VCP本體漏油故障分析及其優(yōu)化

李楊，嚴麗麗，曹權(quán)佐，王劍鋒，潘圣臨

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

VCP本體漏油故障分析及其優(yōu)化

李楊，嚴麗麗，曹權(quán)佐，王劍鋒，潘圣臨

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章系統(tǒng)的簡述了VVT系統(tǒng)的概念，基本用途和基本組成結(jié)構(gòu)。并結(jié)合某款發(fā)動機VCP漏油故障進行調(diào)查，通過理論分析、故障件調(diào)查分析得出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和粉末冶金材料浸滲工藝的合理化是影響VCP漏油的兩個主要因素。并著重介紹了VCP本體漏油的原因及解決方案，通過對粉末冶金構(gòu)件原材料的升級，并在復(fù)雜結(jié)構(gòu)處進行局部滲銅處理，同時在浸滲工藝保證浸滲過程中的含水量，從根本上解決了VCP本體漏油故障。

VVT；VCP；浸滲；漏油

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.017

CLC NO.:U472.9 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-49-03

引言

近十幾年來，基于提高汽車發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和降低排污的要求，許多國家和發(fā)動機廠商、科研機構(gòu)投入了大量的人力、物力進行新技術(shù)的研究與開發(fā)。目前，這些新技術(shù)和新方法，有的已在內(nèi)燃機上得到應(yīng)用，有些正處于發(fā)展和完善階段，有可能成為未來內(nèi)燃機技術(shù)的發(fā)展方向。

發(fā)動機可變配氣正時技術(shù)(VVT，Variable Valve Timing)是近些年來被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的新技術(shù)中的一種，發(fā)動機采用可變配氣正時技術(shù)可以提高進氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高[1]。

應(yīng)用發(fā)動機可變配氣正時技術(shù)可以減少NOX和HC的排放、改善燃油經(jīng)濟性、改善怠速穩(wěn)定性、提高低速端扭矩、增加高速端功率[2]。發(fā)動機在運行過程中，ECU接收轉(zhuǎn)速、空氣流量、凸輪軸位置等信號，經(jīng)過處理輸出PWM電信號作用于OCV閥，從而改變相位器雙向油腔間的壓力來調(diào)節(jié)凸輪相位，從而得到最優(yōu)的配氣相位[3]。

VCP(凸輪軸相位調(diào)節(jié)器)便是VVT系統(tǒng)的是執(zhí)行機構(gòu)，凸輪軸與相位調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子固定連接，曲軸傳動帶與相位調(diào)節(jié)器的殼體固定連接，通過油壓的作用實現(xiàn)相位調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子與殼體的相對運動，從而達到凸輪軸與曲軸相對位置的變化，進而實現(xiàn)凸輪軸的相位調(diào)節(jié)[4]。VCP(凸輪軸相位調(diào)節(jié)器)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 凸輪相位器調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

1、VVT應(yīng)用介紹

VVT目前已成為新發(fā)動機開發(fā)的標準配置，東安汽發(fā)公司已在多個機型上應(yīng)用了VVT技術(shù)。一款發(fā)動機批量應(yīng)用了帶傳動，對進氣相位進行獨立調(diào)節(jié)VVT，此VVT可調(diào)節(jié)角度為40° CA，此VVT的主要作用是提高功率、扭矩和降低排放。另一款發(fā)動機批量應(yīng)用了帶傳動進排氣相位同時調(diào)節(jié)VVT，此VVT可調(diào)節(jié)角度為50°CA，此VVT的主要作用是降低油耗和排放。

2、VVT典型故障

在VVT的實際批量應(yīng)用過程中，其最主要的故障模式有VVT響應(yīng)較慢、VCP皮帶輪漏油，VCP冷啟動異響等。下面就VCP漏油故障進行詳細說明。

2.1 VCP漏油故障現(xiàn)象描述及影響

VCP漏油故障是VCP在工作或靜止時，VCP內(nèi)部機油從本體滲出或流出，通過VCP旋轉(zhuǎn)，會使?jié)B漏機油甩到前罩殼或正時皮帶上。機油從VVT正時齒輪本體滲出，可能會導(dǎo)致正時皮帶打滑，會引起發(fā)動機正時紊亂或發(fā)動機頂缸報廢。更嚴重的，當汽車在公路上行駛時出現(xiàn)皮帶輪打滑現(xiàn)象，甚至?xí)斐绍嚉送龅氖鹿省?/p>

2.2 VCP漏油故障原因分析

為降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競爭力，對VCP的主體部分采用粉末冶金材料，粉末冶金材料成型過程中存在縫隙，需采用浸滲工藝對其密封，若浸滲過程中控制不嚴，會使VCP密封不嚴，導(dǎo)致漏油，同時，VCP連接處由異型密封圈進行密封，在高油壓、高溫的使用環(huán)境下，合理的密封設(shè)計顯得尤為重要。綜上，VCP主要漏油形式為異型密封圈密封不嚴導(dǎo)致漏油和VCP粉末冶金浸滲工藝不良導(dǎo)致漏油。

2.3 VCP漏油故障調(diào)查

VCP漏油故障是由于本體材料密封不嚴或是由于零部件結(jié)合過程中密封不嚴導(dǎo)致的。其中，粉末冶金密封不嚴是導(dǎo)致VCP漏油的主要原因，下面，我們就VCP本體漏油進行分析。

2.3.1 失效起因

通過圖2所示，VCP本體漏油主要有以下兩個方面：（1）通過圖1可知，VCP的粉末冶金構(gòu)件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在蓋板臺階位置和帶輪的輪齒部位易產(chǎn)生較大的孔隙。

（2）浸滲過程中，由于缺少除濕和除雜質(zhì)的設(shè)備，并且膠液的含水量不受控，當膠液含水量較大時，導(dǎo)致膠液的結(jié)合強度下降，與大孔隙復(fù)合作用，從而導(dǎo)致部分VCP存在浸滲不良問題，進而導(dǎo)致VCP在使用過程中滲漏。

圖2 VCP本體漏油與非門

2.3.2 失效機理分析

（1）浸滲樹脂中含水率對密封性的影響機理

浸滲液中主要組分甲基丙烯酸酯中含水率如超標，浸滲過程中水隨樹脂一起進入粉末冶金的微孔中，樹脂固化后，水分會分布在固化物與機體接觸的邊緣上，導(dǎo)致樹脂與固化物與機體的粘接力下降，使邊界粘接不牢固。

（2）基體大孔隙對密封性的影響機理

因樹脂屬丙烯酸酯類橡膠材料、基體為鐵基材料，兩種材料的線膨脹率相差較大，在溫差較大的環(huán)境下，粘接的邊界會受到較大的拉壓應(yīng)力。基體中如有較大的孔隙，浸滲后，孔隙中固化的樹脂顆粒尺寸也就較大，故大孔隙中固化的樹脂受到的拉壓應(yīng)力比小孔隙大，特別是在低溫時，橡膠收縮變硬，彈性降低，粘接的邊界更容易產(chǎn)生脫離失效。在相同壓力的作用下，大孔隙因直徑和面積大，受到的力會增大，固化在其中的樹脂的變形量會更大些，在交變壓力作用下，樹脂反復(fù)伸縮的量也會變大，如邊界粘接不牢固，就會產(chǎn)生脫離失效。

2.3.3 失效機理驗證

（1）不同浸滲樹脂固化后，不同溫度下的粘接性能試驗

將早期含水率較高的浸滲樹脂和當前使用的含水率較低的浸滲樹脂固化在蓋板上的孔內(nèi)，在不同溫度下放置恒溫后，測試壓出力，試驗用于評估浸滲樹脂固化后的性能，測試原理如圖3所示，測試數(shù)據(jù)如表1所示。通過結(jié)果表明，隨著溫度的降低，粘接性能降低。

圖3 樹脂固化測試簡圖

表1 性能試驗對比

（2）不同含水率浸滲樹脂固化后粘接強度評估

根據(jù)上述所使用的試驗方法，在現(xiàn)用浸滲樹脂中人為加入不同比例的水分，固化后測試高溫（120℃）和低溫（-5℃）下的壓出力，獲得以下數(shù)據(jù)及趨勢圖。試驗數(shù)據(jù)表明：膠固化后在低溫下的粘接強度低于高溫，隨含水率的升高，膠的粘接強度降低。

圖4 含水量與壓出力對比

表2 溫度與含水量對粘度的影響

（3）粉末冶金基體材料及固化樹脂材料線脹系數(shù)驗證

實驗使用皮帶輪，在常溫25℃下，精密測量皮帶輪厚度值，然后將皮帶輪放入高溫箱加熱到140℃，保溫1小時后取出，快速測量其同一位置的厚度尺寸，得出其變化量，然后根據(jù)基本尺寸和溫差計算得出線膨脹率，如表3所示。

表3 材料線脹率測試數(shù)據(jù)

據(jù)表3數(shù)據(jù)簡單推算：在0.2mm直徑孔中固化的橡膠，如果固化溫度（約100℃）下膠與孔隙直徑相同，如果溫度降低到-40℃，孔與橡膠的尺寸差為：1.46～1.92μm，這個差異需要膠與基體的粘接力將膠拉變形來彌補，如果膠與基體的粘結(jié)力不好，就會出現(xiàn)邊界脫落，進一步會導(dǎo)致滲漏。

3、方案優(yōu)化及確定

根據(jù)VCP漏油故障調(diào)查， VCP本體漏油是由于浸滲工藝中含水量過大和浸滲后空隙過大導(dǎo)致，針對這兩個問題點，進行優(yōu)化處理。

3.1 浸滲工藝含水量控制

（1）工藝改進

圖5 浸滲工藝改進

浸滲工藝流程中延長了濕真空保持時間，增加了回膠時的雜質(zhì)過濾及儲液罐干燥劑除濕，整改前后流程對比如圖5所示。

（2）效果驗證

在改進后的工藝條件下，供應(yīng)商每隔3天左右，從浸滲罐中抽取的樹脂樣本，進行含水率檢測，相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)律如表4所示。數(shù)據(jù)證明：新工藝過程中膠的含水量在0.85%-0.90%，接近新膠液實測含水率0.85%（技術(shù)要求小于1%），對策有效。

表4 新工藝含水量測量

3.2 浸滲空隙的控制

浸滲過程中，浸滲間隙過大是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和粉末顆粒大小導(dǎo)致的，通過將國產(chǎn)粉改為進口粉，并在復(fù)雜結(jié)構(gòu)處進行局部滲銅處理，粉末治金在孔隙情況得到明顯的改善。

如圖6、圖7對比，改為進口粉后，浸滲工藝成型后，空隙均勻，無大孔洞。并經(jīng)過滲銅處理后，如圖8所示，可以將浸滲后空隙進行二次密封，達到復(fù)雜部位密封的目的。

圖6 改善前

圖7 改善后

圖8 滲銅處理

4、總結(jié)

VCP漏油故障是由于本體材料密封不嚴或是由于零部件結(jié)合過程中密封不嚴導(dǎo)致的。本文主要針對VCP本體漏油進行分析。

VCP本體漏油是由于當粉末冶金構(gòu)件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時易產(chǎn)生較大的孔隙。并且在浸滲過程中，當膠液含水量較大時，會導(dǎo)致膠液的結(jié)合強度下降，與大孔隙復(fù)合作用，從面導(dǎo)致部分VCP存在浸滲不良問題，進而導(dǎo)致VCP在使用過程中滲漏。

通過對粉末冶金構(gòu)件原材料的升級，并在復(fù)雜結(jié)構(gòu)處進行局部滲銅處理，同時在浸滲工藝流程中延長了濕真空保持時間，增加了回膠時的雜質(zhì)過濾及儲液罐干燥劑除濕，保證浸滲過程中的含水量，從根本上解決了VCP漏油故障。

[1] 蘇巖,李理光燈.可變配氣相位對汽油機性能的影響[J]. 汽車技術(shù),2001(4).

[2] 屠衛(wèi)星. 可變氣門正時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與維修[M]. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2008.

[3] 王立彪.汽油機可變氣門技術(shù)的研究進展[J]. 汽車技術(shù)，2005（12）.

[4] 邵顯龍. 可變配氣機構(gòu)的種類、構(gòu)造和未來動向[J]. 汽車研究與開發(fā),2000（4）.

VCP body leakage fault analysis and optimization

Li Yang,Yan Lili, Cao Quanzuo, Wang Jianfeng, Pan Shenglin
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

This paper systemic narrates the concept of VVT system, the basic purpose and basic structures. Combined with a section of the engine failure VCP spill investigation by theoretical analysis, failure investigation and analysis pieces come rationalization reasonable structural design and materials impregnated powder metallurgy process are two main factors affecting oil spills VCP. And highlights the VCP body leakage causes and solutions, by means of powder metallurgy materials upgrades and local infiltration of copper processing complex structures at the same time, the water content in the impregnation process to ensure impregnation process, fundamentally solution to the VCP body leakage fault.

VVT; VCP; infiltration; oil spills

U472.9

B

1671-7988(2016)01-49-03

李楊，助理工程師，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心。學(xué)歷研究生、研究方向零部件設(shè)計。