某增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧疲勞分析及改進(jìn)

李志敏，馬百坦，張 珊，莫漢忠

（東風(fēng)柳州汽車有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部，廣西 柳州545005）

0 引言

隨著國(guó)家整車油耗法規(guī)的日益嚴(yán)厲，各發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車公司為應(yīng)對(duì)油耗法規(guī)，想盡各種方法降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗，在這些方法中，通過(guò)渦輪增壓增加平均有效壓力和適當(dāng)小型化降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦是目前汽油機(jī)一種的常見(jiàn)且有效的技術(shù)路徑之一。在某增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，連續(xù)發(fā)生了多起氣門彈簧斷裂失效故障，阻礙了開(kāi)發(fā)的順利進(jìn)行，因此必須進(jìn)行改進(jìn)，以保證產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成功。本文分析了氣門彈簧斷裂的機(jī)理，計(jì)算其疲勞安全系數(shù)以確定薄弱部位，找到了失效原因，為設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了依據(jù)，并最終取得成功。

1 故障件的可能失效原因

為查找失效的根本原因，圖1中列舉出了氣門彈簧失效的可能原因。

圖1 氣門彈簧失效的可能原因

先后對(duì)上述可能原因進(jìn)行了排查。經(jīng)排查，氣門彈簧尺寸、彈簧安裝狀態(tài)、凸輪軸型線、臺(tái)架工況、試驗(yàn)數(shù)據(jù)均未發(fā)現(xiàn)異常。

為對(duì)失效的機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)故障件進(jìn)行了斷口分析，氣門彈簧斷口分析的照片見(jiàn)圖2.從圖中可以看出，斷口分為三部分，呈現(xiàn)疲勞斷裂。A為斷裂源，呈典型的扇貝紋。B區(qū)域?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū)。C區(qū)域磨損嚴(yán)重，局部未磨損部位放大后呈現(xiàn)剪切韌窩。金相、硬度檢測(cè)顯示基體組織為回火屈氏體，表面無(wú)脫碳及其它缺陷，硬度49 HRC.

圖2 氣門彈簧斷口分析

A區(qū)域處于彈簧內(nèi)圈，C區(qū)域在彈簧的外圈。經(jīng)過(guò)上述分析可以推斷，零件屬于疲勞斷裂，裂紋源位于彈簧內(nèi)圈，彈簧在該部位首先萌生裂紋，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，裂紋逐漸從A區(qū)域擴(kuò)展到B區(qū)域，由于裂紋的擴(kuò)展，受力面積的減小，彈簧在該斷口受到的應(yīng)力迅速增大，從而在C區(qū)快速斷裂。斷口分析生動(dòng)地揭示了彈簧斷口從A到B最終到C的疲勞斷裂過(guò)程。

此外，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，氣門彈簧的斷裂均發(fā)生在靠近氣門彈簧座的第2或第3圈，具有一定的規(guī)律性。

2 設(shè)計(jì)校核及有限元疲勞分析

2.1 設(shè)計(jì)校核

查閱了彈簧的設(shè)計(jì)資料，該氣門彈簧設(shè)計(jì)時(shí)只按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并未進(jìn)行三維受力的仿真計(jì)算和疲勞校核，雖然氣門彈簧的樣件通過(guò)了107次的零件單體試驗(yàn)，但是為排查導(dǎo)致故障的設(shè)計(jì)因素，仍然需對(duì)設(shè)計(jì)重新進(jìn)行校核及疲勞分析。表1為校核計(jì)算及后續(xù)仿真計(jì)算所用參數(shù)。

表1 氣門彈簧主要相關(guān)參數(shù)

對(duì)氣門彈簧的安全系數(shù)進(jìn)行校核[1]，安全系數(shù)按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果安全系數(shù)不大，不能確保設(shè)計(jì)是安全的，其中 τ0取 0.3σb，則：

2.2 三維應(yīng)力計(jì)算

雖然上述計(jì)算結(jié)果提示了存在的風(fēng)險(xiǎn)，但是畢竟根據(jù)公式計(jì)算并不能揭示彈簧的危險(xiǎn)點(diǎn)就在斷口附近，無(wú)法為故障的判斷提供有力的直接的支撐，筆者可查閱的文獻(xiàn)中，大多只對(duì)彈簧進(jìn)行理論計(jì)算2～4，對(duì)彈簧的三維仿真設(shè)計(jì)較少。為更詳細(xì)的考查應(yīng)力分布情況，將彈簧模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用ABAQUS進(jìn)行邊界定義和載荷施加，計(jì)算氣門彈簧在三維空間的應(yīng)力分布，以排查彈簧工作時(shí)斷裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和故障是否對(duì)應(yīng)。氣門彈簧的受力工況比較簡(jiǎn)單，只要考核以下兩種工況。

1）安裝狀態(tài)下的受力工況，即最小工作應(yīng)力狀態(tài)；

2）工作狀態(tài)受最大壓縮量時(shí)受力工況，即最大工作應(yīng)力狀態(tài)。

三維計(jì)算的網(wǎng)格類型為C3D10M，網(wǎng)格數(shù)量11萬(wàn)多個(gè)。為消除彈簧兩端自身接觸對(duì)應(yīng)力分析的影響，對(duì)模型進(jìn)行了一定的處理。仿真計(jì)算得到彈簧處于最大工作應(yīng)力時(shí)應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3 氣門彈簧最大工作載荷時(shí)的應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖可以看出，彈簧的兩端的第一圈基本不受力。氣門彈簧的內(nèi)側(cè)受力較大，外側(cè)受力很小，大約為內(nèi)圈應(yīng)力值的一半，而彈簧的中心線的局部小區(qū)域則基本不受力。因此，從應(yīng)力分布圖上可以得到的一個(gè)重要信息，那就是氣門彈簧靠近座圈的第2及第3圈受到的應(yīng)力最大，與斷裂部位一致[2-5]。

2.3 疲勞安全系數(shù)三維校核

鑒于彈簧是屬于疲勞斷裂，需進(jìn)一步進(jìn)行疲勞安全系數(shù)的三維校核。計(jì)算機(jī)疲勞分析軟件為疲勞系數(shù)的校核提供了邊界的工具，氣門彈簧的三維疲勞分析是基于FEMFAT軟件進(jìn)行。FEMFAT提供了ABAQUS的接口，可以直接對(duì)ABAQUS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行引用和計(jì)算。

氣門彈簧的受力是典型的R為常數(shù)的疲勞受力組合。將ABAQUS得到的結(jié)果導(dǎo)入FEMFAT進(jìn)行疲勞安全系數(shù)分析，其安全系數(shù)云圖如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示最小疲勞安全系數(shù)為1.04，產(chǎn)生的部位與斷裂位置一致，且與2.1的公式計(jì)算的數(shù)值比較接近。

綜上，基本可以確定氣門彈簧的斷裂為設(shè)計(jì)的疲勞安全系數(shù)不夠?qū)е隆?/p>

3 改善措施及驗(yàn)證效果

從上述分析及計(jì)算中得知，材料的疲勞強(qiáng)度不夠，疲勞安全系數(shù)過(guò)低是導(dǎo)致氣門彈簧失效的原因。雖然氣門彈簧通過(guò)了零件的單體疲勞試驗(yàn)，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，由于制造工藝一致性和使用條件有差異等原因，氣門彈簧不能足夠可靠的保證安全運(yùn)行?？紤]到產(chǎn)品已經(jīng)處于開(kāi)發(fā)階段的后期，如更改幾何設(shè)計(jì)，成本和周期都不能滿足要求。因此，為提高其疲勞安全系數(shù)，在不做現(xiàn)有幾何設(shè)計(jì)修改的前提下，試圖通過(guò)以下措施提高彈簧的疲勞安全系數(shù)，同時(shí)評(píng)估了采取以下措施提高零件的疲勞安全系數(shù)措施的效果：

1）熱處理工藝提升；

2）外表面噴丸工藝的改進(jìn)。

經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，同時(shí)采取以上兩項(xiàng)措施后，零件的最低疲勞安全系數(shù)提高到1.17，比改進(jìn)前提高了13%.改進(jìn)后的氣門彈簧零件，順利通過(guò)了零件單體試驗(yàn)，且通過(guò)了與失效件工況相同的整機(jī)可靠性驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明故障原因的分析正確，措施有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)列舉氣門彈簧失效原因和排查，確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足可能是失效的因素。對(duì)失效件的斷口分析，揭示了氣門彈簧的失效機(jī)理為從內(nèi)圈到外圈的疲勞斷裂，彈簧斷裂風(fēng)險(xiǎn)的位置為靠近彈簧座的第2及第3圈。公式計(jì)算，三維的應(yīng)力分析和疲勞分析結(jié)果都比較接近，表明公式計(jì)算是比較可信的，三維計(jì)算和公式計(jì)算互相印證最終確認(rèn)設(shè)計(jì)存在疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)，并揭示了風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的位置，顯示其與失效位置吻合，從而為故障的根本判斷提供了有力的支撐。最后，針對(duì)故障的原因，制定了提高疲勞安全系數(shù)的措施，成功的解決了開(kāi)發(fā)中遇到的斷裂問(wèn)題。所進(jìn)行的計(jì)算和改進(jìn)是有效的。

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