發(fā)動機氣門彈簧斷裂的分析及解決方案

李廣衛(wèi)

摘要：某發(fā)動機在開發(fā)試驗過程中出現(xiàn)多起發(fā)動機高轉(zhuǎn)速耐久時氣門彈簧斷裂的現(xiàn)象。借助金相、能譜分析等手段進行了氣門彈簧斷裂原因的分析，并提出了改進措施。并提出了零件的優(yōu)化設(shè)計，并通過試驗驗證，證明了改進措施的有效性。對發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)具有較強的指導(dǎo)性和實用性。

Abstract： Valve spring breakof duringengine high speed durability test of engine after investigation to the valve spring break. the solution was found. test passed after implementation of solution. metallographyanalysis. that is very significant in theoryand valuable in practical use to guide the engine design.

關(guān)鍵詞：氣門彈簧斷裂;殘余應(yīng)力;疲勞強度;淬火工藝

Key words： valve spring break;residue stress;fatiguestrength;hardenedprocess

0 ?引言

發(fā)動機是汽車的心臟，是汽車的動力來源，燃燒系統(tǒng)則更是發(fā)動機的心臟決定著汽車的動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和環(huán)保性。評價一款發(fā)動機的優(yōu)劣，從功率、油耗和排放等方面綜合評價可以得出結(jié)論，而影響這些關(guān)鍵指標(biāo)的直接因素就是燃燒系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)中氣門機構(gòu)系統(tǒng)是一個重要的部分，而氣門機構(gòu)系統(tǒng)中氣門彈簧是非常重要的零件，氣門彈簧的功用是保證氣門關(guān)閉時能緊密地與氣門座圈貼合，保證并克服在氣門開啟時配氣機構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，使傳動件始終受凸輪控制而不產(chǎn)生飛脫。隨著發(fā)動機的升功率、升扭矩進一步提升發(fā)動機排氣背壓越來越高，氣門彈簧預(yù)力也隨之增大。發(fā)動機輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊型的發(fā)展，留給氣門彈簧的設(shè)計尺寸越來越有限，氣門彈簧的應(yīng)力越來越高。導(dǎo)致氣門彈簧安全系數(shù)下降，氣門彈簧斷裂的風(fēng)險增加，氣門彈簧斷裂已成為發(fā)動機近年來一個常見故障，對發(fā)動機的影響甚至是破壞性的。本文對某款發(fā)動機開發(fā)過程中的氣門彈簧斷裂進行原因分析，并提出解決方案，并通過了實驗驗證。

1 問題描述

針對某型號發(fā)動機，在開發(fā)過程中進行耐久試驗時進行約340小時后出現(xiàn)發(fā)動機性能低、扭矩波動發(fā)動機抖動、低速段催前溫度低，高速短催后溫度高，催后溫度高于催前，通過ECU分缸斷油，確認(rèn)第4缸部分或完全失火，判斷失火造成，測功機測量結(jié)果扭矩低尤其在高速段。進行火花塞跳火試驗跳火正常，分別更換了TMAP、前氧傳感器更換后故障依舊;更換了一套新的點火線圈和火花塞，故障依舊;更換了一個ECU，故障依舊;更換了發(fā)動機線束、臺架線束、噴汽油總成，故障依舊;發(fā)動機下臺架拆機檢查發(fā)現(xiàn)排氣8#氣門彈簧斷裂，斷裂位置距氣門彈簧小端5圈處。氣門彈簧斷裂照片見圖1。

2 ?原因分析

發(fā)動機氣門彈簧斷裂的潛在原因有很多，可能有氣門彈簧本身的質(zhì)量因素（彈簧表面裂紋、表面脫碳、非金屬夾雜物、運輸過程中磕碰傷、表面銹蝕等），可能有氣門彈簧本身的設(shè)計原因氣門機構(gòu)系統(tǒng)周邊零件（氣門、導(dǎo)管、座圈）的問題，氣門彈簧與整個氣門機構(gòu)的匹配性以及氣門機構(gòu)相關(guān)零件本身質(zhì)量問題，圖2給出了氣門彈簧斷裂的潛在原因分析魚刺圖。

通過對斷裂氣門彈簧的斷口進行分析，使用掃描電鏡對斷口進行掃描觀察：掃描結(jié)果顯示氣門彈簧斷裂的裂紋源起始于斷口次表面的凹坑，該區(qū)域具有明顯的疲勞特征，距離斷口表面約297.5um，凹坑大小為尺寸約72.96um*24.87um;斷口位置與凹坑大小見圖3。

對凹坑進一步進行EDX能譜分析，結(jié)果顯示凹坑內(nèi)含有大量Si、O、Al元素（如圖4），可以確認(rèn)這些元素大大超出了該種鋼絲正常的含量，可以確認(rèn)這個凹坑就是夾雜物的位置，凹坑的大小就是夾雜物的大?。忾T彈簧鋼絲內(nèi)部只允許小于15um*15um的夾雜物），確認(rèn)氣門彈簧斷裂的根本原因是由于彈簧鋼絲次表面內(nèi)部存在非金屬夾雜物引起的疲勞斷裂，可以判斷是由鋼絲冶煉過程引入的非金屬夾雜物。

2.1 零件質(zhì)量

檢查失效發(fā)動機的相關(guān)零件，未見與失效相關(guān)的質(zhì)量問題。而且隨機抽查了同批的零件，均沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。氣門彈簧的材料化學(xué)成分、材料硬度、金相分析組織正常，彈簧鋼絲表面無銹蝕、無裂紋（彈簧鋼絲在卷黃前要求百分之百進行電渦流探傷）彈簧鋼絲表面無脫碳見圖5，所以發(fā)動機機氣門彈簧斷裂并非零件質(zhì)量問題導(dǎo)致。

2.2 氣門彈簧設(shè)計分析

考核氣門彈簧設(shè)計重要的參數(shù)主要有氣門彈簧動態(tài)疲勞安全系數(shù)、氣門彈簧顫震、氣門彈簧應(yīng)力等參數(shù)。

彈簧力突然增加，并伴隨彈簧并圈現(xiàn)象發(fā)生，并圈現(xiàn)象發(fā)生的原因有很多，可能是彈簧的剛度不足彈簧頻率不夠;可能是由于凸輪的諧振引起了彈簧的顫振，使得彈簧應(yīng)力急劇增加，對彈簧的疲勞壽命有較大影響。對氣門彈簧顫震進行校核，氣門彈簧顫震為0.7mm ，小于1mm的顫震標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計要求，氣門彈簧顫震CAE分析數(shù)據(jù)見圖6。

對氣門彈簧疲勞強度進行設(shè)計校核，氣門彈簧動態(tài)疲勞安全系數(shù)為1.18，滿足動態(tài)安全系數(shù)1.1設(shè)計要求。同時對氣門彈簧動態(tài)疲勞安全系數(shù)進行對標(biāo)分析，對標(biāo)機型為類似機型功率、矩相近的幾款發(fā)動機。對標(biāo)分析結(jié)果顯示，該幾款的發(fā)動機氣門彈簧動態(tài)疲勞安全系數(shù)基本一致。故氣門彈簧本身設(shè)計沒有問題。氣門彈簧動態(tài)安全系數(shù)見圖7。

CAE仿真分析彈簧應(yīng)力最大位置與失效氣門彈簧斷裂位置（斷裂位置距氣門彈簧小端5圈處）相符合。第5圈，是氣門彈簧工作中應(yīng)力比較大的區(qū)域，也就是氣門彈簧斷裂位置是氣門彈簧在發(fā)動機運行中最薄弱的位置，安全系數(shù)最小的位置。彈簧應(yīng)力仿真分析數(shù)據(jù)見圖8。

2.3 周邊零件

對氣門彈簧周邊零件的情況調(diào)查，氣門導(dǎo)管磨損量可以接受，氣門搖擺間隙正常，氣門座圈無異常磨損、無偏磨現(xiàn)象。滾子搖臂、液壓挺柱、氣門、氣門彈簧座、氣門鎖夾未發(fā)現(xiàn)異常。通過對氣門彈簧周邊零件的調(diào)查結(jié)果，可以排除周邊零件引起氣門彈簧斷裂。

2.4 氣門彈簧與氣門機構(gòu)系統(tǒng)的匹配性

對整個氣門機構(gòu)動力學(xué)、運動學(xué)CAE分析報告顯示，各項參數(shù)都滿足設(shè)計要求，氣門彈簧與氣門機構(gòu)系統(tǒng)匹配性很好。氣門機構(gòu)缸蓋臺架試驗實測參數(shù)也滿足要求。

3 ?解決方案

針對氣門彈簧斷裂是由于彈簧鋼絲次表面非金屬夾雜物引起的斷裂，當(dāng)前鋼鐵冶煉水平非金屬夾雜不可避免，氣門彈簧斷裂位置是氣門彈簧工作應(yīng)力最大區(qū)域，安全系數(shù)最小的位置。在現(xiàn)有彈簧設(shè)計參數(shù)、材料不變的情況下能否進一步提高彈簧的疲勞安全系數(shù)，能夠減少氣門彈簧對夾雜物的敏感性，同時提高它的疲勞壽命。采用優(yōu)化彈簧淬火工藝設(shè)計可以達到要求。

彈簧淬火工藝概述，氣門彈簧鋼絲卷簧后進行高頻感應(yīng)加熱到材料奧實體化溫度（900℃左右）后淬火、回火處理，這樣就完全消除了在卷簧工序階段彈簧鋼絲表面產(chǎn)生的有害的拉應(yīng)力而增加了彈簧的疲勞強度，和傳統(tǒng)的卷簧回火工藝或者是滲氮工藝相比，彈簧的抗拉強度提高了100-200Mpa。充分利用了材料的抗拉強度。彈簧淬火工藝的殘余應(yīng)力優(yōu)于傳統(tǒng)的卷簧回火工藝，經(jīng)過兩步拋丸強化處理氣門彈簧表面壓應(yīng)力會增加100-200Mpa（見圖9），較大的殘余壓應(yīng)力使氣門彈簧在工作過程中抵消彈簧表面的拉應(yīng)力，增加了彈簧的疲勞強度，因而提高了氣門彈簧的疲勞壽命。其優(yōu)勢在于靜態(tài)安全系數(shù)高于當(dāng)前技術(shù)方案6%（見圖10）。

優(yōu)化彈簧淬火工藝前后對比工藝流程如圖11所示。

按照淬火工藝的方案制造了一批氣門彈簧，并隨機抽取4支彈簧進行殘余應(yīng)力測量，詳細(xì)檢測數(shù)據(jù)見表1，兩種工藝氣門彈簧殘余應(yīng)力檢測對比數(shù)據(jù)表如圖12所示。

4 ?優(yōu)化工藝后的零件驗證

為了驗證優(yōu)化設(shè)計后零件的有效性，進行了發(fā)動機高速耐久考核試驗裝配了淬火工藝的氣門彈簧，順利完成了多輪的發(fā)動機耐久試驗，沒有發(fā)生類似的氣門彈簧斷裂現(xiàn)象，氣缸壓力正常，且發(fā)動機功率、扭矩都達到了設(shè)計目標(biāo)值。由此可以看出，驗證了解決方案是有效和可行的。解決了氣門彈簧斷裂問題。

5 ?結(jié)論

通過采用高頻感應(yīng)加熱淬火工藝彈簧，增加了彈簧的疲勞強度，因而提高了氣門彈簧的疲勞壽命。有效解決了氣門彈簧斷裂問題。

通過對氣門彈簧斷裂區(qū)域進行分析，彈簧次表面存在非金屬夾雜物導(dǎo)致氣門彈簧斷裂，找出斷裂的原因，為尋找斷裂的原因提供了有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時快速有效地提出解決方案，不僅快速有效，而且大大節(jié)省了時間成本，具有很強的實用性和經(jīng)濟性，對氣門彈簧的設(shè)計具有很大的指導(dǎo)性作用。綜上所述，為了解決發(fā)動機氣門彈簧斷裂提供了一整套有效的方法，能及時有效的找出氣門彈簧失效原因，為下一步的問題解決指明了具體的方向，對發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)具有很強的指導(dǎo)作用。

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