時(shí)武林，郭彥豆，楊寨興

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)怠速異響原因分析及改進(jìn)

時(shí)武林，郭彥豆，楊寨興

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西柳州545005）

針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)怠速異響，通過(guò)運(yùn)用7鉆質(zhì)量解決流程方法分析得出氣門(mén)怠速異響為氣門(mén)油封泄漏量不夠及氣門(mén)不旋轉(zhuǎn)引起，根據(jù)結(jié)果深入分析根本原因和改進(jìn)方案，并驗(yàn)證方案的正確性。

發(fā)動(dòng)機(jī)；怠速異響；氣門(mén)油封；氣門(mén)旋轉(zhuǎn)；泄漏量

柳州五菱柳機(jī)新項(xiàng)目SOP階段初始，某發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車(chē)跑路試，1萬(wàn)公里左右反饋發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)怠速異響，發(fā)出“哧哧”響聲，嚴(yán)重影響駕駛的舒適性能，引起抱怨，且故障比例高，大約10%的發(fā)動(dòng)機(jī)存在此現(xiàn)象。本文就針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)異響故障進(jìn)行問(wèn)題查找，原因分析，并對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，并試驗(yàn)驗(yàn)證方案的正確性。

1 異響定義

正常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)以不同的工況運(yùn)行時(shí)，雖然發(fā)出的聲響的頻率、波長(zhǎng)、聲級(jí)、衰減系數(shù)不同，但都有一定的規(guī)律和范圍。倘若在運(yùn)轉(zhuǎn)中伴隨著其他聲響（如間歇的金屬敲擊聲，連續(xù)的金屬敲擊聲，連續(xù)的金屬干摩擦聲等），即表明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，所伴隨的聲響即為異常響聲，通稱為異響。異響分為燃燒時(shí)產(chǎn)生的不正常響聲及曲柄連桿與配氣機(jī)械金屬敲擊聲，配氣機(jī)械金屬敲擊聲是某些配合零件自然磨損使其間隙過(guò)大、潤(rùn)滑不良、緊固松曠或修理調(diào)整不當(dāng)使其配合間隙失準(zhǔn)而產(chǎn)生的敲擊聲。

2 故障查找

發(fā)動(dòng)機(jī)故障為氣門(mén)部位發(fā)出的“哧哧”聲，異響轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在怠速，頻率為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一半，排氣側(cè)較明顯。拆下進(jìn)、排氣歧管，在氣門(mén)桿上涂上機(jī)油故障消除，運(yùn)行4 h后異響重現(xiàn)。拆下缸蓋罩及挺柱，轉(zhuǎn)動(dòng)氣門(mén)隨機(jī)一角度個(gè)角度，異響消失，試驗(yàn)室耐久試驗(yàn)運(yùn)行100 h故障不重現(xiàn)。拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)氣門(mén)異常磨損，氣門(mén)桿配合處一邊磨損嚴(yán)重，具體如圖1所示。

圖1 氣門(mén)異常磨損圖

經(jīng)排查分析，該機(jī)型為本公司成熟產(chǎn)品的變型機(jī)，基礎(chǔ)機(jī)型從未出現(xiàn)過(guò)該問(wèn)題。通過(guò)故障7鉆質(zhì)量解決流程方法快速查找問(wèn)題，分析如表1所列。

表1 差異性對(duì)比

通過(guò)表1分析結(jié)果可得，造成本次故障的主要原因?yàn)闅忾T(mén)油封設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致，因采用不同供應(yīng)商，油封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同。通過(guò)對(duì)油封泄漏量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泄漏量偏低。綜上分析，導(dǎo)致異響及氣門(mén)異常磨損可能是由兩個(gè)原因引起：

（1）氣門(mén)不旋轉(zhuǎn)。

（2）氣門(mén)油封泄漏量不夠。

3 原因分析

3.1 氣門(mén)旋轉(zhuǎn)分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用非主動(dòng)旋轉(zhuǎn)型氣門(mén)機(jī)構(gòu)，單槽鎖夾，旋轉(zhuǎn)方向及速度為隨機(jī)的，主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和氣門(mén)彈簧特性；氣門(mén)彈簧壓縮過(guò)程中，端面旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算，如公式（1）所示。

氣門(mén)彈簧主要尺寸有：彈簧絲直徑d、彈簧圈外徑D、彈簧圈內(nèi)徑D1、彈簧圈外徑D2、節(jié)距t、高度H、螺紋升角α等。彈簧長(zhǎng)度與圈數(shù)的關(guān)系如下：

式中，L為彈簧絲總長(zhǎng)，n0為總?cè)?shù)，α為螺紋升角，當(dāng)彈簧從高度H1壓縮到H2時(shí)，彈簧絲長(zhǎng)度L不變，彈簧圈中經(jīng)D2不變，螺紋升角α變小，cosα變大，總?cè)?shù)n0變大。氣門(mén)彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣門(mén)彈簧結(jié)構(gòu)

該發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧初始高度H1=33.88 mm，初始螺旋升角α1=4.98°，排氣門(mén)升程8.8 mm，彈簧壓縮到氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的高度H2=H1-8.8 mm，壓縮終止螺紋升角α2=3.26°根據(jù)公式（1）計(jì)算出彈簧圈數(shù)變化量△n.

由上式得出：排氣門(mén)彈簧在壓縮過(guò)程中，端面旋轉(zhuǎn)5.89°.同理可得出進(jìn)氣門(mén)彈簧端面旋轉(zhuǎn)6.47°.氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，過(guò)程與上述相反，端面回到壓縮開(kāi)始的位置。

該機(jī)型氣門(mén)彈簧為單槽氣門(mén)機(jī)構(gòu)如圖3所示，采用右旋彈簧，在壓縮過(guò)程中彈簧上平面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)彈簧上座逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，上座帶動(dòng)氣門(mén)鎖夾，鎖夾驅(qū)動(dòng)氣門(mén)做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；在彈簧回位過(guò)程中，彈簧上平面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)上述力的傳遞，氣門(mén)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作在中低速時(shí)，上述兩種不同方向的運(yùn)動(dòng)相對(duì)平衡，表現(xiàn)為氣門(mén)不旋轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí)，這種平衡被打破，如果彈簧壓縮過(guò)程中的切向力占主導(dǎo)地位，氣門(mén)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖3 單槽夾裝氣門(mén)機(jī)構(gòu)

故從理論上設(shè)計(jì)是沒(méi)有問(wèn)題，氣門(mén)不旋轉(zhuǎn)可能為其他原因卡滯所致。

3.2 氣門(mén)油封泄漏量問(wèn)題

新氣門(mén)油封泄漏量要求為0.005～0.449 ml/10h，經(jīng)檢測(cè)，氣門(mén)油封泄漏量值最小的有0.001 ml/10h，泄漏量偏小，導(dǎo)致氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管潤(rùn)滑不足干摩擦。影響氣門(mén)油封泄漏量的因素有很多，主要有橡膠硬度、唇口直徑D、唇口r角、R值、油面角α、氣面角β、唇口彈簧徑向力f等有關(guān)。

3.2.1 橡膠硬度

橡膠硬度及性能是內(nèi)部保密配方，膠料滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求即可，這里不做分析。

3.2.2 氣門(mén)油封加環(huán)內(nèi)徑唇口直徑D

通過(guò)對(duì)比，基本機(jī)型的進(jìn)、排氣門(mén)油封單獨(dú)設(shè)計(jì)，進(jìn)氣門(mén)加黃內(nèi)徑D為ф4.5±0.2 mm，排氣門(mén)ф4.6±0.2 mm，而新機(jī)型為了裝配工藝一致性，進(jìn)、排氣門(mén)油封采用相同設(shè)計(jì)，統(tǒng)一變?yōu)椐?.4±0.2 mm.

3.2.3 氣門(mén)油封主唇角r

氣門(mén)油封主唇角圓弧r與通過(guò)氣門(mén)桿油封機(jī)油泄漏量關(guān)系如圖4所示，圓弧r半徑過(guò)大時(shí)，通過(guò)油封的機(jī)油耗量增加，是因?yàn)樵跉忾T(mén)桿相對(duì)于油封的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磨損發(fā)生于主唇范圍和閥桿的行程長(zhǎng)度長(zhǎng)，主唇角圓弧r的增加會(huì)使磨損增加，從而導(dǎo)致通過(guò)油封的機(jī)油耗量增加。該機(jī)型唇尖r采用0.25 mm。

圖4 主唇角圓弧r與泄漏量關(guān)系曲線

3.2.4 氣門(mén)油封油面角α

油面角α.α越大，通過(guò)氣門(mén)桿油封的機(jī)油量越少，如圖5所示，這是因?yàn)榻佑|角α越大，氣門(mén)下行打開(kāi)時(shí)密封唇向上的刮油力越大，接觸角α的應(yīng)用范圍一般在30°～60°之間。該機(jī)型氣門(mén)油封油面角α采用35°設(shè)計(jì)。

圖5 油面角α與泄漏量關(guān)系曲線

3.2.5 氣門(mén)油封氣面角β

氣面角β.氣面角β與通過(guò)氣門(mén)桿油封機(jī)油量關(guān)系如圖4所示，隨著氣面角β的增加通過(guò)氣門(mén)桿油封的機(jī)油量增加，這是因?yàn)槿紵覀?cè)氣面角β增加，在氣門(mén)下行打開(kāi)時(shí)，密封角向上刮油的支承剛度下降，從而使機(jī)油通過(guò)油封的耗量增加。該機(jī)型氣門(mén)油封氣面角β采用15°設(shè)計(jì)。

圖6 氣面角α與泄漏量關(guān)系曲線

3.2.6 氣門(mén)油封R值

油封唇口與彈簧槽中心的軸向距離，與泄漏量的關(guān)系如圖7所示，R越大通過(guò)氣門(mén)油封的機(jī)油量越小，這是因?yàn)镽越大，彈簧作用力偏高作用點(diǎn)即主唇角越遠(yuǎn)，繞主唇角產(chǎn)生的向上的刮油力矩越大，從而減少了通過(guò)氣門(mén)油封的機(jī)油量，R值一般在0.2～0.8 mm之間。該機(jī)型氣門(mén)油封R值采用0.3設(shè)計(jì)。

圖7 R值與泄漏量關(guān)系曲線

3.2.7 氣門(mén)油封徑向力F

徑向力F與泄漏量的關(guān)系如圖8所示，徑向力越大，通過(guò)氣門(mén)桿油封的潤(rùn)滑劑量越少，這很容易理解，但徑向力過(guò)大必將導(dǎo)致密封角與氣門(mén)桿之間的磨損嚴(yán)重，甚至?xí)斐擅芊獯诫S氣門(mén)桿上下運(yùn)動(dòng)而沿軸向擺動(dòng)，產(chǎn)生“泵效應(yīng)”，致使密封失效。該機(jī)型氣門(mén)油封徑向力采用6 N·cm-1設(shè)計(jì)。

圖8 徑向力F與泄漏量的關(guān)系

以上分析結(jié)果表明：

（1）氣門(mén)設(shè)計(jì)是旋轉(zhuǎn)的，異常磨損可能是其他因素例如轉(zhuǎn)速太低，異?？?；

（2）油封泄漏量小，范圍太寬，把泄漏量控制在0.01～0.028 ml/10 h范圍內(nèi)。

鑒于成本及時(shí)間考慮，該產(chǎn)品加大氣門(mén)油封泄漏量采用最簡(jiǎn)單的方法為更改彈簧徑向力值F，增大加簧內(nèi)經(jīng)直徑D.經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比，氣門(mén)油封加黃內(nèi)徑更改為（4.6±0.2）mm，徑向力更改為5 N·cm-1.

4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

更改后的氣門(mén)油封，單體試驗(yàn)泄漏量能較好的控制在0.01～0.028 ml/10 h范圍內(nèi)，已經(jīng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架200 h冷熱沖擊、400 h交變負(fù)荷、GED全球加強(qiáng)型交變負(fù)荷、GETC全球加強(qiáng)型熱循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)無(wú)異響，臺(tái)架整機(jī)機(jī)油消耗率符合要求，拆機(jī)無(wú)異常磨損。措施，以最小的成本解決了問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的正確性。因試驗(yàn)設(shè)備及臺(tái)架條件的條件設(shè)計(jì)，做出的試驗(yàn)可能與理論計(jì)算有所偏差，但總體結(jié)論是正確的。本次只是通過(guò)改進(jìn)加黃內(nèi)徑及徑向力來(lái)更改泄漏量，因成本及項(xiàng)目進(jìn)度的關(guān)系，其它未做驗(yàn)證，改進(jìn)方案由氣門(mén)鎖夾單槽更改為三槽形式，或更改R值等，待下一步驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)運(yùn)用問(wèn)題解決7鉆法，找到發(fā)動(dòng)機(jī)異響問(wèn)題的根本原因，并通過(guò)故障原因分析，找到優(yōu)化

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB/T 18297-2001．汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法[S]．

[2]宮文強(qiáng)，王金煥．淺議氣門(mén)油封的密封[J]．汽車(chē)零部件，2010（9）：77-80．

[3]繆紅燕．發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的研究[C]//2010中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

The Speed of Engine Valve Sound Reason Analysis and Improvement

SHI Wu-lin，GUO Yan-dou，YANG Zai-xing
（Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

For a certain engine engine idling abnormal sound，through the use of 7 drill quality solution to the process analysis，the valve idling abnormalities for the valve oil leakage is not enough and the valve does not rotate caused.According to the results of in-depth analysis of the root causes and improvement programs，and verify the correctness of the program.

engine；idle sound；valve seal；valve rotation；leakage

U472.41

B

1672-545X（2017）07-0201-03

2017-04-17

時(shí)武林（1987-），男，廣西桂林人，助理工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。