基于試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性評(píng)估及摩擦磨損試驗(yàn)

黃旭 陳楠 馬東元 張偉 許偉利

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性是評(píng)價(jià)汽車質(zhì)量與性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。本文將某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定在全速、全負(fù)荷的運(yùn)行條件下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)500h，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析其耐久性。另外還選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套，將標(biāo)準(zhǔn)件與抽樣件進(jìn)行摩擦磨損的對(duì)比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析其耐磨損性能。綜合兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性有了基本了解。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 可靠性評(píng)估 耐久性試驗(yàn) 摩擦磨損試驗(yàn)

Abstract：Engine reliability is a key index to evaluate vehicle quality and performance. In this paper， a certain type of engine is set to operate at full speed and full load for 500h. Its durability is analyzed according to the test results. In addition， the cylinder liner of the engine is selected， and the friction and wear comparison test are carried out between the standard parts and the sampling parts. The wear resistance is analyzed according to the test results. Based on the two test results， a basic understanding of the reliability of this type of engine is provided.

Key words：engine， reliability evaluation， durability test， friction and wear test

近幾年國產(chǎn)汽車發(fā)展迅速，但是由于起步晚、研發(fā)投入少等因素的限制，國產(chǎn)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)仍然存在諸多瑕疵。以2020年為例，市場(chǎng)監(jiān)管總局收到汽車產(chǎn)品缺陷線索37377條，其中發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷10652條，占比28.5%，明顯高于車身缺陷、電氣設(shè)備缺陷。改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、降低發(fā)動(dòng)機(jī)的故障，必須要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)、開展可靠性試驗(yàn)。從試驗(yàn)項(xiàng)目上來看，又包含了高加速壽命試驗(yàn)（HALT）、環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)（ESS）、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）等多種?，F(xiàn)選擇500h全速、全負(fù)荷耐久性試驗(yàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)缸套摩擦磨損試驗(yàn)展開分析。

1 基于試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性評(píng)估

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

該試驗(yàn)選取國內(nèi)某車企某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，使該發(fā)動(dòng)機(jī)處于全速、全負(fù)荷工況下連續(xù)運(yùn)行500h。觀察該發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)暴露出來的各類問題。并基于問題成因分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在某車企質(zhì)量部的1#試驗(yàn)室，試驗(yàn)材料為該車企自行研制的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)依據(jù)遵循《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》（GB/T19055-2003），該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)開始前，技術(shù)人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)、試驗(yàn)臺(tái)架和相關(guān)設(shè)備等進(jìn)行一次復(fù)核，確定滿足試驗(yàn)要求后開始試驗(yàn)。首先啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，連續(xù)運(yùn)行24h。期間調(diào)試并觀察試驗(yàn)設(shè)備，確定基本工況良好。磨合期過后，將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)至全速、全負(fù)荷工況，進(jìn)行500h的耐久性試驗(yàn)。期間注意觀察和記錄發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化情況，在試驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)外部特性，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。完成外觀評(píng)價(jià)后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆解，進(jìn)一步判斷其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、零件是否出現(xiàn)故障;若發(fā)現(xiàn)故障，則記錄發(fā)生故障的零件、位置、原因。外觀檢測(cè)和內(nèi)部故障的分析結(jié)束后，對(duì)本次試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)故障問題與性能表現(xiàn)進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，并基于可靠性評(píng)估提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。

為保證該項(xiàng)試驗(yàn)順利完成、消除無關(guān)因素干擾，在試驗(yàn)期間還要注意以下幾點(diǎn)：（1）使用正規(guī)機(jī)油，并將機(jī)油溫度維持在100-120℃之間;（2）使用冷卻水恒溫系統(tǒng)，并將冷卻水出口溫度維持在85-95℃之間;（3）使用標(biāo)準(zhǔn)燃油，并將燃油溫度維持在25-35℃之間;（4）按照30h/次的頻率定期進(jìn)行保養(yǎng)，保養(yǎng)項(xiàng)目包括檢查機(jī)油、檢查氣門間隙等;按照60h/次的頻率測(cè)量曲軸箱壓力。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)中該發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線和燃油消耗比率曲線如圖1、圖2所示。

結(jié)合上述2圖可以發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)運(yùn)行中，初試性能曲線與復(fù)試性能曲線比較貼近，說明在試驗(yàn)前期與后期，發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能沒有明顯差異。但是對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的原機(jī)性能與初試、復(fù)試性能曲線，可以發(fā)現(xiàn)存在比較顯著的差異。以圖2不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗比率變化曲線為例，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1000-1200r/min時(shí)，以及1500-2000r/min時(shí)，原機(jī)性能曲線與復(fù)試性能曲線之間的差異較大。在1000r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗比率的差距達(dá)到了20g/kw·h。這表明該發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)有瑕疵。在本次耐久性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這一問題并成功解決，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

2 基于試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

選擇一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)套缸的標(biāo)準(zhǔn)件作為參照，另外從該發(fā)動(dòng)機(jī)的六個(gè)缸套中隨機(jī)選中一個(gè)，作為對(duì)比。兩者同時(shí)進(jìn)行相同內(nèi)容的摩擦磨損試驗(yàn)。為消除誤差影響、提高試驗(yàn)結(jié)果精度，對(duì)兩個(gè)套缸做以下處理：首先，使用工具將套缸表面磨平，得到光滑程度基本一致的表面。然后將其裁切成80×15×12的規(guī)整試塊，使其能夠剛好放入DTX-3型往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中。摩擦對(duì)偶全部采用該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的同一型號(hào)、同一批次的第一道活塞環(huán)和第二道活塞環(huán)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

上述準(zhǔn)備工作完畢后，開始進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。將準(zhǔn)備好的2個(gè)試件放入試驗(yàn)機(jī)中固定好，設(shè)定試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，平均往復(fù)速度為105m/s，兩個(gè)活塞環(huán)的張力均設(shè)置為300N，兩個(gè)試件依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次用時(shí)為8h。本次試驗(yàn)中需要注意的內(nèi)容有：（1）在試件處理完畢后，需要用電子秤進(jìn)行稱量，并分別記錄重量M1和M2。然后將試件放入設(shè)備中進(jìn)行摩擦磨損處理，試驗(yàn)完畢后使用同一臺(tái)電子秤進(jìn)行第二次稱量，記錄數(shù)據(jù)M1和M2。計(jì)算試驗(yàn)前后的差值，即為摩擦磨損量。（2）為消除試件自身攜帶雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精度造成干擾，要求在試驗(yàn)開始前對(duì)試件做清洗處理。將試件浸泡在石油醚中，使用超聲波清洗。持續(xù)10min，清洗完畢后使用清水沖洗并晾干。試驗(yàn)結(jié)束后執(zhí)行同樣的清洗操作。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完畢，記錄下2個(gè)套缸的磨損量，如表2所示。

結(jié)合表2，相比于第一道活塞環(huán)的摩擦磨損量，該發(fā)動(dòng)機(jī)的套缸磨損量比標(biāo)準(zhǔn)套缸的磨損量少量5.1%;相比于第二道活塞環(huán)的摩擦磨損量，該值為2.2%。兩者均在允許范圍之內(nèi)，因此該發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦磨損量符合標(biāo)準(zhǔn)，可靠性合格。

3 結(jié)語

開展發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性評(píng)估與摩擦磨損試驗(yàn)，能夠更加直觀地表示發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。如果發(fā)動(dòng)機(jī)存在一些質(zhì)量瑕疵，通過滿負(fù)荷試驗(yàn)也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題所在，從而為可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)，在不斷的技術(shù)改良中，使發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能更優(yōu)。

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