發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是今后發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的提高可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本，降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)節(jié)約整機(jī)以及零部件的生產(chǎn)以及使用的能源，避免因?yàn)榱悴考牟豢煽吭斐傻亩紊a(chǎn)的資源浪費(fèi)以及由此引起的環(huán)境污染。

本文主要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂襯套可靠性設(shè)計(jì)的案例，分析、探討發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性工作對(duì)環(huán)保的貢獻(xiàn)。

2 搖臂襯套可靠性設(shè)計(jì)介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性研究是從發(fā)動(dòng)機(jī)的不可靠性，即從故障分析開(kāi)始的。以搖臂襯套設(shè)計(jì)為例，某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)異響、排放變差等問(wèn)題，經(jīng)查為氣門(mén)間隙異常增大所至。氣門(mén)間隙是指發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)下，當(dāng)氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，氣門(mén)與傳動(dòng)件之間的間隙，用以補(bǔ)償氣門(mén)受熱后的膨脹量。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行1 000 h后，氣門(mén)間隙由原先的0.5mm增加到1.7mm，為正常值的3倍多。

氣門(mén)間隙增大的原因比較多，有搖臂、挺柱、推桿端面磨損、搖臂襯套磨損等。某系列發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)分析，找到了襯套磨損和氣門(mén)間隙異常增大之間的量化關(guān)系，確定為搖臂襯套磨損異常是主要原因。典型的襯套磨損如圖1所示。經(jīng)金相、力學(xué)等檢驗(yàn)，襯套硬度、材質(zhì)成分等均無(wú)問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)可靠性設(shè)計(jì)，考慮改善搖臂襯套的承載和抗磨能力，選擇采用了全鋼氮化搖臂。從可靠性試驗(yàn)考核結(jié)果看，氮化搖臂的內(nèi)孔磨損很小，都在0.03mm以內(nèi)；搖臂軸的磨損都在0.01mm以內(nèi)。后經(jīng)一年市場(chǎng)跟蹤，新設(shè)計(jì)的搖臂在使用中實(shí)際由搖臂內(nèi)圈磨損引起的故障發(fā)生數(shù)為零。改進(jìn)后的搖臂及其襯套與試驗(yàn)結(jié)果圖見(jiàn)圖2和圖3。

搖臂襯套異常磨損，會(huì)引起氣門(mén)間隙過(guò)大，而過(guò)大的氣門(mén)間隙對(duì)產(chǎn)品的使用可靠性影響極大。在臺(tái)架可靠性試驗(yàn)和用戶使用中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)大的氣門(mén)間隙會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)桿 （近盤(pán)部）斷裂，氣門(mén)及座圈異常磨損。因?yàn)闅忾T(mén)間隙過(guò)大使得氣門(mén)落座速度成幾倍地增加，如氣門(mén)間隙1.5mm時(shí)，氣門(mén)落座速度為原來(lái)的9～10倍，一旦氣門(mén)單邊落座就很容易在桿身處彎斷，此時(shí)斷口像被一刀砍下來(lái)一樣很平整。

本案例中，搖臂襯套經(jīng)過(guò)金相、力學(xué)等檢驗(yàn)，襯套硬度、材質(zhì)成分等均無(wú)問(wèn)題，但發(fā)動(dòng)機(jī)短期使用過(guò)程中卻出現(xiàn)這種異常磨損，并造成氣門(mén)間隙過(guò)大，從而引起其它一系列問(wèn)題。分析認(rèn)為，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化之后，原來(lái)的合金襯套已經(jīng)不能滿足目前的使用工況要求。后經(jīng)可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用了全鋼氮化搖臂。實(shí)踐證明這種搖臂既耐磨，又不易被咬死，完全滿足現(xiàn)在的使用要求，符合可靠性設(shè)計(jì)要求。

3 搖臂襯套可靠性改進(jìn)對(duì)環(huán)保的貢獻(xiàn)

由于搖臂襯套異常磨損會(huì)引起氣門(mén)間隙過(guò)大，而氣門(mén)間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)系列問(wèn)題產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)更換經(jīng)可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)的搖臂的發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中可以避免種種問(wèn)題的產(chǎn)生，由此對(duì)環(huán)保有利，主要表現(xiàn)在如下幾方面。

3.1 減少排放污染，提高經(jīng)濟(jì)效益

氣門(mén)間隙太大，氣門(mén)開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間減少，造成進(jìn)排氣不充分，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足、經(jīng)濟(jì)性惡化，會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，從而引起用戶不滿甚至抱怨，對(duì)企業(yè)產(chǎn)品形象帶來(lái)不利影響。進(jìn)氣門(mén)間隙太大，使進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間推遲，活塞在吸氣行程中氣缸內(nèi)的真空度加大，使曲軸內(nèi)飛濺的機(jī)油在加大的負(fù)壓作用下，通過(guò)活塞環(huán)的泵油作用，被大量吸入氣缸而燃燒，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，機(jī)油消耗量將成倍增加[2]，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)力、燒機(jī)油、冒藍(lán)煙，造成環(huán)境嚴(yán)重污染。

而發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油會(huì)使缸套、活塞、缸蓋、氣門(mén)等零部件表面積炭過(guò)多，零部件散熱性能、潤(rùn)滑性能變壞，加速零部件的磨損，還會(huì)使氣門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，油耗的增加，經(jīng)濟(jì)效益也下降。隨著潤(rùn)滑油中的積炭和機(jī)械雜質(zhì)的微粒增多，使相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件早期磨損加劇。

3.2 減少噪聲污染

氣門(mén)間隙變大后，氣門(mén)搖臂和氣門(mén)頂桿端撞擊，在氣門(mén)室處有清晰的 “達(dá)達(dá)”的敲擊聲，聲音的頻率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，且連續(xù)不斷[3]。尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)，響聲特別明顯，連續(xù)不斷的巨大噪聲給人一種很不舒服的感覺(jué)，給環(huán)境帶來(lái)噪聲污染。

3.3 減少資源的浪費(fèi)以及環(huán)境的污染

過(guò)大的氣門(mén)間隙對(duì)產(chǎn)品的使用可靠性影響極大。在臺(tái)架可靠性試驗(yàn)和用戶使用中，發(fā)現(xiàn)過(guò)大的氣門(mén)間隙會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)桿 （近盤(pán)部）斷裂，氣門(mén)及座圈異常磨損。而由此引起的嚴(yán)重磨損或損壞的零部件不能再使用，必須更換新的零部件，所更換的零部件及其過(guò)程會(huì)對(duì)資源造成浪費(fèi)，而生產(chǎn)零部件的過(guò)程同樣會(huì)引起資源、能源的再次浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成污染。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)上的零部件有上千個(gè)，尤其是一些主要零部件如氣缸蓋、活塞組、連桿、曲軸、噴油器、渦輪增壓器等是其可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)整機(jī)可靠性有著重要影響。作為發(fā)動(dòng)機(jī)上千個(gè)零部件之一的搖臂襯套的可靠性設(shè)計(jì)，從企業(yè)角度減少了用戶損失，增加了客戶滿意度，從而確保了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這是作為一名企業(yè)員工所必須履行的義務(wù)。但作為社會(huì)人，從社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，搖臂襯套的可靠性設(shè)計(jì)可以節(jié)約資源、減少排放、減少噪聲污染，將環(huán)境保護(hù)落實(shí)到了我們的可靠性設(shè)計(jì)工作。

可靠性方面的設(shè)計(jì)工作可謂任重而道遠(yuǎn)。我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性工作起步較晚，而可靠性是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是今后發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一，當(dāng)前在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)應(yīng)用可靠性技術(shù)已經(jīng)起步，從搖臂襯套可靠性設(shè)計(jì)案例可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)保、對(duì)節(jié)約資源所起的作用不可低估。因此發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在緊跟國(guó)際排放法規(guī)、滿足用戶需求以及降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，更應(yīng)該加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的研究開(kāi)發(fā)工作，避免因?yàn)榭煽啃栽O(shè)計(jì)不足引起的廢氣排放污染、噪聲污染以及不必要的資源重復(fù)浪費(fèi)等，以天下為己任，走可持續(xù)發(fā)展的路。

1李兵，朱梅林，郝強(qiáng).發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性研究述評(píng)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1996， (4)：1-3.

2周東莉，范文喜，劉長(zhǎng)河.發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油故障淺析.農(nóng)機(jī)使用與維修，2007(2)：53.

3聶春林,氣門(mén)搖臂磨損引起的響聲及原因.汽車與配件.1989， （1）：44.