清潔度對(duì)液壓挺桿異響的影響及解決方法

李蓉，孟慶新

(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，湖北武漢 430056；2.神龍汽車(chē)有限公司采購(gòu)部，湖北武漢 430056)

全球汽車(chē)行業(yè)隨著人均收入的提高而得到了大幅的增長(zhǎng)，汽車(chē)行業(yè)中內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)。從國(guó)際知名的調(diào)查機(jī)構(gòu)JD POWER針對(duì)汽車(chē)的調(diào)查可知，更多的消費(fèi)者是從感觀上來(lái)評(píng)價(jià)市場(chǎng)上的每一款汽車(chē)。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)異響會(huì)直接影響消費(fèi)者的選擇，產(chǎn)生異響的原因有很多，液壓挺桿異響是最主要的因素之一。

1 產(chǎn)生噪聲的原因

凸輪軸實(shí)際的壓縮過(guò)程中，由于機(jī)油在液壓挺桿中的可壓縮性，導(dǎo)致氣門(mén)升程曲線將會(huì)發(fā)生變化，造成氣門(mén)升程損失。如果氣門(mén)關(guān)閉后，氣門(mén)間隙超過(guò)了氣門(mén)關(guān)閉緩沖段高度，這就意味著氣門(mén)關(guān)閉過(guò)早，氣門(mén)關(guān)閉時(shí)液壓挺桿跟凸輪的接觸點(diǎn)尚未到達(dá)凸輪型線上的氣門(mén)關(guān)閉緩沖段，氣門(mén)對(duì)氣門(mén)座和氣缸蓋的沖擊明顯增強(qiáng)，由此引起的振動(dòng)和噪聲加劇。

產(chǎn)生噪聲的原因已經(jīng)明確了，影響液壓挺桿異響的因素更是非常多，其中潤(rùn)滑油路的清潔度超差導(dǎo)致異響的故障占40%以上，屬于導(dǎo)致異響的最重要的因素之一。清潔度如何影響異響呢?液壓挺桿如何在工作過(guò)程中確保消除或減小這個(gè)噪聲呢?作者將在下面進(jìn)行探討。

2 清潔度影響異響

發(fā)動(dòng)機(jī)中80%以上為運(yùn)動(dòng)件，液壓挺桿更不例外，也正是利用其自身的運(yùn)動(dòng)特性才能彌補(bǔ)氣門(mén)間隙，達(dá)到減小噪聲的功能。在正常工作狀況下，液壓挺桿的部件柱塞3相對(duì)于殼體本身是不運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)部件為挺柱體4、鋼球2和兩個(gè)彈簧。只有當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)運(yùn)動(dòng)部件不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)才會(huì)導(dǎo)致零件的功能失效，從而導(dǎo)致液壓挺桿出現(xiàn)異響。

3 清潔度的考核指標(biāo)

清潔度的考核指標(biāo)包含兩個(gè)部分:顆粒物的質(zhì)量和顆粒物尺寸的分布。質(zhì)量的限制主要是防止雜質(zhì)過(guò)度匯集;而尺寸的限制主要是防止雜質(zhì)在零件內(nèi)部卡死帶來(lái)故障。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中因?yàn)楦邏呵皇且粋€(gè)“間歇循環(huán)”的腔體，在腔體中會(huì)遺留機(jī)油帶來(lái)的雜質(zhì)，具體位置見(jiàn)圖1。這些位置中可能出現(xiàn)堆積導(dǎo)致異響的是A區(qū)域、B區(qū)域、C區(qū)域和D區(qū)域。

圖1 液壓挺桿結(jié)構(gòu)圖

4 分析出現(xiàn)異響的幾種可能性

(1)當(dāng)柱塞和挺柱體之間無(wú)法自由移動(dòng)，這時(shí)液壓挺桿的功能完全失效，即變成了一個(gè)機(jī)械挺桿，無(wú)法彌補(bǔ)氣門(mén)間隙，噪聲就產(chǎn)生了。這種情況只有可能是雜質(zhì)卡到挺柱體和柱塞之間了，出現(xiàn)這種情況的概率非常小，約占總體的4%左右，特別是運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)動(dòng)機(jī)，且沒(méi)有定期更換機(jī)油的情況下才會(huì)出現(xiàn)。因?yàn)橥χw和柱塞之間的間隙在5～10 μm之間，由于間隙的存在，流入高壓腔中的雜質(zhì)匯集到C區(qū)域，機(jī)油在高速壓縮的同時(shí)，C區(qū)域的金屬雜質(zhì)頭部就會(huì)快速地嵌入到這間隙中，從而影響正常的壓縮功能，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲。

(2)高壓腔在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)法形成一個(gè)密閉的腔室，導(dǎo)致無(wú)法起到壓縮緩沖、自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用，噪聲就這樣產(chǎn)生了。這樣的情況經(jīng)常遇見(jiàn)，故障率占總體的80%左右。因?yàn)橛吐分袇R集著雜質(zhì)，隨著油壓的作用，雜質(zhì)不斷地從缸蓋的油孔流出，匯集到液壓挺桿A區(qū)域，最終被卡在液壓挺桿的單向閥處導(dǎo)致單向閥無(wú)法正常關(guān)閉。

(3)高壓腔無(wú)法得到充足的油進(jìn)行彌補(bǔ)，導(dǎo)致堵塞。這種故障是混合著雜質(zhì)的高壓機(jī)油流入挺桿體B區(qū)域可能被全部堵住了或部分堵住。零件進(jìn)油孔一般尺寸為φ1.8 mm，當(dāng)雜質(zhì)能夠堵住進(jìn)油孔的1/3時(shí)，由于高壓腔在壓縮后無(wú)法補(bǔ)充足夠的機(jī)油，導(dǎo)致挺桿體發(fā)軟，產(chǎn)生異響。

即便零件配合間隙達(dá)到了要求，清潔度不好，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中隨著機(jī)油在高壓腔內(nèi)的流動(dòng)，很容易在間隙處形成堆積，從而導(dǎo)致沉降值變大或不能有效壓縮。這就要求整個(gè)油道足夠清潔，并且對(duì)于液壓挺桿要求更加嚴(yán)格，大于700 μm的顆粒不允許有，而150 μm以下的顆粒必須在95%以上。這樣才能夠有效地防止柱塞和挺柱體相互卡死，造成沉降值超差。這就給清洗和裝配環(huán)境提出了高的要求。

5 金屬雜質(zhì)的形狀及來(lái)源

如果液壓挺桿中出現(xiàn)了清潔度超標(biāo)或異常情況，勢(shì)必將導(dǎo)致異響的產(chǎn)生，清潔度超標(biāo)多數(shù)是金屬雜質(zhì)導(dǎo)致。

(1)液壓挺桿的部件精度均要求較高，必須使用磨削的方式進(jìn)行加工。大多數(shù)的液壓挺桿的挺桿體、柱塞及夾套材料均為16MnCr5，材料表面硬度較高，在精磨的過(guò)程中將產(chǎn)生比使用砂輪顆粒還小的顆粒，經(jīng)過(guò)精磨的雜質(zhì)最大為450 μm的顆粒狀鐵屑。這些鐵屑更容易沉積在挺桿體的底部，這些顆粒更容易卡在間隙Ⅱ中，導(dǎo)致異響。

圖2 金屬雜質(zhì)

除了液壓挺桿自身的雜質(zhì)外，整個(gè)油道中的雜質(zhì)也是不能忽略的。

(2)缸蓋總成零件中多數(shù)是鋁合金及鐵基材料，它們?cè)谇邢骷庸み^(guò)程中產(chǎn)生不同的形狀。如從切、磨削加工分:麻花形狀卷金屬屑、“C”形金屬屑、長(zhǎng)條狀金屬屑、各種小型金屬屑、粉末狀金屬屑，見(jiàn)圖3。

麻花狀金屬屑。主要是在孔的加工過(guò)程中產(chǎn)生的，沿刀具螺旋槽排到孔外。較長(zhǎng)的鋁屑 (＞30 mm)理論上不易進(jìn)入缸蓋油道，但少量折斷的、短的卷屑隨著切削液沖入腔道，且易卡在形腔彎道處，既不容易取出，也無(wú)法保證其不運(yùn)動(dòng)。如果進(jìn)入到液壓挺桿后，更容易卡在間隙Ⅰ處。如果發(fā)現(xiàn)異響是由于此處卡死導(dǎo)致，可以將其列為重點(diǎn)分析原因之一。

“C”形金屬屑。在锪彈簧座面和缸蓋螺栓孔端面時(shí)形成，切削面較寬 (3～5 mm)，呈“C”形，主要存在于液壓挺桿孔周邊的油腔，且鋁屑一面光、一面齒，在低壓油腔區(qū)的鑄造形面內(nèi)更容易卡住，很難清理。這樣的整體鋁屑不可怕，肯定會(huì)將其阻擋在液壓挺桿之外;但如果折斷，將非?？膳?，因?yàn)樗幻婀饣菀卓ㄈ?，但另一面呈齒狀，當(dāng)卡入后不易脫出?？赡艽嬖诘奈恢靡哺啵瑤缀鯐?huì)在所有間隙中存在。

圖3 金屬切屑形狀

條狀金屬屑。在鏜液壓挺桿孔過(guò)程中產(chǎn)生，呈條狀特征。粗鏜加工余量大，產(chǎn)生的鋁屑厚、長(zhǎng)，不易進(jìn)入內(nèi)腔;精加工鋁屑細(xì)、長(zhǎng)且纏繞在一起形成團(tuán)絮狀，也不易進(jìn)入腔內(nèi)，只有部分折斷的小型鋁屑容易進(jìn)入腔內(nèi)。這樣的鋁屑容易存在間隙Ⅲ中，導(dǎo)致液壓挺桿沒(méi)有伸長(zhǎng)性，無(wú)法彌補(bǔ)氣門(mén)間隙，最終導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。

各種小型金屬屑。包括銑削產(chǎn)生的小型“C”形屑、其他折斷的鋁屑等。由于它形體小，加工過(guò)程中很容易隨切削液進(jìn)入零件內(nèi)腔。體積小的鋁屑，更加容易卡在單向閥的閥座處即間隙Ⅰ處，導(dǎo)致單向閥無(wú)法正常關(guān)閉，從而無(wú)法形成高壓腔，最終出現(xiàn)噪聲。

粉末狀金屬屑。在零件精磨削過(guò)程中產(chǎn)生的金屬粉末，由于其體積微小，加工過(guò)程中更容易進(jìn)入油道及腔體中，并在拐角處形成堆積。但獨(dú)立的粉末狀金屬屑基本上對(duì)異響沒(méi)有影響，如D區(qū)域，正常情況下不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

液壓挺桿清洗效果的好壞，與切屑的形狀有直接的關(guān)系。清洗過(guò)程中，如果不能較好地處理這些問(wèn)題，僅依靠清洗設(shè)備將很難達(dá)到目的。必要時(shí)還要設(shè)計(jì)出適合自己的機(jī)械清洗和高壓清洗設(shè)備來(lái)確保清潔度。

6 結(jié)束語(yǔ)

從上述分析可以看出，清潔度是影響液壓挺桿異響的重要因素。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注清洗過(guò)程，可以通過(guò)機(jī)械清洗、高壓清洗和超聲波清洗相結(jié)合的方法控制機(jī)械加工后的清潔度;裝配過(guò)程中注重裝配環(huán)境，不能讓金屬顆粒掉入零件和機(jī)油中，更加不能允許非金屬絮狀雜質(zhì)混入機(jī)油中纏繞到彈簧，導(dǎo)致單向閥無(wú)法關(guān)閉，從而影響沉降值。

當(dāng)然除了液壓挺桿內(nèi)部的雜質(zhì)影響異響外，缸體和缸蓋總成中的雜質(zhì)也是影響異響的重要因素之一，同樣也要清理干凈，這需要投入大量的專業(yè)清洗設(shè)備來(lái)“趕走”這些雜質(zhì)，但效果不明顯。同時(shí)在缸蓋總成設(shè)計(jì)時(shí)，要從設(shè)計(jì)角度將雜質(zhì)攔到油道外，如增加油道過(guò)濾閥。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)導(dǎo)致雜質(zhì)在油道中沉積，增加單向閥防止雜質(zhì)回流至“拐角”易堆積部位。防止雜質(zhì)在液壓挺桿內(nèi)死角堆積，就要在設(shè)計(jì)液壓挺桿時(shí)避免過(guò)多的死角。

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