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

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某四缸發(fā)動機(jī)氣門導(dǎo)管斷裂問題分析與解決

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-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘要：針對在發(fā)動機(jī)試驗中氣門導(dǎo)管偏磨及斷裂問題，從配氣機(jī)構(gòu)的布置，導(dǎo)管材料，導(dǎo)管的長度及包容長度，氣門與導(dǎo)管的配合，氣門小頭的尺寸等方面對氣門導(dǎo)管失效原因進(jìn)行分析，并制定了有效的整改方案。通過整改方案的實施，配氣布置及各相關(guān)零部件的優(yōu)化，經(jīng)試驗驗證，導(dǎo)管偏磨和斷裂問題得到了有效的解決。

關(guān)鍵詞：氣門導(dǎo)管配氣機(jī)構(gòu)偏磨斷裂

引言

隨著現(xiàn)代車用發(fā)動機(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)動機(jī)的重要組成部分，是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程和排氣過程的控制機(jī)構(gòu)[2]。其設(shè)計合理與否直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的動力性能、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)動機(jī)高功率、高速化，人們對其性能指標(biāo)的要求越來越高，要求其在高速運行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因而對其配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。通過對配氣機(jī)構(gòu)的失效形式進(jìn)行統(tǒng)計分析，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：氣門與氣門座、挺柱與配氣凸輪、氣門與氣門導(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)計過程中需要注意的幾個關(guān)鍵問題。

1問題描述

發(fā)動機(jī)在臺架試驗中先后出現(xiàn)了多次氣門機(jī)構(gòu)失效的故障，主要表現(xiàn)為氣門導(dǎo)管斷裂（見圖1），氣門導(dǎo)管偏磨（見圖2）等，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，試驗無法繼續(xù)進(jìn)行。

圖1　氣門導(dǎo)管斷裂

圖2　氣門導(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)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)正常運行的基礎(chǔ)，通過與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）搖臂相對于氣門小頭滑移速度偏大，搖臂與氣門小頭端接觸區(qū)域超出標(biāo)準(zhǔn)要求的氣門頭部圓中心以內(nèi)70%（直徑）區(qū)域（見圖3）；

2）氣門小頭端與搖臂弧端接觸不對稱（見圖4）；

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

4）氣門關(guān)閉時和氣門最大升程時刻，接觸點偏離氣門軸線位置；

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

圖3　氣門與搖臂的接觸區(qū)域

圖4　氣門與搖臂接觸區(qū)域

2.2導(dǎo)管材料

對我司C機(jī)型和標(biāo)桿機(jī)型材料成分進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示，我司C機(jī)型的氣門導(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，具體成分見表1，材料性能見圖5、圖6。

1）Cu含量的增加，有利于改善粉末冶金材料的潤滑性和導(dǎo)熱性；

表1　氣門導(dǎo)管材料對比

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

通過高溫性能對比：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氣門導(dǎo)管的長度及包容長度

1）校核發(fā)現(xiàn)氣門導(dǎo)管長度和標(biāo)準(zhǔn)要求相比偏短，具體見表2。

表2　氣門導(dǎo)管長度及包容長度對比

2）氣門導(dǎo)管與缸蓋的接觸長度稱為氣門導(dǎo)管的包容長度（見圖7），在配氣機(jī)構(gòu)的評價中，氣門導(dǎo)管包容長度有相關(guān)的要求，經(jīng)排查樣機(jī)氣門導(dǎo)管的包容長度偏小，氣門導(dǎo)管上、下端裸露較長，致使氣門導(dǎo)管抗變形能力差。

2.4氣門與氣門導(dǎo)管的配合間隙

圖7　氣門導(dǎo)管的包容長度

氣門-氣門導(dǎo)管是處于點接觸或線接觸的一對摩擦副，接觸區(qū)主要集中在氣門-氣門導(dǎo)管兩端的搖臂擺動平面內(nèi)。在發(fā)動機(jī)循環(huán)的大部分時間內(nèi)氣門處于最大傾斜狀態(tài)，與氣門導(dǎo)管兩端形成夾角接觸，造成較高的接觸應(yīng)力[5]。氣門與氣門導(dǎo)管的配合間隙（見表3）過大，將導(dǎo)致氣門不正常的傾斜及氣門提前落座，從而導(dǎo)致氣門導(dǎo)管偏磨。

表3　更改前的氣門配合間隙

通過與經(jīng)驗值進(jìn)行對比，氣門與氣門導(dǎo)管間隙偏大，對配氣機(jī)構(gòu)的運動不利，氣門-氣門導(dǎo)管的配合間隙是控制潤滑和磨損的主要依據(jù)。

3設(shè)計思路與問題解決

通過問題排查及其它項目的經(jīng)驗積累，總結(jié)出配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計思路如下：

3.1合理布置配氣機(jī)構(gòu)

對配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新布置，具體調(diào)整見（見圖8）。

1）液壓挺柱球心位置高于氣門小頭端：進(jìn)0.06；排-0.02；

通過上述調(diào)整，可以做到：

1）減小搖臂與氣門的相對滑移距離，使搖臂與氣門的接觸面積保證在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）使搖臂在氣門小頭端的位移位置對稱，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；

3）移動液壓挺柱孔位置，使氣門桿端與搖臂弧端接觸軌跡關(guān)于氣門中心對稱，以改善氣門機(jī)構(gòu)的運動狀況。

3.2增加氣門導(dǎo)管長度及氣門導(dǎo)管的包容長度

氣門導(dǎo)管長度由36 mm增加為40 mm，氣門導(dǎo)管包容長度由17 mm增大為23 mm，具體見圖9。

圖9　更改前后氣門導(dǎo)管包容長度

1）增加氣門導(dǎo)管長度，以改善氣門-氣門導(dǎo)管的導(dǎo)向和受力；

2）在缸蓋上增加氣門導(dǎo)管凸臺等，即增加氣門導(dǎo)管包容長度，以改善氣門導(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)短條樣或者線樣回聲于漿膜下。腸壁周圍存在顆粒狀或者點狀高回聲環(huán)繞。證實存在腸壁積氣。如果在門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，證實為門靜脈積氣。

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

氣門導(dǎo)管材料由5520更換銅導(dǎo)管，增強(qiáng)氣門導(dǎo)管的抗磨損能力；增大氣門桿直徑，減小氣門桿與氣門導(dǎo)管的配合間隙（見表5），以改善氣門運動可靠性；氣門-氣門導(dǎo)管間隙的減小，有利于減小氣門的晃動，改善氣門導(dǎo)管的受力情況。

表5　氣門與氣門導(dǎo)管間隙對比

3.4減小氣門小頭端的倒角尺寸

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

圖10　更改前小頭面積

圖11　更改后小頭面積

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

2）減小排氣門盤部直徑，排除氣門落座時與缸蓋干涉的風(fēng)險。

對以上四方面改善后進(jìn)行發(fā)動機(jī)可靠性試驗，氣門導(dǎo)管偏磨和氣門導(dǎo)管斷裂問題得到有效解決，保證了發(fā)動機(jī)試驗的正常進(jìn)行。

4　結(jié)論

1）通過調(diào)整配氣機(jī)構(gòu)的布置，有效降低了搖臂與氣門間的相對滑移速度和滑移距離，使搖臂與氣門的接觸面積保證在70%的范圍內(nèi)；氣門桿端與搖臂弧端接觸軌跡關(guān)于氣門中心對稱，以改善氣門機(jī)構(gòu)的運動狀況；

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

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

4）氣門-氣門導(dǎo)管間隙，在保證潤滑的前提下，有效降低了氣門在氣門導(dǎo)管中晃動的風(fēng)險；

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

6）配氣機(jī)構(gòu)布置和各零部件的優(yōu)化使氣門導(dǎo)管斷裂及偏磨問題得到有效的解決，保證項目開展的進(jìn)度和試驗的順利進(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：2095-8234（2015）03-0048-04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK413.4+3

作者簡介：趙衛(wèi)平（1986-），男，助理工程師，主要從事汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計。