某款發(fā)動機增壓器斷軸問題解析

陳麗霞，胡廣，喬彥超，夏孟秋

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引言

增壓系統(tǒng)是運轉(zhuǎn)壓氣機使發(fā)動機進氣壓力工作在環(huán)境壓力以上的系統(tǒng)。小排量的增壓發(fā)動機代替同等性能的大排量自然吸氣發(fā)動機，同時增加進氣壓力（增加進氣質(zhì)量流量）可以增加燃油供給，從而得到更多功率，增壓發(fā)動機的熱效率也得到提升，其中渦輪工作在超音速狀態(tài)（2000 km/h，馬赫數(shù)為1.7），對增壓器（如圖1）主軸的挑戰(zhàn)更為嚴苛，本文對某機型增壓器斷軸問題進行詳細解析。

1 問題描述

某DCT車型在行駛過程中，發(fā)動機出現(xiàn)機油消耗量大問題并伴有加速異響問題，更換增壓器后，故障消除。對增壓器前空濾排查，未發(fā)現(xiàn)異常，壓前管路中存在小顆粒橡膠殘留，壓后管路中殘留機油及殘渣，增壓器葉片與殼體嚴重刮擦損壞（如圖1）。

圖1 增壓器葉片與殼體

2 故障原因分析

1）追溯信息。通過精準追溯，對故障增壓器出廠信息進行排查，執(zhí)行器平均位移為3.55 mm，遲滯為0.76 mm，壓板螺栓力矩為7.5～7.6 N·m，卡箍力矩為8.25 N·m，核心動平衡低速、中速、高速分別為2、7、5 g，軸向間隙為0.069 mm，各數(shù)據(jù)均滿足設計要求。

2）壓殼分析。拆卸后發(fā)現(xiàn)壓殼進氣口與葉輪配合處出現(xiàn)嚴重刮擦痕跡（如圖2），軸系穩(wěn)定性被嚴重破壞。

圖2 壓殼對比

3）壓殼重點尺寸。壓殼進氣口直徑要求為（30.90±0.05）mm，實測為30.8906 mm；壓殼中間體定位面與擴壓高度要求為（5.03±0.05）mm，實測為5.0336 mm；壓殼中間體定位面與臺階面高度要求為（0.2±0.01）mm，實測為0.2014 mm。尺寸檢測均滿足要求。對故障件壓殼與葉輪的間隙進行計算（如圖3），葉輪與壓殼徑向間隙為0.275 mm，葉輪與壓殼法向間隙為0.2 mm，數(shù)據(jù)合格。壓殼關鍵尺寸復測合格，軸系傳動量級動平衡滿足要求，葉輪和壓殼間隙滿足設計要求，但壓殼與葉輪存在異常刮擦，說明該增壓器軸系出現(xiàn)異常軸向竄動問題。

圖3 葉輪與壓殼間隙

4）渦殼分析。渦殼旁通機構小件轉(zhuǎn)動順暢，蝸殼與渦輪軸葉片配合部位出現(xiàn)嚴重刮擦磨損（如圖4），軸系穩(wěn)定性被嚴重破壞。

圖4 渦殼與葉片刮擦

5）渦殼重點尺寸。渦殼對于中間體定位面的平面度要求為0.05 mm，實測為0.004 mm，中間體配合內(nèi)徑要求為40.50～40.55 mm，實測為40.4502 mm，中間體定位面與隔熱罩定位面高度要求9.85～9.90 mm，實測為9.8725 mm，均滿足圖樣要求。渦殼關鍵尺寸復測合格，葉輪和渦殼間隙滿足設計要求，但渦殼與葉輪存在異常刮擦，說明該增壓器軸系出現(xiàn)異常軸向竄動問題。

6）中間體分析。中間體進油口和回油口未發(fā)現(xiàn)異物雜質(zhì)，排除潤滑油道存在異物問題。渦端活塞環(huán)配合孔、中間體與止推片配合面存在異常磨損（如圖5）。

圖5 異常磨損痕跡

7）中間體重點尺寸。中間體渦端面相對于內(nèi)孔軸線的垂直度要求為0.07 mm，實測為0.01 mm，中間體渦端面相對于內(nèi)孔軸線的跳動要求為0.07 mm，實測為0.09 mm，中間體內(nèi)徑要求為9.60～9.61 mm，實測為9.606 mm，尺寸均滿足要求。中間體關鍵尺寸復測合格，但中間體與止推片配合處出現(xiàn)刮擦，說明軸系竄動為后期失效導致。

8）渦輪部件分析。渦輪軸背面與隔熱罩發(fā)生嚴重刮擦磨損（如圖6），渦輪軸背面與隔熱罩設計間隙為0.95 mm，軸系竄動量出廠數(shù)據(jù)為0.069 mm，說明軸系在后期工作過程中出現(xiàn)嚴重的軸向竄動問題，導致軸系磨損[1]。通過對渦輪軸背面與隔熱罩磨損跡象及設計尺寸評價，因失效過程中軸系的軸向竄動超差，渦輪軸與隔熱罩發(fā)生刮擦，導致葉輪與渦殼損壞[4]。

圖6 隔熱罩

渦輪軸渦端葉片嚴重刮擦磨損，活塞環(huán)槽磨損嚴重，故障件與正常件進行比對（如圖7），重點尺寸（軸外徑、活塞環(huán)槽寬度、環(huán)槽直徑及葉片直徑）檢測均合格，滿足要求[3]。

圖7 渦輪軸渦端葉片

9）壓葉輪。壓葉輪葉片嚴重刮擦（如圖8），葉輪背面嚴重劃傷，通過損壞程度判斷，增壓器軸系破壞。

圖8 壓葉輪

壓葉輪孔內(nèi)徑、軸向高度及外徑檢測均滿足圖樣要求，壓葉輪背面與氣封板的設計間隙為0.46 mm，軸系軸向竄動出廠值為0.069 mm（如圖9），由此可知，軸系在后期工作過程中出現(xiàn)軸向嚴重竄動問題，致使磨損。

圖9 壓葉輪與氣封板間隙

10）軸封分析。故障增壓器軸封已經(jīng)斷裂（如圖10），對軸封尺寸進行復測，其中軸封外徑小于標準要求，說明軸封外徑存在磨損變小現(xiàn)象，活塞環(huán)槽寬度已經(jīng)超出標準要求，說明環(huán)槽存在磨損擴大現(xiàn)象。

圖10 故障軸封與正常件對比

斷口分析[6]：軸封斷口顯示為大面積磨損形貌（如圖11）[2]。

圖11 軸封斷口分析

軸封硬度要求為28～35 HRC，實測為32.0～32.4 HRC，滿足要求，通過斷裂形態(tài)分析，因軸系穩(wěn)定破壞后軸系軸心軌跡紊亂，致使該零部件在超高速的軸系紊亂運轉(zhuǎn)環(huán)境下經(jīng)受高頻次磨損、撞擊（如圖12），導致軸封斷裂，并在后期斷裂塊之間相互磨損。

圖12 失效原理

11）增壓器超速實驗。針對DCT 車型（新搭載車型）和CVT車型（初始車型）進行超速試驗對比分析，CVT車型高原標定時，增壓器的最高轉(zhuǎn)速為2.245×105r/min（如圖13），DVT車型試驗數(shù)據(jù)最高轉(zhuǎn)速為2.77×105r/min（如圖14）。

圖13 CVT車型（初始車型）增壓器超速實驗數(shù)據(jù)

增壓器設計最高轉(zhuǎn)速為2.52×105r/min（不可超越，瞬時超越不可持續(xù)5 s以上），瞬時最高轉(zhuǎn)速不可超越2.77×105r/min，如圖14所示，故障增壓器最高轉(zhuǎn)速均超出增壓器設計最高限速區(qū)，增壓器存在超速問題。

圖14 DCT車型（新搭載車型）增壓器超速實驗數(shù)據(jù)

通過對零部件單體尺寸檢測及出廠數(shù)據(jù)確認，并結(jié)合增壓器超速試驗結(jié)果可知，由于標定數(shù)據(jù)在5000～6000 r/min區(qū)域，壓比設置偏高，致使DCT車型增壓器轉(zhuǎn)速達到2.88×105r/min，超出增壓器轉(zhuǎn)速限值要求，導致增壓器出現(xiàn)斷軸問題[5]。

3 整改對策

通過更改標定數(shù)據(jù)（如表2），降低DCT車輛5000～6000 r/min的壓比，可有效降低增壓器轉(zhuǎn)速。

表2 增壓器壓比的標定數(shù)據(jù)

4 效果驗證

對標定數(shù)據(jù)更改后的車型進行增壓器超速試驗，最高轉(zhuǎn)速均滿足標準要求，無超速問題，整改方案有效。

5 結(jié)語

針對增壓器斷軸問題，通過對增壓器相關子零部件的關鍵尺寸進行檢測，結(jié)合出廠前增壓器數(shù)據(jù)，判定增壓器總成是否有尺寸超差問題，對失效件斷口進行分析，確定失效模式，對問題展開分析，本次失效問題主要原因是新機型開發(fā)前期標定不充分，壓比過大致使發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速情況下增壓器超速，導致增壓器出現(xiàn)斷軸問題，后期在標定過程中需要驗證充分，并增加超速保護策略，避免此問題發(fā)生。