四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條斷裂故障分析

劉顯宏

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸布置形式是有下置、中置、頂置三種方式，其中下置、中置凸輪軸布置形式，多采用齒輪傳動(dòng)，頂置凸輪軸布置形式多采用齒帶傳動(dòng)和鏈條傳動(dòng)[1]。與下置、中置凸輪軸相比，頂置凸輪軸具有零件少，質(zhì)量小，高速性等優(yōu)點(diǎn)[2]。

鏈條傳動(dòng)布置現(xiàn)已廣泛用于4 缸小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，鏈條代替齒輪傳動(dòng)進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作循環(huán)和發(fā)火順序下及時(shí)關(guān)閉或開啟氣門。如果鏈條出現(xiàn)斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)立刻停止工作，甚至出現(xiàn)氣門打頂，打爛活塞等嚴(yán)重故障。組織檢測(cè)在不同凸輪軸軸蓋螺栓力矩下凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩、凸輪軸軸蓋孔內(nèi)徑等數(shù)值變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩過大時(shí)，凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，回轉(zhuǎn)力矩增大，造成凸輪軸卡滯，進(jìn)而導(dǎo)致鏈條斷裂、鏈輪崩齒等故障。

以上研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，對(duì)于凸輪軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件，需要考慮零件安裝邊界的影響，不同的凸輪軸軸蓋擰緊力矩會(huì)引起凸輪軸軸蓋變形。在選擇凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩時(shí)，既要保證凸輪軸軸蓋緊固性（通過CAE 仿真分析手段進(jìn)行確認(rèn)最小凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩要求），又不能引起凸輪軸軸蓋變形過大導(dǎo)致凸輪軸徑向間隙過小卡滯，凸輪軸軸蓋變形情況通過采用不同凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩進(jìn)行擰緊，來驗(yàn)證凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)靈活情況，來評(píng)估出較為合理的擰緊力矩范圍。以某型號(hào)4 缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在綜合路況可靠性試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)鏈條斷裂為例，分析故障原因，提出改進(jìn)方案，并對(duì)方案進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

1 故障現(xiàn)象

某型號(hào)4 缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在襄陽試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行綜合路況可靠性試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到423km 時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)。拆檢發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)正時(shí)鏈條組件斷裂，惰齒輪組件鏈輪一處鏈齒崩齒，第2、3、4 缸的排氣門側(cè)滾輪搖臂部件斷裂，凸輪軸卡死的痕跡。詳如圖1～4所示。

圖1 正時(shí)鏈條組件斷裂

圖2 惰齒輪組件鏈輪斷裂

圖3 滾輪搖臂部件斷裂

圖4 進(jìn)氣側(cè)凸輪軸止推檔抱死

2 故障分析

2.1 理化分析

（1）正時(shí)鏈條組件斷裂。對(duì)出現(xiàn)斷裂故障的正時(shí)鏈條組件進(jìn)行理化分析發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)外鏈板斷裂形成4個(gè)斷口（圖5），分別標(biāo)志為斷口1～4。斷口1 相對(duì)較平坦，推斷其斷裂時(shí)所承受載荷相對(duì)較?。欢鴶嗫?～斷口4 相對(duì)較粗糙，推斷其斷裂時(shí)所承受載荷相對(duì)較大，由此判斷斷口1 為最先形成的斷口。

圖5 外鏈板斷口局部

正時(shí)鏈條外鏈板斷裂，其中斷口1 相對(duì)較平坦，推斷其斷裂時(shí)所承受載荷相對(duì)較小，為最先形成的斷口。其它斷口相對(duì)較粗糙，所承受載荷相對(duì)較大，為后來斷裂斷口。本次發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)排氣門出現(xiàn)不同程度打活塞頂?shù)暮圹E。分析認(rèn)為，這可能與試驗(yàn)過程排氣制動(dòng)有關(guān)。在氣門打活塞頂?shù)那闆r下，鏈條承受額外的異常載荷，增大鏈條斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

推斷本次故障發(fā)生過程為：試驗(yàn)過程中，氣門打活塞頂，造成鏈條承受額外的異常載荷，正時(shí)鏈條外鏈板其中一處先發(fā)生斷裂，之后，同一件外鏈板的另一處、同一鏈節(jié)中的另一件外鏈板和鏈輪，相繼發(fā)生斷裂，從而造成凸輪軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，部分氣門與活塞嚴(yán)重打頂，致使搖臂體斷裂。

（2）惰齒輪組件鏈輪斷裂。對(duì)出現(xiàn)崩齒故障的惰齒輪組件進(jìn)行理化分析，使用立體顯微鏡對(duì)崩齒斷裂面進(jìn)行觀察。斷口形貌如圖6 所示，裂紋源區(qū)位于輪齒受載一側(cè)齒面，斷口表面比較粗糙，未發(fā)現(xiàn)明顯的材料缺陷，推斷輪齒斷裂時(shí)所承受的載荷較大，為過載斷裂。

圖6 鏈輪崩齒斷口形貌

惰齒輪組件的鏈輪所檢項(xiàng)目符合圖定技術(shù)要求，鏈輪崩齒斷口表面比較粗糙，屬過載斷裂，推斷輪齒所承受的載荷較大，為受累件。

（3）滾輪搖臂部件斷裂。組織對(duì)斷裂的滾輪搖臂部件進(jìn)行理化分析發(fā)現(xiàn)，2 件斷裂滾輪搖臂部件，形成4 個(gè)斷口，使用立體顯微鏡分別對(duì)斷口進(jìn)行觀察，斷口及匹配斷口形貌如圖7 所示，其斷口形貌都相似，由多個(gè)裂紋面組成，心部為最后斷裂區(qū)，斷口表面比較粗糙。

圖7 搖臂體斷口及匹配斷口

每個(gè)斷口附近搖臂體內(nèi)外兩側(cè)，都存在多道裂紋（圖8）。搖臂體出現(xiàn)多道裂紋，推斷與活塞打頂使搖臂體承受異常沖擊載荷關(guān)聯(lián)大，屬于受累件。

圖8 搖臂體斷口

理化分析結(jié)論顯示,滾輪搖臂材料符合圖定要求，硬度、有效硬化層深度及金相組織未見異常。搖臂體出現(xiàn)多道裂紋，推斷與活塞打頂使搖臂體承受異常沖擊載荷關(guān)聯(lián)大，應(yīng)為正時(shí)鏈條斷裂后，凸輪軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，致使部分氣門與活塞嚴(yán)重打頂，同屬于受累件。

2.2 受力異常點(diǎn)分析

該4 缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用傳動(dòng)后置結(jié)構(gòu)，齒輪+鏈條傳動(dòng)方式，通過曲軸正時(shí)齒輪帶動(dòng)惰齒輪，惰齒輪集成鏈輪結(jié)構(gòu)，惰齒輪鏈輪通過鏈條帶動(dòng)凸輪軸鏈輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙頂置的進(jìn)、排氣側(cè)凸輪軸。

采用FTA 故障樹分析法和5WHY 分析方法開展受力異常點(diǎn)分析后，初步鎖定故障直接原因?yàn)橥馆嗇S軸蓋變形導(dǎo)致進(jìn)、排氣側(cè)凸輪軸卡滯抱死。凸輪軸軸蓋變形量，調(diào)查發(fā)現(xiàn)制造工藝按13±2 N·m 進(jìn)行螺栓擰緊，存在凸輪軸軸蓋變形的情況。

組織對(duì)采用13±2 N·m 擰緊工藝進(jìn)行核查，主要從凸輪軸軸蓋擰緊后的軸蓋凸輪軸孔直徑、回轉(zhuǎn)力矩、凸輪軸止推檔痕跡等進(jìn)行核實(shí)。

根據(jù)表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以表明凸輪軸軸蓋螺栓按13±2 N·m 擰緊工藝進(jìn)行擰緊，凸輪軸軸蓋孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，軸孔直徑變小，不滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 凸輪軸軸蓋擰緊力矩對(duì)軸孔直徑的影響

表2 檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，進(jìn)、排氣側(cè)凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩隨著凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩加大而增加，特別是擰緊力矩達(dá)到15 N·m 時(shí)，回轉(zhuǎn)力矩達(dá)到6 N·m，也說明凸輪軸軸蓋已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形。

表2 凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩值

凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩增加，摩擦阻力增大，當(dāng)兩個(gè)不正常的摩擦副放出的熱量燒熔摩擦表面的金屬，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，兩個(gè)摩擦副融化的金屬攪合在一起冷卻，出現(xiàn)凸輪軸抱死凸輪軸蓋的情況。

3 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

調(diào)整凸輪軸軸蓋擰緊工藝，根據(jù)前期工藝驗(yàn)證，凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩在8±2 N·m 時(shí)，凸輪軸軸蓋不存在變形和回轉(zhuǎn)力矩增加大的情況。

分析抽檢數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩在8±2 N·m 時(shí)，凸輪軸軸蓋孔直徑尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

組織2 輪500 h 可靠性試驗(yàn)。拆檢時(shí)無凸輪軸抱死故障出現(xiàn)，整改方案通過驗(yàn)證。切換凸輪軸軸蓋擰緊工藝后，跟蹤裝機(jī)數(shù)3000 臺(tái)以上，均無凸輪軸抱死故障反饋。

4 結(jié)語

從發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條斷裂故障情況來看，屬于較重大的運(yùn)動(dòng)件故障，組織分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的原因在于凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩不合理，引發(fā)凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)卡滯抱死，進(jìn)而拉斷鏈條。發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，對(duì)于螺栓擰緊工藝驗(yàn)證也是非常重要的，不應(yīng)該僅僅限于主軸承蓋螺栓、缸蓋螺栓等。