琚裕強，鐘宛余

(上汽通五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

氣門間隙測量值異常的原因分析及對策

琚裕強，鐘宛余

(上汽通五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

為查找發(fā)動機氣門間隙測量批量出現(xiàn)測量偏大或偏小的異常原因，對缸蓋測量站和凸輪軸測量站傳感器、傳感器測量位置、挺柱級別計算方法、PLC測量邏輯步驟等進行檢查。結(jié)果表明：挺柱級別計算算法、傳感器、傳感器測量位置、PLC邏輯等存在缺陷是造成測量異常的主要原因。通過修改計算方法、更換傳感器并調(diào)整位置、優(yōu)化測量邏輯程序，使氣門間隙測量值的合格率穩(wěn)定在97%。

氣門間隙；傳感器；計算方法；位置；邏輯

0 引言

發(fā)動機冷態(tài)氣門間隙，是為保證發(fā)動機在高負(fù)荷熱態(tài)狀況下配氣機構(gòu)正常工作而設(shè)置的。氣門間隙偏小時，會使氣門機構(gòu)早開晚閉，發(fā)動機溫度升高后，零件受膨脹自然伸長而自動頂開氣門，使氣門與氣門座關(guān)閉不嚴(yán)而引起漏氣，從而造成汽缸內(nèi)壓縮壓力下降并引發(fā)化油器回火，嚴(yán)重時會因燃燒不完全使氣門大量積炭，并在強大的廢氣流的沖刷下，最終形成氣門桿盤部燒蝕；若氣門間隙過大，氣門機構(gòu)將遲開早閉，不但使氣門的開啟時間縮短，還會造成進氣不足、排氣不暢并發(fā)出氣門敲擊異聲，嚴(yán)重時會產(chǎn)生疲勞損壞，造成氣門件的裂紋甚至斷裂[1-5]。所以合格的氣門間隙，對在熱態(tài)高負(fù)荷工作下，發(fā)動機的動力性能、排放性能、可靠性能起至關(guān)重要的作用。

本研究解決的發(fā)動機氣門間隙測量異常問題，主要是在測量算法不完善、測量設(shè)備及測量傳感器嚴(yán)重老化的情況下，展開對新工件測量、選配氣門挺柱的級別批量偏大或偏小的一個問題攻關(guān)，這個問題造成了發(fā)動機的大量返修和生產(chǎn)線的堵線，對發(fā)動機的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率造成重大影響。

1 氣門間隙測量異常原因分析

1.1氣門間隙測量原理

發(fā)動機均采用的是雙頂置式凸輪軸，V型氣門配置，每個氣門頂桿對應(yīng)一個凸輪軸桃形結(jié)構(gòu)，實際由于發(fā)動機缸蓋凸輪軸軸承孔加工誤差，及凸輪軸本身誤差，造成氣門挺桿與凸輪軸桃形結(jié)構(gòu)存在一定大小的間隙，一般為幾百微米左右。測量原理如圖1所示。

圖1 氣門間隙測量數(shù)學(xué)模型Fig.1 Mathematical model of valve clearance measurement

氣門間隙Gap=A1+A2-B1-T+Ec+KE。其中：A1為凸輪軸軸孔直徑；A2為凸輪軸軸孔底部數(shù)值+氣門桿頂部距離數(shù)值H；B1為凸輪軸軸孔頂部數(shù)值+凸輪軸基圓的1/2；T位所選挺柱厚度(待求值)；Ec為凸輪軸軸孔數(shù)值-凸輪軸軸頸數(shù)值；KE為系統(tǒng)補償值；Gap為進排氣測氣門間隙標(biāo)準(zhǔn)值。所需數(shù)據(jù)中：凸輪軸軸孔數(shù)值和氣門桿頂部距離數(shù)值H由缸蓋測量站測得，凸輪軸基圓和凸輪軸軸頸數(shù)值由凸輪軸測臺測得。

1.2氣門間隙測量異常原因分析

此工位之前凸輪軸測臺測量故障比較多、測量合格率低，經(jīng)過對測量算法分析和測量工件的統(tǒng)計，取消了凸輪軸動態(tài)測量功能，對凸輪軸主軸頸和基圓等測量值，在測量公式中寫定值參與工件的測量，計算相應(yīng)挺柱級別，這主要是基于凸輪軸工件加工尺寸在±2 μm之內(nèi)[6-8]，穩(wěn)定性比較好的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)賦定值測量合格率達到98%以上。

目前幾家凸輪軸供應(yīng)商加工尺寸差異比較大，采用賦定值測量算法，造成氣門間隙測量差異比較大，不同廠家的凸輪軸混合測量合格率只有30%～40%。為了提高氣門間隙測量合格率，啟用凸輪軸測臺動態(tài)測量是非常重要的，但是啟用凸輪軸測臺動態(tài)測量之后，復(fù)檢合格率只有40%左右。

從人、機、料、法、環(huán)5個方面分析氣門間隙測量異常原因[9-10]如下所述：

1)機械設(shè)備問題。

缸蓋測量站所有發(fā)動機機型缸蓋凸輪軸孔直徑和孔距都一樣，所以不存在機型切換引起的測量位置偏移和機械夾具位置動作不到位問題。

凸輪軸測量站有Master、MCE、N12、B12型號的凸輪軸，主要是軸長度、軸油孔有無不同(表1)，所以在生產(chǎn)相關(guān)機型時，凸輪軸測量臺夾緊頂尖必須變距才能實現(xiàn)不同凸輪軸的測量能力，設(shè)備改造供應(yīng)商在做MCE改造時，由于忽略除MCE機型以外其他機型發(fā)動機的生產(chǎn)，沒有設(shè)置其他機型凸輪軸的測量夾具位置，所以在生產(chǎn)非MCE機型發(fā)動機時，氣門間隙測量功能無法實現(xiàn)。

表1 油孔對比和凸輪軸長短對比Table 1 Comparison of oil hole and camshaft length

測量傳感器損壞老化和輸出值線性差(表2)，由于凸輪軸測量站傳感器長期使用賦定值測量，缺少維護和保養(yǎng)，傳感器的測量值誤差比較大或者已經(jīng)損壞，所以測量傳感器測量誤差大也是氣門間隙測量結(jié)果異常的主要原因。

2)凸輪軸物料問題。

MCE、N12機型凸輪軸供應(yīng)商為A廠家和B廠家，兩家生產(chǎn)的凸輪軸加工尺寸誤差差異比較大，如果使用賦值測量算法，無法滿足氣門間隙合格率要求。

圖2所示的A廠家凸輪軸加工尺寸誤差穩(wěn)定，精度控制在±3 μm之內(nèi)，這種加工尺寸可以用賦值法測量，也可以用動態(tài)測量，氣門間隙合格率可達到97%～98%。

表2 測量傳感器標(biāo)準(zhǔn)塞尺測量值差異對比Table 2 Comparison of measurement value of sensors μm

圖2 A廠家凸輪軸加工尺寸跳動Fig.2 Machining dimension beating of camshaft of manufacturer A

圖3所示的B廠家凸輪軸加工尺寸誤差穩(wěn)定性比較差，精度控制在±20 μm之內(nèi)，這種加工尺寸誤差用賦值法測量或用動態(tài)測量，氣門間隙合格率可達到50%～60%左右。

圖3 B廠家凸輪軸加工尺寸跳動Fig.3 Machining dimension beating of camshaft of manufacturer B

3)設(shè)備測量算法和PLC邏輯程序問題。

通過測量軟件On line前臺氣門間隙計算公式中T傳感器的調(diào)用和測量軟件On line后臺調(diào)用程序中對T傳感器的調(diào)用(表3)分析可知，正確的氣門間隙的結(jié)果與測量凸輪軸首尾主軸徑測量傳感器數(shù)值有關(guān)聯(lián)，公式問題處理前T測量傳感器的測量值在測量軟件On line后臺算法中沒有調(diào)用，這就是在測量設(shè)備啟用動態(tài)測量后，挺柱級別測量合格率[12]低的主要原因之一。

2 對策及措施驗證

針對機械設(shè)備問題：

1)重新設(shè)計凸輪軸測臺測量傳感器支架，傳感器固定孔全部左移1 mm，以避開凸輪軸油孔位置。油孔干涉問題傳感器支架設(shè)計圖紙如圖4所示。

經(jīng)過以上改造徹底解決因凸輪軸油孔與傳感器導(dǎo)向桿干涉問題，同時也適應(yīng)無油孔凸輪軸的測量。通過生產(chǎn)線近半年多生產(chǎn)驗證，沒有出現(xiàn)因油孔與傳感器干涉損壞傳感器的故障。

表3 軟件算法公式分析Table 3 Analysis of software algorithm formula

圖4 凸輪軸測量傳感器支架設(shè)計對比圖Fig.4 Comparison of design diagrams of camshaft sensor bracket

2)不同機型凸輪軸測量無法測量問題，通過增加變距氣缸、相應(yīng)的PLC邏輯程序、現(xiàn)場測量調(diào)試，實現(xiàn)了不同機型凸輪軸的測量，測量類型與測量動作見表4。

通過上述機型凸輪軸夾緊動作變距，解決了因凸輪軸測量臺無法滿足相關(guān)機型凸輪軸的測量工作，同進也消除了凸輪軸測量位置與傳感器位置不同，撞壞傳感器的風(fēng)險。

3)傳感器老化和輸出值線性度變差問題，通過調(diào)整測量傳感器的輸出等比值和更換新的傳感器，有效解決因傳感器本身性能差，引起的氣門間隙測量不合格問題。

等比值=

通過式(1)和更換嚴(yán)重老化傳感器，有效解決了因傳感器老化和輸出值線性度變差問題，使傳感器測量輸出值準(zhǔn)確率達98.5%。

表4 凸輪軸類型與氣缸動作Table 4 Camshaft type and cylinder action

針對測量算法問題，通過測量算法后臺增加測量公式與相關(guān)傳感器T關(guān)聯(lián)，使傳感器測量值參與到計算公式中，得到有效的氣門間隙測量結(jié)果(如表5凸輪軸直徑計算公式)。

表5 測量計算公式與測量傳感器關(guān)聯(lián)Table 5 Calculation formula related to sensor

通過以上對策和改進，氣門間隙測量值合格率穩(wěn)定在97%以上，有效解決了因氣門間隙測量不合格影響發(fā)動機的產(chǎn)出問題。

3 結(jié)論

1)氣門間隙測量值異常主要是由挺柱級別計算算法、傳感器、傳感器測量位置、PLC邏輯等存在缺陷是造成的。

2)引起氣門間隙測量值異常的機制為：測量傳感器導(dǎo)向桿與凸輪軸相互干涉；傳感器本身測量輸出誤差；測量軟件算法未與傳感器測量值相關(guān)聯(lián)；機型切換引起的測量位置偏移；機械夾具位置動作不到位。

3)針對測量中存在的缺陷，提出了相應(yīng)的改進措施：修改計算方法、更換傳感器并調(diào)整位置、優(yōu)化測量邏輯程序。改進措施實施后的生產(chǎn)驗證表明，氣門間隙測量值的合格率穩(wěn)定在97%。

[1] 樊堅興. 汽車發(fā)動機氣門彈簧斷裂原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2015,10(1):21-25.

[2] 王印. 發(fā)動機氣門間隙(機械式挺桿)測量與應(yīng)用[J]. 裝備制造技術(shù),2010(4):70-72.

[3] 楊連升. 內(nèi)燃機設(shè)計[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1981:55-57.

[4] 姚春德,何邦全,李萬眾. 車用發(fā)動機氣門間隙的確定與調(diào)整[J]. 小型內(nèi)燃機,1999,28(6):11-15.

[5] 羅轉(zhuǎn)翼,程桂芬. 隨機信號處理與控制基礎(chǔ)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:20-105.

[6] 胡廣書. 數(shù)字信號處理 理論、算法與實現(xiàn)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2003:330-333.

[7] 譚興宇. 拖拉機劇烈振動故障原因分析[J]. 農(nóng)機開發(fā)與裝備,2016(2):110.

[8] 王延榮,刁占英,熊畢偉,等. 柴油機連桿疲勞斷裂原因分析[J]. 車用發(fā)動機,2013(5):71-73.

[9] 邊遙. 電廠電氣運行故障原因分析[J]. 黑龍江科技信息,2016(8):19.

[10] 趙書紅. 電子天平檢定結(jié)果差異原因分析[J]. 黑龍江科技信息,2016(9):21.

[11] 趙婭. 發(fā)動機曲軸鑄造缺陷的原因分析與優(yōu)化[J]. 熱加工工藝,2016,45(8):247-249.

[12] 班君,鄭艷華,劉秀蓮,等. 航空發(fā)動機軸承剝落分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2016,11(6):377-382.

CauseAnalysisandSolutionofAbnormalMeasurementValueofValveClearance

JU Yu-qiang，ZHONG Wan-yu

(SAIC-GM-WulingAutomobileCo.,Ltd.,GuangxiLiuzhou545007,China)

The clearance measurement value of some batches of engine valves was abnormal, higher or lower than the practical value. In order to find out the measurement error, the senor, measurement location of sensor, tappet level algorithm and PLC logic procedure were checked. The results show that the deficiency of the tappet level algorithm, senor, measurement location of sensor, and PLC logic is the main cause for the abnormal measurement value. By modifying the calculation method, replacing the sensor, adjusting the location, and optimizing the measurement logic program, the measurement error of valve clearance has been sharply reduced, and the qualification rate of the measurement value stays stable at 97%.

valve clearance; sensor; calculation method; position; logic

2017年4月15日 [

] 2017年5月8日

琚裕強(1984年-)，男，碩士，工程師，主要從事電氣控制及測量檢測技術(shù)等方面的研究。

U464.1

Adoi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2017.03.010

1673-6214(2017)03-0190-05