某柴油機(jī)氣門導(dǎo)管偏磨問題分析及應(yīng)用

雷淋森，周濤，張波

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某柴油機(jī)氣門導(dǎo)管偏磨問題分析及應(yīng)用

雷淋森，周濤，張波

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

針對在發(fā)動機(jī)試驗中和整車耐久試驗中出現(xiàn)氣門導(dǎo)管偏磨問題，從配套的氣門搖臂、挺柱、壓塊的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面對氣門導(dǎo)管偏磨原因進(jìn)行分析，找出問題點，通過對相關(guān)零部件進(jìn)行優(yōu)化，制定有效的整改方案，經(jīng)試驗驗證，導(dǎo)管偏磨問題得到了有效的解決。

氣門導(dǎo)管；偏磨；氣門搖臂；應(yīng)力

1 背景說明

某4DB發(fā)動機(jī)在經(jīng)過耐久試驗及兩萬公里路試后發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣門導(dǎo)管出現(xiàn)偏磨問題，磨損處在氣門導(dǎo)管下部，其他試驗完成的發(fā)動機(jī)上進(jìn)氣門導(dǎo)管也出現(xiàn)了不同程度磨損。

2 原因分析

2.1 調(diào)查分析

根據(jù)故障現(xiàn)狀原因分析確定氣門導(dǎo)管偏磨的原因是因為氣門桿部受到了側(cè)向力引起了氣門導(dǎo)管偏磨。導(dǎo)致氣門受到側(cè)向力的因素可能主要有幾點：1）門進(jìn)氣門搖臂液壓挺住球頭孔中心、大滾輪中心和搖臂前端與氣門壓塊接觸中心不再一條直線上，在運(yùn)動中造成搖臂受力傾斜，使氣門受到額外的側(cè)向力。 2）液壓挺柱孔傾斜布置，對搖臂施加斜向力。 3）搖臂與氣門壓塊之間是滑動摩擦，導(dǎo)致摩擦力大，氣門受到的側(cè)向力也大。

圖1 偏磨故障示意

2.2 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

2.2.1搖臂結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

根據(jù)搖臂的布置結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，當(dāng)凸輪位于基圓上時，H=1/3的氣門升程量，這樣可以減少搖臂尖端和搖臂橋的相對移動量，進(jìn)而可以減少作用在氣門桿上的側(cè)向力，減小偏磨。目前目標(biāo)機(jī)型的氣門升程量為7.99mm，實際進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的H為4.2mm，大于設(shè)計要求的2.7mm，搖臂與壓塊的相對位移較大。

2.2.2挺柱、搖臂受力分析

進(jìn)氣液壓挺住的布置上與搖臂非垂直布置，使搖臂對壓塊的滑動摩擦力較大，使氣門承受較大的側(cè)向力。

圖2 實際受力示意圖

進(jìn)氣搖臂的液壓挺住支撐點、搖臂與壓塊的接觸點、凸輪與搖臂的接觸中心線三點不在一直線上，使搖臂受力后會出現(xiàn)“傾斜”現(xiàn)象，造成搖臂與氣門壓塊的接觸點出現(xiàn)偏移，進(jìn)而對氣門施加一個側(cè)向力，搖臂與壓塊的接觸面為一弧面，搖臂與壓塊的接觸線較短，使搖臂的平穩(wěn)性不好。

圖3 搖臂、挺柱、壓塊實際接觸情況示意圖

3 方案制定與分析

根據(jù)氣門導(dǎo)管偏磨的原因分析，提出了改進(jìn)方案。將原有搖臂前端的圓弧面改成滾輪，用小滾輪與氣門壓塊進(jìn)行接觸代替原有的圓弧面與氣門壓塊接觸，將滑動摩擦改成了摩擦力更小的滾動摩擦。同時原有的圓弧面軸線方向上還有R100~265的弧度，這就導(dǎo)致在搖臂受力偏移時而傾斜。改進(jìn)后的搖臂由于采用滾輪與氣門壓塊線接觸，所以不會出現(xiàn)搖臂傾斜的現(xiàn)象。

圖4 新方案搖臂示意

圖5 氣門升程曲線對比

此方案的搖臂和現(xiàn)量產(chǎn)的搖臂是可以互換的，對已經(jīng)量產(chǎn)的發(fā)動機(jī)影響最小。改進(jìn)后的進(jìn)氣搖臂由于增加滾輪，所以整體質(zhì)量增加了，可能會在高轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生“飛脫現(xiàn)象”，同時對氣門升程也可能產(chǎn)生影響，搖臂本身結(jié)構(gòu)變化之后，強(qiáng)度也會產(chǎn)生影響，這些都需要進(jìn)行CAE分析計算。

計算結(jié)果顯示，改進(jìn)后的搖臂氣門最大升程由原來的7.77mm變成了7.74mm，變化很小，對發(fā)動機(jī)性能幾乎沒有影響。

圖6 搖臂與壓塊之間的接觸應(yīng)力分析

由上圖分析可見，雖然搖臂的質(zhì)量增加了，但是在發(fā)動機(jī)運(yùn)行中搖臂和氣門壓塊之間的接觸應(yīng)力始終大于零，所以不會出現(xiàn)“飛脫現(xiàn)象”。

圖7 搖臂小滾輪銷軸受力分析

搖臂與氣門壓塊之間的應(yīng)力最大為1000N，CAE按照2000N標(biāo)準(zhǔn)計算，結(jié)果顯示小滾輪銷軸的最大應(yīng)力為527MPa，遠(yuǎn)低于銷軸材料（GCr15）的本身抗拉強(qiáng)度極限（1620MPa）。

圖8 搖臂體受力分析計算

搖臂體同樣2000N的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，結(jié)果顯示搖臂體的最大應(yīng)力為559MPa，遠(yuǎn)低于材料（20CrNiMo）的抗拉強(qiáng)度極限（980MPa）。

綜上所述，采用改進(jìn)后的雙滾輪搖臂方案在理論上可行的。

4 試驗結(jié)果

圖9 新方案試驗結(jié)果

根據(jù)改進(jìn)后的方案，裝機(jī)進(jìn)行了100h超速試驗。試驗結(jié)果顯示氣門桿頭部磨損均勻，氣門壓塊與搖臂接觸的痕跡只有很窄的一條直線帶，凸輪軸和搖臂接觸面無明顯偏移磨痕，而后對試驗后的氣門導(dǎo)管進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖9。

從試驗結(jié)果上看，氣門導(dǎo)管的磨損量遠(yuǎn)小于0.07mm的試驗評價指標(biāo)，目標(biāo)達(dá)到。

5 總結(jié)

在氣門導(dǎo)管偏磨問題中，從配氣結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則出發(fā)，系統(tǒng)分析搖臂、氣門受力情況，通過調(diào)整配氣機(jī)構(gòu)中搖臂的設(shè)計，優(yōu)化受力面接觸模式，優(yōu)化改善氣門、搖臂壓塊間的受力點和受力均勻性，改善氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)。

[1] 郭海濤,卓斌,彭健等.發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中氣門一氣門導(dǎo)管摩擦副的潤滑研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2002,8 (7 ):96-101.

[2] 郭海濤,卓斌,彭健等.氣門一氣門座的摩擦學(xué)設(shè)計研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2001.19 (3).

[3] 廖曉山.汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)[M].長春:吉林人民出版社,1981.

[4] 吳國勝,付曉燕,李樹生.配氣傳動件對氣門導(dǎo)管的影響分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2011 (3) :11-13.

The Analysis and Application of Partial Wear Issue of Valve Guide ofSome Diesel Engine

Lei Linsen, Zhou Tao, Zhang Bo

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd.. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

To solve the valve guide partial wear issue occurred during engine test and vehicle enduring test, the valve rockers, tappets and package design are analyzed to identify the main cause. After optimization of related parts and improving plans are made, the partial wear of valve guide is eliminated effectively.

Valve Guide; Partial wear; Valve rocker; Stress

U464.13

A

1671-7988(2018)24-63-03

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1671-7988(2018)24-63-03

雷淋森，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.021