氣門(mén)間隙測(cè)量值異常的原因分析及對(duì)策

琚裕強(qiáng)，鐘宛余

(上汽通五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007)

氣門(mén)間隙測(cè)量值異常的原因分析及對(duì)策

琚裕強(qiáng)，鐘宛余

(上汽通五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007)

為查找發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)間隙測(cè)量批量出現(xiàn)測(cè)量偏大或偏小的異常原因，對(duì)缸蓋測(cè)量站和凸輪軸測(cè)量站傳感器、傳感器測(cè)量位置、挺柱級(jí)別計(jì)算方法、PLC測(cè)量邏輯步驟等進(jìn)行檢查。結(jié)果表明：挺柱級(jí)別計(jì)算算法、傳感器、傳感器測(cè)量位置、PLC邏輯等存在缺陷是造成測(cè)量異常的主要原因。通過(guò)修改計(jì)算方法、更換傳感器并調(diào)整位置、優(yōu)化測(cè)量邏輯程序，使氣門(mén)間隙測(cè)量值的合格率穩(wěn)定在97%。

氣門(mén)間隙；傳感器；計(jì)算方法；位置；邏輯

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)氣門(mén)間隙，是為保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷熱態(tài)狀況下配氣機(jī)構(gòu)正常工作而設(shè)置的。氣門(mén)間隙偏小時(shí)，會(huì)使氣門(mén)機(jī)構(gòu)早開(kāi)晚閉，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高后，零件受膨脹自然伸長(zhǎng)而自動(dòng)頂開(kāi)氣門(mén)，使氣門(mén)與氣門(mén)座關(guān)閉不嚴(yán)而引起漏氣，從而造成汽缸內(nèi)壓縮壓力下降并引發(fā)化油器回火，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因燃燒不完全使氣門(mén)大量積炭，并在強(qiáng)大的廢氣流的沖刷下，最終形成氣門(mén)桿盤(pán)部燒蝕；若氣門(mén)間隙過(guò)大，氣門(mén)機(jī)構(gòu)將遲開(kāi)早閉，不但使氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間縮短，還會(huì)造成進(jìn)氣不足、排氣不暢并發(fā)出氣門(mén)敲擊異聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞，造成氣門(mén)件的裂紋甚至斷裂[1-5]。所以合格的氣門(mén)間隙，對(duì)在熱態(tài)高負(fù)荷工作下，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、排放性能、可靠性能起至關(guān)重要的作用。

本研究解決的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)間隙測(cè)量異常問(wèn)題，主要是在測(cè)量算法不完善、測(cè)量設(shè)備及測(cè)量傳感器嚴(yán)重老化的情況下，展開(kāi)對(duì)新工件測(cè)量、選配氣門(mén)挺柱的級(jí)別批量偏大或偏小的一個(gè)問(wèn)題攻關(guān)，這個(gè)問(wèn)題造成了發(fā)動(dòng)機(jī)的大量返修和生產(chǎn)線的堵線，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率造成重大影響。

1 氣門(mén)間隙測(cè)量異常原因分析

1.1氣門(mén)間隙測(cè)量原理

發(fā)動(dòng)機(jī)均采用的是雙頂置式凸輪軸，V型氣門(mén)配置，每個(gè)氣門(mén)頂桿對(duì)應(yīng)一個(gè)凸輪軸桃形結(jié)構(gòu)，實(shí)際由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋凸輪軸軸承孔加工誤差，及凸輪軸本身誤差，造成氣門(mén)挺桿與凸輪軸桃形結(jié)構(gòu)存在一定大小的間隙，一般為幾百微米左右。測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 氣門(mén)間隙測(cè)量數(shù)學(xué)模型Fig.1 Mathematical model of valve clearance measurement

氣門(mén)間隙Gap=A1+A2-B1-T+Ec+KE。其中：A1為凸輪軸軸孔直徑；A2為凸輪軸軸孔底部數(shù)值+氣門(mén)桿頂部距離數(shù)值H；B1為凸輪軸軸孔頂部數(shù)值+凸輪軸基圓的1/2；T位所選挺柱厚度(待求值)；Ec為凸輪軸軸孔數(shù)值-凸輪軸軸頸數(shù)值；KE為系統(tǒng)補(bǔ)償值；Gap為進(jìn)排氣測(cè)氣門(mén)間隙標(biāo)準(zhǔn)值。所需數(shù)據(jù)中：凸輪軸軸孔數(shù)值和氣門(mén)桿頂部距離數(shù)值H由缸蓋測(cè)量站測(cè)得，凸輪軸基圓和凸輪軸軸頸數(shù)值由凸輪軸測(cè)臺(tái)測(cè)得。

1.2氣門(mén)間隙測(cè)量異常原因分析

此工位之前凸輪軸測(cè)臺(tái)測(cè)量故障比較多、測(cè)量合格率低，經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)量算法分析和測(cè)量工件的統(tǒng)計(jì)，取消了凸輪軸動(dòng)態(tài)測(cè)量功能，對(duì)凸輪軸主軸頸和基圓等測(cè)量值，在測(cè)量公式中寫(xiě)定值參與工件的測(cè)量，計(jì)算相應(yīng)挺柱級(jí)別，這主要是基于凸輪軸工件加工尺寸在±2 μm之內(nèi)[6-8]，穩(wěn)定性比較好的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)賦定值測(cè)量合格率達(dá)到98%以上。

目前幾家凸輪軸供應(yīng)商加工尺寸差異比較大，采用賦定值測(cè)量算法，造成氣門(mén)間隙測(cè)量差異比較大，不同廠家的凸輪軸混合測(cè)量合格率只有30%～40%。為了提高氣門(mén)間隙測(cè)量合格率，啟用凸輪軸測(cè)臺(tái)動(dòng)態(tài)測(cè)量是非常重要的，但是啟用凸輪軸測(cè)臺(tái)動(dòng)態(tài)測(cè)量之后，復(fù)檢合格率只有40%左右。

從人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面分析氣門(mén)間隙測(cè)量異常原因[9-10]如下所述：

1)機(jī)械設(shè)備問(wèn)題。

缸蓋測(cè)量站所有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型缸蓋凸輪軸孔直徑和孔距都一樣，所以不存在機(jī)型切換引起的測(cè)量位置偏移和機(jī)械夾具位置動(dòng)作不到位問(wèn)題。

凸輪軸測(cè)量站有Master、MCE、N12、B12型號(hào)的凸輪軸，主要是軸長(zhǎng)度、軸油孔有無(wú)不同(表1)，所以在生產(chǎn)相關(guān)機(jī)型時(shí)，凸輪軸測(cè)量臺(tái)夾緊頂尖必須變距才能實(shí)現(xiàn)不同凸輪軸的測(cè)量能力，設(shè)備改造供應(yīng)商在做MCE改造時(shí)，由于忽略除MCE機(jī)型以外其他機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)，沒(méi)有設(shè)置其他機(jī)型凸輪軸的測(cè)量夾具位置，所以在生產(chǎn)非MCE機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，氣門(mén)間隙測(cè)量功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

表1 油孔對(duì)比和凸輪軸長(zhǎng)短對(duì)比Table 1 Comparison of oil hole and camshaft length

測(cè)量傳感器損壞老化和輸出值線性差(表2)，由于凸輪軸測(cè)量站傳感器長(zhǎng)期使用賦定值測(cè)量，缺少維護(hù)和保養(yǎng)，傳感器的測(cè)量值誤差比較大或者已經(jīng)損壞，所以測(cè)量傳感器測(cè)量誤差大也是氣門(mén)間隙測(cè)量結(jié)果異常的主要原因。

2)凸輪軸物料問(wèn)題。

MCE、N12機(jī)型凸輪軸供應(yīng)商為A廠家和B廠家，兩家生產(chǎn)的凸輪軸加工尺寸誤差差異比較大，如果使用賦值測(cè)量算法，無(wú)法滿足氣門(mén)間隙合格率要求。

圖2所示的A廠家凸輪軸加工尺寸誤差穩(wěn)定，精度控制在±3 μm之內(nèi)，這種加工尺寸可以用賦值法測(cè)量，也可以用動(dòng)態(tài)測(cè)量，氣門(mén)間隙合格率可達(dá)到97%～98%。

表2 測(cè)量傳感器標(biāo)準(zhǔn)塞尺測(cè)量值差異對(duì)比Table 2 Comparison of measurement value of sensors μm

圖2 A廠家凸輪軸加工尺寸跳動(dòng)Fig.2 Machining dimension beating of camshaft of manufacturer A

圖3所示的B廠家凸輪軸加工尺寸誤差穩(wěn)定性比較差，精度控制在±20 μm之內(nèi)，這種加工尺寸誤差用賦值法測(cè)量或用動(dòng)態(tài)測(cè)量，氣門(mén)間隙合格率可達(dá)到50%～60%左右。

圖3 B廠家凸輪軸加工尺寸跳動(dòng)Fig.3 Machining dimension beating of camshaft of manufacturer B

3)設(shè)備測(cè)量算法和PLC邏輯程序問(wèn)題。

通過(guò)測(cè)量軟件On line前臺(tái)氣門(mén)間隙計(jì)算公式中T傳感器的調(diào)用和測(cè)量軟件On line后臺(tái)調(diào)用程序中對(duì)T傳感器的調(diào)用(表3)分析可知，正確的氣門(mén)間隙的結(jié)果與測(cè)量凸輪軸首尾主軸徑測(cè)量傳感器數(shù)值有關(guān)聯(lián)，公式問(wèn)題處理前T測(cè)量傳感器的測(cè)量值在測(cè)量軟件On line后臺(tái)算法中沒(méi)有調(diào)用，這就是在測(cè)量設(shè)備啟用動(dòng)態(tài)測(cè)量后，挺柱級(jí)別測(cè)量合格率[12]低的主要原因之一。

2 對(duì)策及措施驗(yàn)證

針對(duì)機(jī)械設(shè)備問(wèn)題：

1)重新設(shè)計(jì)凸輪軸測(cè)臺(tái)測(cè)量傳感器支架，傳感器固定孔全部左移1 mm，以避開(kāi)凸輪軸油孔位置。油孔干涉問(wèn)題傳感器支架設(shè)計(jì)圖紙如圖4所示。

經(jīng)過(guò)以上改造徹底解決因凸輪軸油孔與傳感器導(dǎo)向桿干涉問(wèn)題，同時(shí)也適應(yīng)無(wú)油孔凸輪軸的測(cè)量。通過(guò)生產(chǎn)線近半年多生產(chǎn)驗(yàn)證，沒(méi)有出現(xiàn)因油孔與傳感器干涉損壞傳感器的故障。

表3 軟件算法公式分析Table 3 Analysis of software algorithm formula

圖4 凸輪軸測(cè)量傳感器支架設(shè)計(jì)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of design diagrams of camshaft sensor bracket

2)不同機(jī)型凸輪軸測(cè)量無(wú)法測(cè)量問(wèn)題，通過(guò)增加變距氣缸、相應(yīng)的PLC邏輯程序、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了不同機(jī)型凸輪軸的測(cè)量，測(cè)量類(lèi)型與測(cè)量動(dòng)作見(jiàn)表4。

通過(guò)上述機(jī)型凸輪軸夾緊動(dòng)作變距，解決了因凸輪軸測(cè)量臺(tái)無(wú)法滿足相關(guān)機(jī)型凸輪軸的測(cè)量工作，同進(jìn)也消除了凸輪軸測(cè)量位置與傳感器位置不同，撞壞傳感器的風(fēng)險(xiǎn)。

3)傳感器老化和輸出值線性度變差問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整測(cè)量傳感器的輸出等比值和更換新的傳感器，有效解決因傳感器本身性能差，引起的氣門(mén)間隙測(cè)量不合格問(wèn)題。

等比值=

通過(guò)式(1)和更換嚴(yán)重老化傳感器，有效解決了因傳感器老化和輸出值線性度變差問(wèn)題，使傳感器測(cè)量輸出值準(zhǔn)確率達(dá)98.5%。

表4 凸輪軸類(lèi)型與氣缸動(dòng)作Table 4 Camshaft type and cylinder action

針對(duì)測(cè)量算法問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量算法后臺(tái)增加測(cè)量公式與相關(guān)傳感器T關(guān)聯(lián)，使傳感器測(cè)量值參與到計(jì)算公式中，得到有效的氣門(mén)間隙測(cè)量結(jié)果(如表5凸輪軸直徑計(jì)算公式)。

表5 測(cè)量計(jì)算公式與測(cè)量傳感器關(guān)聯(lián)Table 5 Calculation formula related to sensor

通過(guò)以上對(duì)策和改進(jìn)，氣門(mén)間隙測(cè)量值合格率穩(wěn)定在97%以上，有效解決了因氣門(mén)間隙測(cè)量不合格影響發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)出問(wèn)題。

3 結(jié)論

1)氣門(mén)間隙測(cè)量值異常主要是由挺柱級(jí)別計(jì)算算法、傳感器、傳感器測(cè)量位置、PLC邏輯等存在缺陷是造成的。

2)引起氣門(mén)間隙測(cè)量值異常的機(jī)制為：測(cè)量傳感器導(dǎo)向桿與凸輪軸相互干涉；傳感器本身測(cè)量輸出誤差；測(cè)量軟件算法未與傳感器測(cè)量值相關(guān)聯(lián)；機(jī)型切換引起的測(cè)量位置偏移；機(jī)械夾具位置動(dòng)作不到位。

3)針對(duì)測(cè)量中存在的缺陷，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：修改計(jì)算方法、更換傳感器并調(diào)整位置、優(yōu)化測(cè)量邏輯程序。改進(jìn)措施實(shí)施后的生產(chǎn)驗(yàn)證表明，氣門(mén)間隙測(cè)量值的合格率穩(wěn)定在97%。

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CauseAnalysisandSolutionofAbnormalMeasurementValueofValveClearance

JU Yu-qiang，ZHONG Wan-yu

(SAIC-GM-WulingAutomobileCo.,Ltd.,GuangxiLiuzhou545007,China)

The clearance measurement value of some batches of engine valves was abnormal, higher or lower than the practical value. In order to find out the measurement error, the senor, measurement location of sensor, tappet level algorithm and PLC logic procedure were checked. The results show that the deficiency of the tappet level algorithm, senor, measurement location of sensor, and PLC logic is the main cause for the abnormal measurement value. By modifying the calculation method, replacing the sensor, adjusting the location, and optimizing the measurement logic program, the measurement error of valve clearance has been sharply reduced, and the qualification rate of the measurement value stays stable at 97%.

valve clearance; sensor; calculation method; position; logic

2017年4月15日 [

] 2017年5月8日

琚裕強(qiáng)(1984年-)，男，碩士，工程師，主要從事電氣控制及測(cè)量檢測(cè)技術(shù)等方面的研究。

U464.1

Adoi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2017.03.010

1673-6214(2017)03-0190-05