某型2.0L汽車發(fā)動機(jī)交變載荷可靠性試驗研究

桂樹國 ，薛飛舞 ，謝 暴 ，趙 超 ，劉 星

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥 230011；2.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230022）

發(fā)動機(jī)是汽車的核心部分，其技術(shù)性能的好壞是決定汽車可靠性、安全性和行駛性能的關(guān)鍵因素［1-2］。發(fā)動機(jī)具有較復(fù)雜的外形和空間布置結(jié)構(gòu)，不同部件采用的材料不同。在整個生命周期內(nèi)，發(fā)動機(jī)除了承受靜載外，還會受到交變循環(huán)載荷的作用，在這樣復(fù)雜的受力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)也會不斷變化［3］。在發(fā)動機(jī)量產(chǎn)之前要對樣機(jī)進(jìn)行可靠性試驗，根據(jù)實際工況及其工作狀態(tài)，在多種載荷邊界條件下設(shè)計試驗過程，以獲取準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，客觀評價發(fā)動機(jī)的性能［4］。

曲軸、活塞是發(fā)動機(jī)最為重要的部件，其性能優(yōu)劣直接影響到發(fā)動機(jī)的可靠性和壽命。在交變載荷的作用下，曲軸容易出現(xiàn)疲勞破壞。曲軸材料的選用特別關(guān)鍵，如何既能滿足設(shè)計需要又能節(jié)約成本，是研發(fā)人員需要思索的問題。因此，準(zhǔn)確分析曲軸的動力特性、進(jìn)行強度校核以及疲勞壽命的評估就顯得極為重要［5-7］。本文通過對樣機(jī)進(jìn)行交變載荷可靠性試驗，繪制了外特性動力性變化曲線和外特性經(jīng)濟(jì)性變化曲線，同時還進(jìn)行了氣缸內(nèi)壓力測量試驗和機(jī)油消耗試驗，最后對樣機(jī)進(jìn)行了拆解鑒定和性能評定等［8-9］。

1 試驗前準(zhǔn)備

1.1 樣機(jī)總體設(shè)計指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)

1.1.1 樣機(jī)參數(shù)

型式：直列、水冷、四氣門、四沖程、自然吸氣、電噴；缸徑：85 mm；行程：88 mm；缸心距：93 mm；額定功率：95 kW；額定轉(zhuǎn)速：5 500 r/min；壓縮比：10∶1；排量：1.997 L； 點火順序：1—3—4—2；潤滑方式：壓力、飛濺復(fù)合式；曲軸材料：QT700。

1.1.2 動力性指標(biāo)

最大扭矩：172 N·m；最大扭矩點轉(zhuǎn)速：3 000～4 500 r/min；活塞平均速度：16.1 m/s；平均有效壓力：1 040 kPa；升功率：47.5 kW/L；怠速轉(zhuǎn)速：（750±30） r/min。

1.1.3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

全負(fù)荷最低燃油消耗率：270～280 g/kW·h；標(biāo)定工況下機(jī)油燃油消耗比：0.15%。

1.2 試驗臺架與條件

試驗設(shè)備：洛陽南峰機(jī)電有限公司研發(fā)的CW160-FST2C發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)。試驗燃料：93#乙醇汽油；機(jī)油：SG 15W/40；冷卻液：自來水。采用整車進(jìn)氣、排氣和冷卻系統(tǒng)。

1.3 交變載荷工況變化

交變載荷工況變化見表1。

表1 交變載荷工況變化

2 試驗內(nèi)容

2.1 外特性試驗

2.1.1 外特性特征

400 h交變載荷試驗初始和最終分別進(jìn)行外特性試驗，結(jié)果見表2和表3。

表2 初始外特性數(shù)據(jù)

表3 最終外特性數(shù)據(jù)

2.1.2 外特性動力性對比與變化曲線

400 h交變載荷試驗始、終的校正額定功率（即校正最大凈功率）分別為91.5 kW （5 500 r/min）和90.5 kW（5 500r/min），下降幅度為1.1%，未超過GB/T 19055—2003所規(guī)定的限值5%。400 h交變載荷試驗始、終的校正最大凈扭矩分別170.1 N·m（4 800 r/min）和 167.9 N·m（4 500 r/min），下降幅度為 1.3%，未超過GB/T 19055—2003所規(guī)定的限值5%。從外特性動力性曲線來看，試驗過程中發(fā)動機(jī)的校正功率和校正扭矩波動幅度均在國標(biāo)規(guī)定限值內(nèi)，這說明發(fā)動機(jī)的性能是穩(wěn)定可靠的。外特性動力性對比曲線如圖1所示。

圖2是發(fā)動機(jī)外特性動力性變化曲線。從外特性動力性變化曲線來看，試驗前、后發(fā)動機(jī)的動力性沒有明顯變化，這說明發(fā)動機(jī)的性能是穩(wěn)定可靠的。

圖1 外特性動力性對比曲線

圖2 外特性動力性變化曲線

2.1.3 外特性經(jīng)濟(jì)性對比與變化曲線

400 h交變載荷試驗始、終的全速全負(fù)荷燃油消耗率分別為316.0 g/kW·h和326.2 g/kW·h，上升幅度為3.2%；全負(fù)荷最低燃油消耗率分別為264.5 g/kW·h和275.9 g/kW·h，上升幅度為4.3%。從外特性經(jīng)濟(jì)性對比曲線來看，試驗過程中發(fā)動機(jī)燃油消耗量與燃油消耗率變化不大，波動幅度在國標(biāo)規(guī)定限值內(nèi)。外特性經(jīng)濟(jì)性對比曲線如圖3所示。

圖3 外特性經(jīng)濟(jì)性對比曲線

圖4是發(fā)動機(jī)的外特性經(jīng)濟(jì)性變化曲線。從外特性經(jīng)濟(jì)性變化曲線來看，試驗前、后發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性沒有明顯變化，這說明發(fā)動機(jī)的性能是穩(wěn)定可靠的。

圖4 外特性經(jīng)濟(jì)性變化曲線

2.1.4 試驗過程中邊界條件的變化

試驗過程中主油道壓力、排氣溫度、排氣壓力的波動曲線如圖5所示，冷卻水進(jìn)、出溫度波動曲線如圖6所示。由圖可知，試驗過程中主油道壓力、排氣溫度、排氣壓力、冷卻水進(jìn)出溫度等邊界條件無大幅度波動。

圖5 主油道壓力、排氣溫度、排氣壓力的波動曲線

圖6 進(jìn)、出水溫度波動曲線

2.2 氣缸內(nèi)壓力測量試驗

表4 氣缸內(nèi)壓力測量數(shù)據(jù)

表4是氣缸內(nèi)壓力測量數(shù)據(jù)。由表4可以看出，發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的壓力有一定的下降，但發(fā)動機(jī)的功率變化在國標(biāo)要求范圍內(nèi)。

2.3 機(jī)油消耗試驗

在進(jìn)行200 h及400 h的交變載荷試驗后進(jìn)行20 h的機(jī)油消耗試驗，測量數(shù)據(jù)見表5。通過計算得知，平均機(jī)油消耗量約為35.88 g/h，平均燃油消耗量約為28.15 kg/h，機(jī)油燃油消耗比（機(jī)燃比）約為 0.127%，符合廠標(biāo)要求的機(jī)油燃油消耗比小于0.15%的標(biāo)準(zhǔn)。拆機(jī)后沒有發(fā)現(xiàn)任何異常。

表5 機(jī)油消耗試驗數(shù)據(jù)

3 試驗故障和拆機(jī)分析

3.1 試驗過程中出現(xiàn)的故障

試驗故障描述和解決方案如表6所示。

表6 試驗故障描述和解決方案

3.2 拆機(jī)分析

拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)以下情況。（1）大頭連桿軸瓦、曲軸在第2和第5處都有明顯的劃痕，劃痕沿圓周面一周都有，判定是外來顆粒物造成的。（2）氣門處有類似鐵銹一樣的紅色斑點，這是在試驗過程中使用機(jī)油添加劑造成的；活塞還比較正常，無明顯不良現(xiàn)象，只是在活塞頭部積碳過多，有輕微過熱現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）交變載荷試驗結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)本身的動力性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的波動均在正常范圍內(nèi)，沒有明顯的波動。

（2）曲軸材料由49MVS3變?yōu)镼T700后，經(jīng)過400 h交變載荷試驗，曲軸、軸瓦有輕微的磨損，但是能滿足發(fā)動機(jī)的要求。從降低發(fā)動機(jī)制造成本角度出發(fā)，建議將曲軸材料由49MVS3變?yōu)镼T700。

（3）保證裝配過程中各部件的清潔性，避免因雜質(zhì)等異物在裝配時進(jìn)入機(jī)體，造成各部件尤其是運動副部件的不正常磨損。

［1］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：102-125.

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［8］ GB/T19055—2003，汽車發(fā)動機(jī)可靠性試驗方法［S］.

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