增壓汽油機正時系統(tǒng)故障分析及改進

羅劍坤，羅富勝，張春龍，李 忠，洪志宇

（江鈴汽車股份有限公司動力總成研究院，江西南昌 330200）

0 引言

發(fā)動機臺架耐久試驗是發(fā)動機DV（Design Verification，設計驗證）可靠性的主要手段，通過發(fā)動機臺架測功機耐久試驗，可以快速驗證發(fā)動機的疲勞、磨損等失效模式。本文研究的增壓汽油發(fā)動機就是在臺架耐久過程中識別出前蓋板正時系統(tǒng)故障[1-2]。

1 故障描述

本研究的增壓汽油發(fā)動機前蓋板正時系統(tǒng)見圖1。在耐久試驗過程中增壓汽油發(fā)動機出現(xiàn)無法啟動現(xiàn)象，拆解發(fā)現(xiàn)是鏈條固定導板斷裂導致正時系統(tǒng)故障所致（圖2）。更換同種狀態(tài)的鏈條固定導板繼續(xù)耐久，相同故障再次出現(xiàn)，該故障共有4 起案例（表1）。

圖1 發(fā)動機前蓋板正時系統(tǒng)

表1 4 起失效案例對應的信息

圖2 鏈條固定導板斷裂

2 CAE 仿真

鏈條導板的斷裂讓相關人員對鏈條導板的強度表示質(zhì)疑，因此進行了再次的仿真分析校核。單獨對鏈條固定導板進行仿真[3-4]分析，發(fā)現(xiàn)強度滿足安全系數(shù)要求（圖3）。

通過CAE（Computer Aided Engineering，工程設計中的計算機輔助工程）仿真分析，安全系數(shù)在1.6 以上，且在鏈條導板螺栓安裝處受力最大（圖3b））大于1.5，理論上可以接受。

圖3 鏈條固定導板CAE 仿真

3 NVH 共振測試

在發(fā)動機正時系統(tǒng)及周圍貼傳感器、皮帶輪處安裝角標儀等，發(fā)動機暖機完成后，從低速（1000 r/min/100%）120 s 平穩(wěn)拉升到高速6000 r/min/100%，采集數(shù)據(jù)。發(fā)動機在運行（試驗）過程中，鏈條的受力將在緊和松之間反復轉換，在這種情況下鏈條導板容易發(fā)生z 向運動（該方向和鏈條導板襯套竄動的方向一致）。在4200 r/min 開始鏈條導板襯套的竄動逐漸增大，在5200～6000 r/min 擺動幅度達到最大、達到5 mm，遠超出可接受值1 mm[5]（圖4）。

圖4 鏈條導板襯套竄動量

將鏈條的竄動及共振一起考慮進去再次進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)鏈條固定導板安裝固定處最容易出現(xiàn)失效。這與試驗過程中出現(xiàn)的失效位置相吻合。

分析結果顯示安全系數(shù)是1.296（源自LCF（Low Cycle Fatigue Test）試驗斷裂的鏈條導板），低于接受值（不小于1.5）。

4 耐久試驗工況

火花塞熱值匹配試驗是在發(fā)動機火花塞溫度最高和最低的區(qū)域運行，以評估火花塞熱值、點火間隙、點火能量等。因此發(fā)動機所以轉速的滿負荷（外特性）區(qū)域均需要運行。

低周疲勞試驗目的主要是考核發(fā)動機氣缸蓋及氣缸墊設計的可靠性。發(fā)動機失效形式：從啟動到達到最高設計冷卻液出口溫度的循環(huán)條件下，氣缸蓋在溫差應力作用下可能產(chǎn)生的低周疲勞。每個循環(huán)0.078 h，共4400 個循環(huán)，整個試驗耐久小時為342 h（圖5）。

圖5 低周疲勞試驗工況

試驗有2/3 左右的時間需運行5200 r/min/100%，而高周疲勞試驗有4/7 左右時間需運行在4000 r/min 以上，1/3 左右時間需運行在5200 r/min/100%工況。

高周疲勞試驗目的是評估發(fā)動機最大扭矩及最大功率[6]下的耐久性，主要考核發(fā)動機的“硬失效”模式。發(fā)動機可能的失效模式：發(fā)動機關鍵5C 件的高周疲勞。每個循環(huán)3.85 h，共70 個循環(huán)，整個試驗耐久小時為270 h（圖6）。

圖6 高周疲勞試驗工況

通過對火花塞熱值匹配試驗、高周疲勞試驗和高周疲勞試驗發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在高轉速區(qū)域（4200～6000 r/min）占有很大比重。而發(fā)動機在這部分區(qū)域運行的過程中鏈條導板襯套竄動嚴重，和鏈條導板襯套固定的鏈條導板受力很大、竄動產(chǎn)生很大位移及沖擊，導致鏈條固定導板迅速疲勞、斷裂[6]。與故障情況吻合。

5 設計優(yōu)化

通過以上分析發(fā)現(xiàn)該鏈條導板襯套在低周疲勞試驗、高周疲勞試驗運行時，由于需要在高轉速（4000 r/min 以上）運行，而該區(qū)域鏈條導板襯套竄動量大，導致鏈條導板強度不夠，從而斷裂。因此需要減小鏈條導板襯套在的竄動量。通過導板設計變更，限制鏈條竄動的擺幅（圖7）。

圖7 鏈條導板改進前后示意

設變后再次進行NVH（Noise，Vibration，Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）共振測試，發(fā)現(xiàn)設變后竄動量有明顯的改善，并且所有轉速區(qū)域竄動量在可接受范圍（小于1 mm）內(nèi)（圖8）。改進前，發(fā)動機速在4200 r/min 以上時，鏈條導板竄動位移嚴重超過可接近標準，不可接受；改進后，發(fā)動機速在高速時，鏈條導板竄動位移雖增大但未超過1 mm，在可接受標準內(nèi)。

圖8 改進前后竄動量對比

6 臺架耐久試驗驗證

將設變后的鏈條固定導板搭載到發(fā)動機上重新啟動前面因鏈條固定導板導致正時系統(tǒng)故障而終止的試驗。試驗結果如圖9 所示，其中“hrs”即“小時”。

圖9 鏈條導板襯套改進前后試驗結果

342 h 低周疲勞試驗切換新狀態(tài)的鏈條導板重新試驗時順利通過耐久；270 h 高周疲勞試驗切換新狀態(tài)的鏈條導板重新試驗時順利通過耐久；800 h Global Engine System Test（全球發(fā)動機系統(tǒng)測試）（模擬顧客道路使用循環(huán)試驗）搭載新狀態(tài)的鏈條導板試驗時順利通過耐久。所有試驗均順利通過耐久。

此外還新增了生產(chǎn)裝配驗證試驗。150 h 低周疲勞試驗、150 h 高周疲勞試驗及兩個10 h 質(zhì)量確認試驗搭載新狀態(tài)的鏈條導板試驗時順利通過耐久。生產(chǎn)裝配驗證通過，改進效果顯著。