柴油發(fā)動(dòng)機(jī)無襯套搖臂開發(fā)

閆峰 趙天安 崔曉娟 李文祥 侯福建

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)無襯套搖臂開發(fā)

閆峰 趙天安 崔曉娟 李文祥 侯福建

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

針對某柴油機(jī)工作中頻繁出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能下降、冷起動(dòng)冒藍(lán)白煙問題進(jìn)行分析，確定故障主要原因是排氣搖臂襯套過度磨損。進(jìn)一步分析確認(rèn)，該柴油機(jī)采用的搖臂集成式發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作模式是襯套過度磨損的主要因素。采用對比磨損試驗(yàn)和有限元分析方法對現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，其措施包括排氣搖臂無襯套設(shè)計(jì)、排氣搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。臺(tái)架對比試驗(yàn)及道路試驗(yàn)驗(yàn)證表明，改進(jìn)方案效果明顯，該柴油機(jī)可滿足用戶使用要求。

1 問題

針對某柴油機(jī)在工作中頻繁出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能下降、冷起動(dòng)冒藍(lán)白煙問題展開調(diào)查。對不同車型故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得，牽引車故障多發(fā)生在（5～10）×104km，而自卸車故障絕大多數(shù)在5×104km以內(nèi)，且2×104km以內(nèi)占據(jù)50%。因自卸車多運(yùn)行在礦區(qū)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)使用頻次明顯高于運(yùn)行在公路上的牽引車。

2 原因分析

對發(fā)生故障的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)組件進(jìn)行拆檢分析，發(fā)現(xiàn)排氣搖臂襯套磨損量均在0.25 mm以上，超過使用極限，襯套中間的潤滑油孔部位甚至磨出明顯凸起，表明襯套已過度磨損。而且襯套偏磨嚴(yán)重，如圖1所示。其它零件無異常。

2.1 對比試驗(yàn)

該柴油機(jī)為6缸機(jī)，采用壓縮釋放式發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)方案，并通過排氣搖臂集成實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)原理示意如圖2所示。該機(jī)前3缸和后3缸分別由獨(dú)立的電磁閥控制，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作時(shí)電磁閥打開，搖臂軸內(nèi)的潤滑油從潤滑油道經(jīng)電磁閥進(jìn)入制動(dòng)油道，打開排氣搖臂內(nèi)的單向閥后進(jìn)入制動(dòng)油腔，并在受力后形成高壓，使靠近排氣搖臂的排氣門擁有制動(dòng)升程，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功能；解除發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)電磁閥關(guān)閉，制動(dòng)油道被阻斷，排氣門制動(dòng)升程失去作用，制動(dòng)功能停止。

試驗(yàn)時(shí)，前3缸采用失效零件，后3缸采用新零件，對排氣門升程、搖臂軸的制動(dòng)油道和潤滑油道油壓進(jìn)行測量。為提高試驗(yàn)效率，測量排氣門升程時(shí)，前3缸僅選取第1缸，后3缸僅選取第6缸。試驗(yàn)分3種工況進(jìn)行測試，如表1所列。

表1 試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

工況1試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可知，第1缸排氣門制動(dòng)升程過小，第6缸排氣門制動(dòng)升程正常。由圖4可知，前3缸制動(dòng)油道壓力較低，存在潤滑油泄漏問題，后3缸制動(dòng)油道壓力正常。這說明排氣搖臂襯套過度磨損后，制動(dòng)油道的潤滑油從排氣搖臂襯套與搖臂軸的間隙中大量泄漏，排氣搖臂內(nèi)的制動(dòng)油腔供油壓力降低，供油不足，無法形成完整的高壓油腔，使制動(dòng)升程大幅衰減，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能下降。

工況2試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，第1缸排氣門異常開啟，第6缸排氣門升程正常。由圖6可知，前3缸制動(dòng)油道存在一定壓力，且超過了排氣搖臂制動(dòng)油腔單向閥開啟壓力0.05 MPa，而后3缸制動(dòng)油道壓力正常為0。這說明搖臂襯套過度磨損后，在低油溫狀態(tài)下，由于潤滑油粘度大等原因，潤滑油道壓力較高，潤滑油從潤滑油道經(jīng)排氣搖臂襯套與搖臂軸的間隙進(jìn)入制動(dòng)油道，打開單向閥后竄入到排氣搖臂內(nèi)的制動(dòng)油腔中，形成一定程度的高壓，使排氣門異常開啟，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒異常，冒藍(lán)白煙。

工況3試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7可知，兩缸排氣門升程正常。由圖8可知，前3缸制動(dòng)油道存在較小壓力，有壓力潤滑油進(jìn)入制動(dòng)油道，但該壓力不足以打開排氣搖臂內(nèi)的單向閥，排氣搖臂內(nèi)制動(dòng)油腔無潤滑油竄入，后3缸制動(dòng)油道壓力正常為0。這說明隨著潤滑油溫度升高，潤滑油粘度下降，油壓也隨之降低，排氣門不存在異常開啟，發(fā)動(dòng)機(jī)冒藍(lán)白煙問題消失。

2.3 襯套過度磨損原因分析

氣門搖臂工作時(shí)做往復(fù)搖擺運(yùn)動(dòng)，由于不具備壓力油膜形成條件，其與搖臂軸摩擦副不能形成壓力油膜。此處潤滑靠潤滑油道提供潤滑油，在襯套與搖臂軸之間形成邊界油膜，摩擦狀態(tài)屬于邊界摩擦。有氣門升程時(shí)，襯套受力較大，將潤滑油從襯套與搖臂軸的間隙中擠出；無氣門升程時(shí)，襯套不受力，潤滑油可進(jìn)行適量補(bǔ)充。

該機(jī)因采用搖臂集成式發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)方案，搖臂軸受力情況與傳統(tǒng)形式有很大不同。應(yīng)用Excite Tim?ing Drive軟件對搖臂軸進(jìn)行受力計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。可知，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作時(shí)，襯套與搖臂軸約80%工作周期都受力，而發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)不工作時(shí)，襯套與搖臂軸僅有37%工作周期受力。而制動(dòng)工作時(shí)，難以對摩擦副進(jìn)行潤滑油補(bǔ)充，導(dǎo)致邊界摩擦狀況更加惡化。因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作模式是襯套過度磨損的主要不利因素。

應(yīng)用Abaqus軟件對發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)組件進(jìn)行有限元分析，找出襯套偏磨原因。

襯套接觸應(yīng)力分析如圖10所示?？芍r套一側(cè)邊緣位置所受應(yīng)力達(dá)到103 MPa，達(dá)到該材料的承載極限臨界，這與實(shí)際襯套偏磨問題吻合；中間潤滑油孔邊緣存在應(yīng)力集中問題，該位置在交變應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，表現(xiàn)為襯套劃傷，這與潤滑油孔中間位置磨出凸起情況吻合。此外，出油口布置在承壓區(qū)（圖11），會(huì)造成油膜壓力降低，破壞軸承承載能力，同時(shí)引起供油不足，說明出油口位置不合理。

搖臂受力分析如圖12所示?？芍?，排氣搖臂應(yīng)力偏向一側(cè)，說明搖臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，是襯套偏磨的主要原因。

3 改進(jìn)方案

改進(jìn)方案是重點(diǎn)解決襯套過度磨損問題，同時(shí)對排氣搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高可靠性。

3.1 無襯套方案

搖臂集成式發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂軸與襯套摩擦副處于更加接近干摩擦的邊界摩擦狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作時(shí)間越長，這種狀況越惡劣，所以需要采用耐磨性更強(qiáng)的摩擦副方案。

原方案搖臂軸采用45鋼淬火，襯套合金層采用CuPb10Sn10材料。原方案搖臂軸不存在異常磨損，且無設(shè)計(jì)方面問題，所以改進(jìn)方案沿用原方案搖臂軸，改進(jìn)重點(diǎn)是提高襯套的耐磨性。主要措施是提高摩擦副的硬度。原方案采用銅合金襯套，其表面硬度只有60～90HB，國內(nèi)成熟應(yīng)用的銅襯套材料中最好的CuNi9Sn6硬度也僅有100～140HB，在此故障出現(xiàn)初期曾經(jīng)采用，雖然延長了失效出現(xiàn)的里程數(shù)，但仍不能滿足與發(fā)動(dòng)機(jī)等壽命的使用要求。因此，解決發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工況下的搖臂襯套磨損問題考慮采用先進(jìn)的無襯套搖臂技術(shù)，通過將排氣搖臂內(nèi)孔進(jìn)行氮化處理，得到較高表面硬度，同時(shí)考慮無襯套方案可能會(huì)出現(xiàn)的咬合問題，把搖臂軸配合表面、搖臂內(nèi)孔的粗糙度和圓柱度公差等級適當(dāng)提高，并選擇合適的軸孔配合間隙。

改進(jìn)方案實(shí)施后，先進(jìn)行專項(xiàng)磨損對比試驗(yàn)，試驗(yàn)示意如圖13所示，磨損率試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 磨損率試驗(yàn)結(jié)果 10-6mm3/min

試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)方案的耐磨性與原方案相比明顯提高。

3.2 排氣搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原方案排氣搖臂存在兩個(gè)問題，一個(gè)是潤滑油孔位置不合理，另一個(gè)是搖臂應(yīng)力不均勻。

改進(jìn)方案采用油槽潤滑，即在搖臂孔內(nèi)側(cè)增加油槽，如圖14所示。一方面，潤滑油槽可以保證潤滑油在整個(gè)承壓區(qū)布置，增強(qiáng)潤滑能力；另一方面，對于惡劣工況導(dǎo)致的機(jī)油雜質(zhì)增多情況，油槽還可以起到儲(chǔ)存作用，避免硬質(zhì)雜質(zhì)劃傷摩擦副。此外，對搖臂內(nèi)孔適當(dāng)加寬，以保證足夠的承載面積。

改進(jìn)方案還對排氣搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過增強(qiáng)受力側(cè)結(jié)構(gòu)剛度，使搖臂受力更加均勻，避免摩擦副偏磨風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)有限元計(jì)算，改進(jìn)效果明顯，對比如圖15所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將改進(jìn)方案與原方案搭載于同一發(fā)動(dòng)機(jī)上，前3缸用原方案，后3缸用改進(jìn)方案，進(jìn)行2000 h臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

表3 臺(tái)架可靠性試驗(yàn)結(jié)果 mm

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)方案搖臂軸與搖臂平均磨損量分別為0.005 mm和0.002 mm，磨損狀況良好，而原方案搖臂軸與襯套平均磨損量分別為0.003 mm和0.134 mm，襯套呈現(xiàn)過度磨損狀態(tài)。

對改進(jìn)方案產(chǎn)品進(jìn)行道路試驗(yàn)及小批量用戶試驗(yàn)，均未出現(xiàn)任何問題，現(xiàn)已貫徹生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

該發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)失效、冷起動(dòng)冒藍(lán)白煙故障主要原因是排氣搖臂襯套過度磨損，而搖臂集成式發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的工作模式是排氣搖臂襯套過度磨損的主要不利因素。通過對比試驗(yàn)及有限元分析，確定采用排氣搖臂無襯套設(shè)計(jì)及優(yōu)化排氣搖臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等改進(jìn)措施。改進(jìn)后產(chǎn)品通過了臺(tái)架及道路可靠性試驗(yàn)，現(xiàn)已貫徹生產(chǎn)。

1 劉洪碩，朱亞娜，劉建明，等.柴油機(jī)冒藍(lán)白煙研究綜述.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1993,20（5），74～78.

2 華道生.柴油機(jī)排氣竄油冒藍(lán)煙的原因分析.柴油機(jī)，2003（3），52～55.

3 單輝祖.材料力學(xué)（第1版）.北京：高等教育出版社，1999，25～27.

4《汽車工程手冊》編輯委員會(huì).汽車工程手冊（設(shè)計(jì)篇）.北京：人民交通出版社，2001，159～167.

5 張寶義，黃愛華.內(nèi)燃機(jī)軸瓦損壞的形式特征、原因與預(yù)防（1）.汽車技術(shù)，2004（3），28～32.

6 張寶義，黃愛華.內(nèi)燃機(jī)軸瓦損壞的形式特征、原因與預(yù)防（2）.汽車技術(shù)，2004（4），24～28.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

Development of Bushing-free Rocker Arm for Diesel Engine

Yan Feng,Zhao Tianan,Cui Xiaojuan,Li Wenxiang,Hou Fujian
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

This paper analyzes the cause of performance degradation of engine braking with blue and white smoke emitting during cold start of a diesel engine during use,it is found that root cause of this failure is the excessive wear of the exhaust rocker arm bushing.Further analysis confirms that the type of rocker arm integrated engine braking is the main factor of excessive wear of the bushing.The existing design of the bushing is improved by comparative wear test and finite element analysis,with measures like bushing-free design of exhaust rocker arm,optimized design of exhaust rocker arm structure.Rig test and road test verify that the modification achieves obvious effect,satisfying the requirement of the user.

Diesel engine,Engine brake,Rocker arm bushing,Wear

柴油機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng) 搖臂襯套 磨損

U464

A

1000-3703（2015）04-0006-04