發(fā)動(dòng)機(jī)OCV 閥濾網(wǎng)斷裂問題分析及解決方法

趙 波 孟祥斌 姚君韋 郭 強(qiáng) 侯思佳 劉勝強(qiáng)

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

可變氣門正時(shí)技術(shù)（Variable Valve Timing，VVT）是目前在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較多的一項(xiàng)技術(shù)，可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門的開啟與關(guān)閉時(shí)刻，保證了充氣系數(shù)，達(dá)到最優(yōu)的配氣正時(shí)相位，可以降低油耗與排放，是發(fā)動(dòng)機(jī)非常關(guān)鍵的技術(shù)[1]。而VVT 的跟隨響應(yīng)性則影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，當(dāng)相位調(diào)節(jié)角度偏差大時(shí)，則會(huì)引發(fā)VVT 報(bào)相位故障碼。其中OCV（oil control valve）是VVT 系統(tǒng)的關(guān)鍵零件。OCV 為VVT 組件提供機(jī)油并進(jìn)行機(jī)油過濾，是接收ECU 命令改變油壓驅(qū)動(dòng)相位器的液壓控制閥[2]。OCV 閥前端進(jìn)油P 口處的濾網(wǎng)是較為常用的一種過濾部件，但不同的發(fā)動(dòng)機(jī)在此處主油道的壓力不同，且運(yùn)行過程中油壓有波動(dòng)，對(duì)濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇就有較高的要求。本文就某發(fā)動(dòng)機(jī)OCV 閥濾網(wǎng)斷裂問題進(jìn)行了分析，并制定了相應(yīng)的優(yōu)化方案和解決措施。

1 問題來源

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證開發(fā)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)的過程中，發(fā)生幾起報(bào)凸輪軸相位偏差不合理故障。故障現(xiàn)象基本都是在臺(tái)架耐久后期階段出現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)拆解后發(fā)現(xiàn)OCV 濾網(wǎng)斷裂。

2 原因分析

如圖1 所示，OCV 閥的P 口處濾網(wǎng)為常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。P 口濾網(wǎng)采用鋼絲編織結(jié)構(gòu)，編織結(jié)合點(diǎn)處有擠壓，濾網(wǎng)注塑到塑料底座內(nèi)。

圖1 OCV 閥濾網(wǎng)

發(fā)現(xiàn)此問題后先進(jìn)行濾網(wǎng)斷裂機(jī)理分析：

1）機(jī)油油壓沖擊：P 口濾網(wǎng)受到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力的波動(dòng)和OCV 閥工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的影響，時(shí)刻受到一個(gè)非對(duì)稱、應(yīng)力幅值和頻率都在改變的流體內(nèi)部壓力；

2）雜質(zhì)堆積沖擊：機(jī)油內(nèi)毛刺，鋁屑和油泥等雜質(zhì)堆積到濾網(wǎng)表面，導(dǎo)致濾網(wǎng)此處應(yīng)力集中，對(duì)濾網(wǎng)抗沖擊強(qiáng)度是嚴(yán)峻考驗(yàn)，如圖2 所示。

圖2 OCV 閥濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

機(jī)理分析完成后需對(duì)可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行詳細(xì)梳理，此處運(yùn)用了魚骨刺圖法，如圖3 所示。

圖3 OCV 濾網(wǎng)斷裂魚骨刺圖

對(duì)于此問題的分析，需從以下幾方面入手：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)邊界對(duì)OCV 閥濾網(wǎng)斷裂的影響；

2）零部件質(zhì)量，包括加工尺寸、斷口分析、機(jī)械性能及裝配成型工藝；

3）設(shè)計(jì)方面，包括配合尺寸及零部件材料強(qiáng)度選擇等。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)邊界影響排查

本文前面提到的發(fā)動(dòng)機(jī)油壓及機(jī)油清潔度等發(fā)動(dòng)機(jī)的邊界因素會(huì)對(duì)OCV 閥的使用環(huán)境產(chǎn)生影響，固對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)排查，主要排查項(xiàng)目見表1。

表1 邊界影響因素排查

根據(jù)排查可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的邊界對(duì)OCV 濾網(wǎng)斷裂問題的影響可以排除。

2.2 零部件質(zhì)量問題的排查

零部件質(zhì)量問題首先需要查看零部件的生產(chǎn)批次，如都是同一批次，排查共性點(diǎn)并需要評(píng)估是否會(huì)產(chǎn)生批量問題。然后根據(jù)問題的性質(zhì)梳理出強(qiáng)相關(guān)的尺寸，材料性能及成型工藝。

因?yàn)V網(wǎng)已經(jīng)斷裂，只能取同批次的濾網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)。尺寸檢測(cè)結(jié)果見表2，其機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果見表3。

表2 濾網(wǎng)尺寸檢測(cè)記錄

表3 機(jī)械性能檢測(cè)記錄

根據(jù)表2 可知濾網(wǎng)的關(guān)鍵尺寸檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)要求；根據(jù)表3 的檢測(cè)結(jié)果可知斷裂濾網(wǎng)材料的機(jī)械性能無問題。接著需要對(duì)斷裂濾網(wǎng)進(jìn)行斷口電鏡掃描分析，排查是否原材質(zhì)有異常夾渣并確認(rèn)斷裂形式。此故障件上有兩處斷裂源，分別進(jìn)行電鏡掃描，具體分析如圖4、圖5、圖6。

圖4 斷裂形貌

圖5 第1 處韌性斷裂

圖6 第2 處疲勞斷裂

根據(jù)分析可知濾網(wǎng)斷裂形貌為疲勞斷裂和韌性斷裂；微觀形貌可見疲勞斷裂后，在編織網(wǎng)鋼絲節(jié)點(diǎn)處有明顯分層現(xiàn)象，這會(huì)使得此處應(yīng)力相對(duì)集中，加大斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)一步需要排查鋼絲節(jié)點(diǎn)的分層及應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因，這些與濾網(wǎng)座的成型工藝強(qiáng)相關(guān)。經(jīng)過對(duì)成型工藝進(jìn)行審核排查，發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

1）濾網(wǎng)鋼絲節(jié)點(diǎn)變形擠壓嚴(yán)重，如圖7 所示。

圖7 濾網(wǎng)節(jié)點(diǎn)變形

2）濾網(wǎng)表面看起來比較“光亮”，很明顯是在注塑時(shí)擠壓過度造成的，如圖8 所示。

圖8 濾網(wǎng)表面

在排查供應(yīng)商的成型工藝后發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)座注塑時(shí)，上模和下模間隙控制較?。刂崎g隙由濾網(wǎng)厚度決定）。導(dǎo)致濾網(wǎng)受到擠壓，導(dǎo)致鋼絲變形，厚度變薄，鋼絲節(jié)點(diǎn)受到損傷，此處應(yīng)力集中，易產(chǎn)生斷裂。具體注塑模具工藝見圖9。

圖9 注塑模具

根據(jù)以上排查結(jié)果進(jìn)行分析，零部件單品質(zhì)量方面并不存在問題。而濾網(wǎng)座成型工藝出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題則是由濾網(wǎng)厚度尺寸決定的，由此濾網(wǎng)的斷裂原因需要從濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)上進(jìn)行對(duì)標(biāo)排查。

2.3 零部件的設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)排查

零部件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)前面的魚骨刺圖梳理需要從濾網(wǎng)鋼絲直徑設(shè)計(jì)、濾網(wǎng)厚度、濾網(wǎng)材料選擇、濾網(wǎng)支撐梁設(shè)計(jì)等方面逐一對(duì)標(biāo)排查。排查數(shù)據(jù)見表4。

表4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)排查可發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

1）濾網(wǎng)鋼絲直徑設(shè)計(jì)過小

故障件的濾網(wǎng)鋼絲直徑較細(xì)，相比其它廠家濾網(wǎng)更易斷裂。

2）濾網(wǎng)厚度設(shè)計(jì)過小

此濾網(wǎng)是由鋼絲上下編制而成，故障件的厚度最小且遠(yuǎn)低于鋼絲直徑的兩倍，因?yàn)樽⑺苌夏：拖履ｉg隙控制過小，濾網(wǎng)受到擠壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中，易產(chǎn)生斷裂。

3）濾網(wǎng)材質(zhì)選擇不合適

故障件抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)都在700 MPa 以下，屈服強(qiáng)度都在300 MPa 以下。而對(duì)標(biāo)件選用的材料經(jīng)過相應(yīng)熱處理后實(shí)測(cè)其機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度大于1 200 MPa，屈服強(qiáng)度大于900 MPa[3]。

植物的益生菌發(fā)酵，不僅能使其中活性成分、風(fēng)味、質(zhì)地得到改善，而且能去除部分有害成分，增強(qiáng)益生功能[11]。目前，尚沒有益生菌發(fā)酵荷葉，增強(qiáng)其生物學(xué)功能的相關(guān)報(bào)道。為此，本文擬采用腸球菌WEHI01或WEFA23發(fā)酵荷葉，從抑菌和抗氧化方面對(duì)發(fā)酵荷葉上清進(jìn)行比較研究，從體外和細(xì)胞水平考查其抗氧化性和抗氧化酶活的變化規(guī)律。

為驗(yàn)證兩種材質(zhì)的性能差異，我們進(jìn)行了濾網(wǎng)強(qiáng)度驗(yàn)證對(duì)標(biāo)測(cè)試：圖10 為測(cè)試設(shè)備，使用1 個(gè)特制的沖頭對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行加載，記錄兩種不同材質(zhì)濾網(wǎng)破壞時(shí)的壓力峰值，見圖11。

圖10 濾網(wǎng)測(cè)試臺(tái)架

圖11 斷裂壓力測(cè)試結(jié)果

我們總共做了5 組對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)斷裂后的濾網(wǎng)也進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)故障件濾網(wǎng)在加載到20～40 N 時(shí)，非沖頭區(qū)域鋼絲已先行斷裂。而對(duì)標(biāo)件濾網(wǎng)：斷裂區(qū)域與沖頭幾乎重合，而其它位置都完好，如圖12 所示。

圖12 濾網(wǎng)斷裂形貌驗(yàn)證對(duì)比

由此可以推斷出故障件選用的材料強(qiáng)度低，易發(fā)生斷裂。

4）濾網(wǎng)支撐梁設(shè)計(jì)不合理

故障件為一字形設(shè)計(jì)，其它對(duì)標(biāo)件均為十字架結(jié)構(gòu)，增加了濾網(wǎng)整體強(qiáng)度，能更好地抵抗機(jī)油壓力沖擊及運(yùn)行過程中的機(jī)油壓力波動(dòng)，如圖13 所示。

圖13 支撐橫梁結(jié)構(gòu)對(duì)比

經(jīng)過以上分析，可知OCV 濾網(wǎng)斷裂的主要原因有以下幾種：

1）濾網(wǎng)鋼絲直徑設(shè)計(jì)不合理；

2）濾網(wǎng)厚度設(shè)計(jì)不合理；

3）濾網(wǎng)材質(zhì)選擇不合理，材料強(qiáng)度偏低；

4）濾網(wǎng)座注塑成型工藝設(shè)置不合理；

5）濾網(wǎng)支撐橫梁設(shè)計(jì)不合理。

3 解決措施

針對(duì)以上分析的幾點(diǎn)原因，可以制定有針對(duì)性的解決措施。

3.1 濾網(wǎng)鋼絲直徑及厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在前面的分析中，已經(jīng)明確現(xiàn)有直徑及厚度都過小。經(jīng)過調(diào)查，目前市場(chǎng)上的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的OCV閥的濾網(wǎng)直徑主要有0.06、0.08 mm、1.0 mm、1.2 mm四種規(guī)格，且還需考慮OCV 閥的目數(shù)，供應(yīng)商恰好有適合此規(guī)格的濾網(wǎng)鋼絲直徑，因此我們暫時(shí)選擇了此規(guī)格產(chǎn)品。

對(duì)于此規(guī)格的鋼絲直徑，根據(jù)濾網(wǎng)注塑成型工藝要求，濾網(wǎng)厚度最好能接近鋼絲直徑的兩倍。但同時(shí)需要考慮濾網(wǎng)和濾網(wǎng)座的粘接強(qiáng)度，需要有一定的過盈量，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)上定義濾網(wǎng)厚度為需接近鋼絲直徑的兩倍。

3.2 濾網(wǎng)材質(zhì)重新選擇，增加濾網(wǎng)強(qiáng)度

關(guān)于濾網(wǎng)強(qiáng)度的增加可以從兩方面入手：一方面經(jīng)過對(duì)標(biāo)分析可以選擇抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都較高的SUS304；另一個(gè)方面在濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)上做設(shè)計(jì)改動(dòng)，將一字形設(shè)計(jì)的支撐橫梁更改為十字架結(jié)構(gòu)。同時(shí)需要注意鋼絲與橫梁的角度，由90°改為45°，如圖14 所示。

圖14 更改前后的支撐梁設(shè)計(jì)對(duì)比

3.3 更改濾網(wǎng)座注塑成型工藝參數(shù)

前面已經(jīng)論證，上模和下模間隙如果控制較小，會(huì)導(dǎo)致濾網(wǎng)受到擠壓，導(dǎo)致鋼絲變形，厚度變薄。因此控制此間隙非常重要，分別設(shè)計(jì)了三組不同間隙值進(jìn)行濾網(wǎng)座的注塑成型工藝調(diào)試，最后發(fā)現(xiàn)采用接近兩倍鋼絲直徑的間隙能調(diào)試出濾網(wǎng)厚度接近兩倍鋼絲直徑規(guī)格的合格產(chǎn)品。

4 改進(jìn)措施驗(yàn)證

根據(jù)以上措施實(shí)施改進(jìn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一項(xiàng)可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境的機(jī)油壓力脈沖試驗(yàn)，可以讓OCV 在特殊的試驗(yàn)工況條件下進(jìn)行單品驗(yàn)證。分別選取了整改前后6 組測(cè)試件，進(jìn)行了機(jī)油壓力沖擊試驗(yàn)。結(jié)果顯示：測(cè)試6 件，整改前濾網(wǎng)斷裂5 件，整改后斷裂0 件。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步可判斷整改有效，但需要進(jìn)一步的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)來驗(yàn)證。接著我們搭載裝機(jī)了6 輪臺(tái)架耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

通過單品及臺(tái)架耐久試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，所采取的優(yōu)化措施是有效的，即OCV 濾網(wǎng)斷裂問題得到有效解決。

5 結(jié)論

影響濾網(wǎng)斷裂的因素有很多，需要排查外界環(huán)境對(duì)零部件本身的影響，然后分析故障件的斷口，最后從零部件的質(zhì)量、裝配、成型工藝、材料選擇及設(shè)計(jì)做逐一排查。其中更需要考慮的是如果是連續(xù)發(fā)生此問題，需要同步排查零部件的批次問題。因本文中分析的問題都在耐久臺(tái)架后期發(fā)生，基本可以鎖定的是零部件的材料強(qiáng)度有問題。所以需要重點(diǎn)檢查材料的選擇，尺寸的設(shè)計(jì)配合，最終形成有效的優(yōu)化方案。

找到問題原因后，對(duì)標(biāo)也是一種有效解決問題的方式。在解決濾網(wǎng)斷裂的問題過程中，我們對(duì)標(biāo)發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上常見的濾網(wǎng)類型有四種平面鋼絲編織型濾網(wǎng)、平面鋼板蝕刻型濾網(wǎng)、圓柱鋼絲編織型濾網(wǎng)、圓柱鋼板蝕刻型濾網(wǎng)。采用其他類型結(jié)構(gòu)的濾網(wǎng)也有可能解決此問題，但是受限于項(xiàng)目生產(chǎn)或者生產(chǎn)時(shí)間及供應(yīng)商的設(shè)計(jì)開發(fā)資源，一般會(huì)選擇最合適、樣件制作整改周期最短的方案進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)可以把其他方案作為備選方案儲(chǔ)備。

總之只要明確了OCV 濾網(wǎng)斷裂的真因，并依據(jù)具體的原因制定相應(yīng)的解決措施，問題就可以得到有效解決。