某汽油發(fā)動機平衡軸殼體開裂的分析及優(yōu)化

尹建東 顧 鋒 趙乃博 甄洪梅 張 楊 王 磊

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著內(nèi)燃機技術(shù)的發(fā)展及油耗法規(guī)的日趨嚴格，輕量化、小排量增壓發(fā)動機的應(yīng)用越來越多，逐漸成為各大主機廠的研發(fā)熱點。小排量增壓發(fā)動機的振動問題一直是發(fā)動機設(shè)計無法避免的難點問題，現(xiàn)在普遍通過采用平衡軸設(shè)計來實現(xiàn)發(fā)動機一、二階往復(fù)慣性力的平衡，避免發(fā)動機及整車過大的振動，在保證壽命的同時提高發(fā)動機NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）性能，保障駕駛的舒適性和平順性[1-2]。

平衡軸的結(jié)構(gòu)開發(fā)是一個復(fù)雜的過程，一般直接布置安裝在發(fā)動機上，由于發(fā)動機工況比較惡劣且復(fù)雜，難免會導(dǎo)致平衡軸在工作過程中出現(xiàn)各種各樣的失效模式。在平衡軸設(shè)計開發(fā)過程中，需仔細論證，總結(jié)試驗過程中的失效案例[3]。本文將針對殼體開裂問題，從CAE 計算分析及結(jié)構(gòu)排查等方面進行詳細的分析，鎖定最終原因并提出整改方案。

1 問題描述

某汽油發(fā)動機在進行800 h 臺架耐久試驗時，出現(xiàn)了機油壓力突降的現(xiàn)象，突降量大約為30 kPa。停機拆機檢查，發(fā)現(xiàn)機油及機濾部分有大量鋁屑存在，進一步檢查平衡軸結(jié)構(gòu)，平衡軸殼體后端出現(xiàn)較大裂紋，屬于開裂異常情況，如圖1 所示。

圖1 平衡軸殼體開裂

2 原因分析

為方便排查殼體開裂可能存在的原因，及時鎖定問題所在，建立了問題分析魚刺圖，如圖2 所示。

圖2 魚刺圖

2.1 殼體設(shè)計問題排查

2.1.1 殼體強度

通過CAE 仿真分析，平衡軸殼體的最小疲勞安全系數(shù)出現(xiàn)在殼體后端附近區(qū)域，安全系數(shù)1.15，滿足＞1.1 的強度設(shè)計要求。對失效件進行斷口分析，裂紋無疲勞特征，細紋方向由內(nèi)而外，由后向前，結(jié)果表明殼體為外襯脫出后受平衡軸擠壓所致，如圖3所示。

圖3 殼體強度及斷口分析

2.1.2 外襯限位

平衡軸在運轉(zhuǎn)過程中，由于軸受力變形，導(dǎo)致外襯受到軸向力前移，平衡軸在無外襯的旋轉(zhuǎn)過程中擠壓滾針軸承，導(dǎo)致滾針軸承損壞，平衡軸及后端平衡重出現(xiàn)喇叭口式偏擺，將殼體打裂，如圖4 所示。

圖4 殼體失效分析

2.1.3 外襯過盈量

外襯在最大過盈情況下，殼體內(nèi)孔所承受的最大接觸壓力為156.99 MPa，小于材料許用應(yīng)力280 MPa，在最小過盈量情況下，140 ℃時外襯面壓＞0 MPa，滿足溫度極限情況下外襯不松脫的要求。

圖5 外襯面壓校核

2.2 殼體實物質(zhì)量問題排查

對失效平衡軸殼體進行硬度檢測，檢測結(jié)果分別為107HBW/108HBW/108HBW，均滿足（80～110）HBW 的設(shè)計要求；關(guān)鍵尺寸檢測均滿足設(shè)計要求，排除殼體實物質(zhì)量問題。

2.3 殼體裝配問題

檢查殼體制造工藝過程，外襯壓裝過程無問題，符合現(xiàn)場工藝裝配規(guī)范，可排除裝配原因。

2.4 排查結(jié)論

外襯無限位結(jié)構(gòu)，在平衡軸受力彎曲時，外襯受到軸向力逐漸松脫而前移，滾針軸承失去約束，平衡軸高速旋轉(zhuǎn)，不斷撞擊平衡軸殼體后端，導(dǎo)致平衡軸殼體開裂。

3 措施制定及驗證

平衡軸殼體外襯安裝孔處增加限位臺階，防止外襯受軸向推力移動脫出，如圖6 所示。

圖6 殼體增加限位孔

整改后樣件共完成多輪同工況發(fā)動機循環(huán)負荷耐久試驗，此類問題未復(fù)現(xiàn)，改善措施有效。

4 結(jié)論

文章針對某平衡軸殼體開裂問題，通過對失效殼體設(shè)計問題、質(zhì)量問題、裝配問題3 個方面進行排查，最終鎖定該問題屬于設(shè)計問題。通過制定優(yōu)化改進措施，最終有效地解決了平衡軸殼體開裂的問題，為平衡軸的設(shè)計積累了豐富的開發(fā)經(jīng)驗。