趙衛(wèi)平劉義佳王　浩丁行虎楊艷軍郄彥麗劉金勇（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

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某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)導(dǎo)管斷裂問(wèn)題分析與解決

趙衛(wèi)平1，2劉義佳1，2王浩1，2丁行虎1，2楊艷軍1，2郄彥麗1，2劉金勇1，2
（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

摘要：針對(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中氣門(mén)導(dǎo)管偏磨及斷裂問(wèn)題，從配氣機(jī)構(gòu)的布置，導(dǎo)管材料，導(dǎo)管的長(zhǎng)度及包容長(zhǎng)度，氣門(mén)與導(dǎo)管的配合，氣門(mén)小頭的尺寸等方面對(duì)氣門(mén)導(dǎo)管失效原因進(jìn)行分析，并制定了有效的整改方案。通過(guò)整改方案的實(shí)施，配氣布置及各相關(guān)零部件的優(yōu)化，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)管偏磨和斷裂問(wèn)題得到了有效的解決。

關(guān)鍵詞：氣門(mén)導(dǎo)管配氣機(jī)構(gòu)偏磨斷裂

引言

隨著現(xiàn)代車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及環(huán)保法規(guī)的不斷嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)向高經(jīng)濟(jì)性、高功率密度、高可靠性和低排放的方向發(fā)展[1]。配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程和排氣過(guò)程的控制機(jī)構(gòu)[2]。其設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性[3-4]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高功率、高速化，人們對(duì)其性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高，要求其在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因而對(duì)其配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。通過(guò)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的失效形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明配氣機(jī)構(gòu)的耐久性主要由下列摩擦副的耐磨性決定：氣門(mén)與氣門(mén)座、挺柱與配氣凸輪、氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管、挺柱與機(jī)體及搖臂與搖臂軸[5]。本文結(jié)合一款四缸直噴汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)失效案例，詳細(xì)闡述了配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1問(wèn)題描述

發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)中先后出現(xiàn)了多次氣門(mén)機(jī)構(gòu)失效的故障，主要表現(xiàn)為氣門(mén)導(dǎo)管斷裂（見(jiàn)圖1），氣門(mén)導(dǎo)管偏磨（見(jiàn)圖2）等，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

圖1　氣門(mén)導(dǎo)管斷裂

圖2　氣門(mén)導(dǎo)管偏磨

2原因分析

2.1配氣機(jī)構(gòu)的布置

配氣機(jī)構(gòu)的布置是整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的核心，合理的配氣機(jī)構(gòu)布置是保證發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，通過(guò)與AVL公司合作發(fā)現(xiàn)我司C機(jī)型配氣機(jī)構(gòu)布置不合理，主要表現(xiàn)為：

1）搖臂相對(duì)于氣門(mén)小頭滑移速度偏大，搖臂與氣門(mén)小頭端接觸區(qū)域超出標(biāo)準(zhǔn)要求的氣門(mén)頭部圓中心以?xún)?nèi)70%（直徑）區(qū)域（見(jiàn)圖3）；

2）氣門(mén)小頭端與搖臂弧端接觸不對(duì)稱(chēng)（見(jiàn)圖4）；

3）氣門(mén)關(guān)閉時(shí)液壓挺柱球心布置在氣門(mén)小頭頂面上方，滾子搖臂仰角偏小，氣門(mén)桿端存在偏磨風(fēng)險(xiǎn)；

4）氣門(mén)關(guān)閉時(shí)和氣門(mén)最大升程時(shí)刻，接觸點(diǎn)偏離氣門(mén)軸線(xiàn)位置；

5）搖臂弧端的滑移量和滑移速度偏大，氣門(mén)桿端可承受接觸力將變小，這將加劇氣門(mén)桿端的磨損。

圖3　氣門(mén)與搖臂的接觸區(qū)域

圖4　氣門(mén)與搖臂接觸區(qū)域

2.2導(dǎo)管材料

對(duì)我司C機(jī)型和標(biāo)桿機(jī)型材料成分進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示，我司C機(jī)型的氣門(mén)導(dǎo)管材料，Cu和鉬含量的成分相比標(biāo)桿機(jī)型偏低，高溫性能較差，具體成分見(jiàn)表1，材料性能見(jiàn)圖5、圖6。

1）Cu含量的增加，有利于改善粉末冶金材料的潤(rùn)滑性和導(dǎo)熱性；

表1　氣門(mén)導(dǎo)管材料對(duì)比

2）鉬元素的增加，有利于提高粉末冶金材料的耐磨性和抗腐蝕性。

圖5　極限強(qiáng)度

圖6　高溫強(qiáng)度變化

通過(guò)高溫性能對(duì)比：銅導(dǎo)管在350℃左右的溫度下，極限強(qiáng)度明顯高于粉末冶金；

2.3氣門(mén)導(dǎo)管的長(zhǎng)度及包容長(zhǎng)度

1）校核發(fā)現(xiàn)氣門(mén)導(dǎo)管長(zhǎng)度和標(biāo)準(zhǔn)要求相比偏短，具體見(jiàn)表2。

表2　氣門(mén)導(dǎo)管長(zhǎng)度及包容長(zhǎng)度對(duì)比

2）氣門(mén)導(dǎo)管與缸蓋的接觸長(zhǎng)度稱(chēng)為氣門(mén)導(dǎo)管的包容長(zhǎng)度（見(jiàn)圖7），在配氣機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)中，氣門(mén)導(dǎo)管包容長(zhǎng)度有相關(guān)的要求，經(jīng)排查樣機(jī)氣門(mén)導(dǎo)管的包容長(zhǎng)度偏小，氣門(mén)導(dǎo)管上、下端裸露較長(zhǎng)，致使氣門(mén)導(dǎo)管抗變形能力差。

2.4氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管的配合間隙

圖7　氣門(mén)導(dǎo)管的包容長(zhǎng)度

氣門(mén)-氣門(mén)導(dǎo)管是處于點(diǎn)接觸或線(xiàn)接觸的一對(duì)摩擦副，接觸區(qū)主要集中在氣門(mén)-氣門(mén)導(dǎo)管兩端的搖臂擺動(dòng)平面內(nèi)。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的大部分時(shí)間內(nèi)氣門(mén)處于最大傾斜狀態(tài)，與氣門(mén)導(dǎo)管兩端形成夾角接觸，造成較高的接觸應(yīng)力[5]。氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管的配合間隙（見(jiàn)表3）過(guò)大，將導(dǎo)致氣門(mén)不正常的傾斜及氣門(mén)提前落座，從而導(dǎo)致氣門(mén)導(dǎo)管偏磨。

表3　更改前的氣門(mén)配合間隙

通過(guò)與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管間隙偏大，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不利，氣門(mén)-氣門(mén)導(dǎo)管的配合間隙是控制潤(rùn)滑和磨損的主要依據(jù)。

3設(shè)計(jì)思路與問(wèn)題解決

通過(guò)問(wèn)題排查及其它項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累，總結(jié)出配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)思路如下：

3.1合理布置配氣機(jī)構(gòu)

對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新布置，具體調(diào)整見(jiàn)（見(jiàn)圖8）。

1）液壓挺柱球心位置高于氣門(mén)小頭端：進(jìn)0.06；排-0.02；

通過(guò)上述調(diào)整，可以做到：

1）減小搖臂與氣門(mén)的相對(duì)滑移距離，使搖臂與氣門(mén)的接觸面積保證在70%的范圍內(nèi)；

圖8　配氣布置的修改示意圖

表4　配氣修改前后分析結(jié)果

2）使搖臂在氣門(mén)小頭端的位移位置對(duì)稱(chēng)，避免某一側(cè)超出范圍，導(dǎo)致滑脫和側(cè)向力大的風(fēng)險(xiǎn)；

3）移動(dòng)液壓挺柱孔位置，使氣門(mén)桿端與搖臂弧端接觸軌跡關(guān)于氣門(mén)中心對(duì)稱(chēng)，以改善氣門(mén)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況。

3.2增加氣門(mén)導(dǎo)管長(zhǎng)度及氣門(mén)導(dǎo)管的包容長(zhǎng)度

氣門(mén)導(dǎo)管長(zhǎng)度由36 mm增加為40 mm，氣門(mén)導(dǎo)管包容長(zhǎng)度由17 mm增大為23 mm，具體見(jiàn)圖9。

圖9　更改前后氣門(mén)導(dǎo)管包容長(zhǎng)度

1）增加氣門(mén)導(dǎo)管長(zhǎng)度，以改善氣門(mén)-氣門(mén)導(dǎo)管的導(dǎo)向和受力；

2）在缸蓋上增加氣門(mén)導(dǎo)管凸臺(tái)等，即增加氣門(mén)導(dǎo)管包容長(zhǎng)度，以改善氣門(mén)導(dǎo)管的受力和傳熱。

1.2.2 B超檢查標(biāo)準(zhǔn) 受試者體回聲出現(xiàn)于腸壁粘膜下方，呈現(xiàn)短條樣或者線(xiàn)樣回聲于漿膜下。腸壁周?chē)嬖陬w粒狀或者點(diǎn)狀高回聲環(huán)繞。證實(shí)存在腸壁積氣。如果在門(mén)靜脈主干或者其他主要分支中出現(xiàn)串珠樣以及氣泡樣高回聲，證實(shí)為門(mén)靜脈積氣。

3.3更改氣門(mén)導(dǎo)管的材料，優(yōu)化氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管的配合

氣門(mén)導(dǎo)管材料由5520更換銅導(dǎo)管，增強(qiáng)氣門(mén)導(dǎo)管的抗磨損能力；增大氣門(mén)桿直徑，減小氣門(mén)桿與氣門(mén)導(dǎo)管的配合間隙（見(jiàn)表5），以改善氣門(mén)運(yùn)動(dòng)可靠性；氣門(mén)-氣門(mén)導(dǎo)管間隙的減小，有利于減小氣門(mén)的晃動(dòng)，改善氣門(mén)導(dǎo)管的受力情況。

表5　氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管間隙對(duì)比

3.4減小氣門(mén)小頭端的倒角尺寸

氣門(mén)小頭端的倒角由0.5±0.2×45°±1°更改為0.5±0.2×20°；氣門(mén)小頭端面積19 mm2增大為24 mm2，具體見(jiàn)圖10、圖11。

圖10　更改前小頭面積

圖11　更改后小頭面積

1）更改氣門(mén)桿端倒角，增大氣門(mén)桿頂端面積，減小氣門(mén)與搖臂飛脫的風(fēng)險(xiǎn)；

2）減小排氣門(mén)盤(pán)部直徑，排除氣門(mén)落座時(shí)與缸蓋干涉的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)以上四方面改善后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)，氣門(mén)導(dǎo)管偏磨和氣門(mén)導(dǎo)管斷裂問(wèn)題得到有效解決，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

4　結(jié)論

1）通過(guò)調(diào)整配氣機(jī)構(gòu)的布置，有效降低了搖臂與氣門(mén)間的相對(duì)滑移速度和滑移距離，使搖臂與氣門(mén)的接觸面積保證在70%的范圍內(nèi)；氣門(mén)桿端與搖臂弧端接觸軌跡關(guān)于氣門(mén)中心對(duì)稱(chēng)，以改善氣門(mén)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況；

2）氣門(mén)導(dǎo)管和氣門(mén)導(dǎo)管包容長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，有效改善了氣門(mén)導(dǎo)管的受力情況，降低氣門(mén)導(dǎo)管的偏磨風(fēng)險(xiǎn)；

3）氣門(mén)導(dǎo)管材料更改，增強(qiáng)了氣門(mén)導(dǎo)管本身的抗磨損能力，增強(qiáng)氣門(mén)導(dǎo)管的適應(yīng)性；

4）氣門(mén)-氣門(mén)導(dǎo)管間隙，在保證潤(rùn)滑的前提下，有效降低了氣門(mén)在氣門(mén)導(dǎo)管中晃動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；

5）減小氣門(mén)小頭端的倒角，增大氣門(mén)桿頂端面積，減小氣門(mén)與搖臂飛脫的風(fēng)險(xiǎn)；

6）配氣機(jī)構(gòu)布置和各零部件的優(yōu)化使氣門(mén)導(dǎo)管斷裂及偏磨問(wèn)題得到有效的解決，保證項(xiàng)目開(kāi)展的進(jìn)度和試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

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The Analysis and Solution on Fracture of
Valve Guide for a Four Cylinder Engine

Zhao Weiping1，2，Liu Yijia1，2，Wang Hao1，2，Ding Xinghu1，2，
Yang Yanjun1，2，Qie Yanli1，2，Liu Jinyong1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology＆Research Center

Abstract：This paper shows eccentric wear and fracture problems on valve guide of engine in the reliable test. And some possible failure caused by the layout of valve mechanism，valve guide material，the length of valve guide and its tolerance，fitting accuracy between valve and guide，and the size of its small end are analyzed. Through the implementation of the optimizing scheme that optimizing the layout of valve mechanism and related components，it has been verified by experiment that the eccentric wear and fracture problems have been solved effectively.

Keywords：Valve guide，Valve mechanism，Eccentric wear，F(xiàn)racture

收稿日期：（2015-03-25）

文章編號(hào)：2095-8234（2015）03-0048-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TK413.4+3

作者簡(jiǎn)介：趙衛(wèi)平（1986-），男，助理工程師，主要從事汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。