汽車發(fā)動機正時鏈條的優(yōu)化

【摘 要】汽車發(fā)動機正時鏈條是發(fā)動機配氣機構(gòu)中的關鍵零部件。正時鏈條的質(zhì)量將直接影響發(fā)動機的使用壽命，并嚴重影響汽車行駛的安全性。本文針對正時鏈條生產(chǎn)過程失效模式進行分析，并提出優(yōu)化方案，使產(chǎn)品質(zhì)量滿足使用要求。

【關鍵詞】汽車發(fā)動機；正時鏈條；優(yōu)化

一、前言

汽車發(fā)動機正時傳動系統(tǒng)常見傳動方式有皮帶傳動、鏈條傳動和齒輪傳動等。皮帶傳動因皮帶成本低廉、噪聲低等優(yōu)點，在大多數(shù)汽車上均由采用；但由于皮帶的使用壽命限制，在發(fā)動機壽命內(nèi)，需要多次維護或更換。而鏈條傳動由于鏈條壽命較長，在發(fā)動機壽命內(nèi)，不需要對該系統(tǒng)進行維護保養(yǎng)，也稱為“免維護系統(tǒng)”；而且，隨著鏈條傳動系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，鏈條傳動的噪聲也被控制在可以接受的范圍內(nèi)，因此，鏈條傳動系統(tǒng)越來越受到各大汽車生產(chǎn)廠商和廣大消費者的青睞。所以，鏈條的質(zhì)量將直接決定了汽車發(fā)動機的使用壽命。下面以某發(fā)動機正時鏈條滾子破裂故障為案例，對其生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，提升其質(zhì)量，以滿足汽車發(fā)動機的使用要求。

二、故障描述

某型號發(fā)動機的正時鏈條采用的是滾子鏈，鏈條節(jié)數(shù)130節(jié)。鏈條經(jīng)發(fā)動機交變負荷試驗290小時發(fā)現(xiàn)噪音大，314小時后拆開發(fā)動機發(fā)現(xiàn)鏈條上6個滾子脫落，即該鏈節(jié)僅剩下套筒（滾子零件已沒有了），而且套筒部分有磨損現(xiàn)象；9個滾子出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，留有滾子的鏈節(jié)，滾子已出現(xiàn)開裂和掉塊現(xiàn)象。整根鏈條側(cè)向間隙正常，內(nèi)外鏈板無明顯啃傷現(xiàn)象。鏈條各鉸鏈副轉(zhuǎn)動靈活，整鏈無緊節(jié)、死節(jié)現(xiàn)象。

三、故障檢測

經(jīng)過常規(guī)尺寸、硬度及金相檢測，發(fā)現(xiàn)該正時鏈條的結(jié)構(gòu)尺寸、最大伸長率和硬度均符合設計要求。而在檢測各配件金相時發(fā)現(xiàn)，該鏈條上未破損的滾子內(nèi)部存在微裂紋。經(jīng)分析，該裂紋是滾子在冷鐓工位時形成，從而造成正時鏈條的早期失效。由于滾子的早期失效破裂，導致鏈條套筒直接與鏈輪進行嚙合，嚙合機制發(fā)生變化，鏈條振動加大，套筒磨損加劇。

表面未碎裂滾子在金相檢測中發(fā)現(xiàn)有滾子存在裂紋（400X）

四、工藝優(yōu)化

1、滾子材料：

材料選用20CrNiMo，20CrNiMo材料具有較好的塑性變形能力。

2、冷墩工藝：采用六工位冷墩機成形，調(diào)整了沖底方向，增加擠內(nèi)孔工位。

①對冷擠壓前的材料進行球化退火，并進行磷化處理。

②冷墩機進行了大保養(yǎng)，對滑塊的精度、模具的精度進行了檢查和修整。

③冷擠壓各工位進行調(diào)整（如圖）：

a、更換送料棘輪（采用線割加工），提高切料長度的穩(wěn)定性。切料工位采用半封閉切料裝置，確保切刀料的規(guī)則及排除毛刺的產(chǎn)生。

b、3#工位是成型過程（金屬流動過程）調(diào)整了模具擠壓深度，使坯料長度基本達到成品長度，同時調(diào)整了芯片的厚度，控制在產(chǎn)品壁厚的1-1.2倍，使得擠壓終極時，金屬具有通暢的流動性，避免擠壓微裂紋的發(fā)生。

c、5#工位是反向沖底，同時內(nèi)孔精擠，對該工位的沖棒和支承套更換成進口件。

3、熱處理工藝：

從對大量試驗后碎裂滾子的分析結(jié)果來看，滾子首先出現(xiàn)了端部掉塊，隨后開裂，最終脫落。對碎裂滾子進行金相組織分析后，也未發(fā)現(xiàn)過異常。但我們通過對冷墩后滾子的原始組織和再結(jié)晶退火后的組織狀態(tài)比對后發(fā)現(xiàn)：

a、冷墩過程中，由于將材料進行了拉伸，按其拉伸原理，沖底部位是金屬變產(chǎn)生形變最大區(qū)域，材料原始的球粒狀組織在該區(qū)域變成了纖維狀，故該區(qū)域是滾子應力集中區(qū)。

b、雖然經(jīng)過550℃再結(jié)晶退火，消除了該區(qū)域的大部份冷墩應力，但從組織狀態(tài)來看，該區(qū)域其纖維狀未得到明顯改變，因此，在熱處理過程中，先要將纖維狀恢復正常狀態(tài)，勢必會導致該區(qū)域內(nèi)的淬火應力大于其它的區(qū)域。

c、從滾子掉塊發(fā)生的部位在沖底端——金屬形變的最大區(qū)，也進一步得到了證實。

為了改善熱處理前滾子的組織狀態(tài)，將再結(jié)晶退火工藝，調(diào)整為球化退火，即在熱處理前對滾子進行等溫球化，以消除冷墩變形區(qū)纖維狀組織，確保熱處理之前零件組織為球粒狀珠光體和鐵素體，晶粒度控制在5級以上，以降低熱處理后組織應力，以提高滾子的使用壽命。

按此工藝方案，雖然有效解決了滾子的使用壽命，但在調(diào)試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了如下問題：

1、在滾子的成形過程中，部份滾子的拐角處出現(xiàn)了金屬斷裂。

2、去除余料后，滾子端口毛刺大，且端面不平整。

3、去除余料時支承套（材料為硬質(zhì)合金），尖角處容易報脫。

為此，在對生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)和實際生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的問題進行詳細分析后，對生產(chǎn)工藝再次進行如下優(yōu)化調(diào)整：

1、對冷墩工藝方法進行修正，在6 # 工位上去余料的同時增加模內(nèi)擠孔工步，通過5 #和 6 # 工步的兩次擠孔，使?jié)L子擠余量從原來的0.02mm達到0.07mm。

2、對5#反向沖底所用的沖棒頭部形狀進行修正，采用小圓角過渡，以減少沖底撕裂帶的寬度。

3、有效控制冷墩機和模具的精度，減少工件在工位間移動時位置的偏移量。

五、結(jié)語

通過以上工藝方案的調(diào)整，對生產(chǎn)的正時鏈條進行了500小時耐久試驗、500小時共振試驗和400小時熱循環(huán)試驗，對試驗結(jié)果進行分析表明，優(yōu)化后的正時鏈條滿足產(chǎn)品使用要求。

參考文獻：

[1]王建昕.汽車發(fā)動機原理.北京：清華大學出版社，2011.

[2]郭慶梁.磨具設計.北京：中國輕工業(yè)出版，2010.

作者簡介：

余海洋，男，1981.5，湖北隨州人，工程師，主要研究方向：汽車發(fā)動機技術(shù)。