朱 蘭1 張小虎1 徐 政

(1. 上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心 上海 201804；2.上海市汽車動力總成重點實驗室, 上海 201804)

0 前言

配氣機構(gòu)是發(fā)動機的一個重要系統(tǒng)，其設(shè)計對發(fā)動機的性能、可靠性和壽命有極大的影響。氣門彈簧作為發(fā)動機配氣機構(gòu)的關(guān)鍵零件，其作用是保證氣門正確回位[1]。在發(fā)動機工作過程中，氣門彈簧能保證氣門及時打開與關(guān)閉，并防止氣門在發(fā)動機振動時因跳動而破壞密封性[2]。因此，氣門彈簧的設(shè)計對發(fā)動機配氣機構(gòu)的可靠性至關(guān)重要。

針對氣門彈簧的設(shè)計，近年來的研究大都集中在氣門彈簧的疲勞強度上，而本文則重點圍繞氣門彈簧預(yù)緊力不足導(dǎo)致氣門泄漏問題展開分析?？紤]到如果氣門彈簧預(yù)緊力設(shè)計過小，氣門會出現(xiàn)反跳和飛脫，甚至出現(xiàn)氣門關(guān)閉不嚴(yán)。而氣門彈簧預(yù)緊力過大，氣門接觸應(yīng)力會增加，發(fā)動機摩擦損失也可能會隨之增加。

1 試驗背景

某發(fā)動機性能試驗中發(fā)生氣體泄漏現(xiàn)象，經(jīng)過多方探討與分析，可能與彈簧預(yù)緊力不足導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)有關(guān)。于是在試驗中采取了如下措施:

(1)墊片增加0.5 mm，相當(dāng)于增加彈簧預(yù)緊力11 N，氣體泄漏現(xiàn)象并無改善；

(2)第一缸與第四缸氣門機構(gòu)進行對調(diào)，墊片增加0.5 mm，第四缸改善效果明顯，且第一缸并未出現(xiàn)氣體泄漏現(xiàn)象。設(shè)計發(fā)布工程師(DRE)對彈簧預(yù)緊力進行了測量，第四缸排氣側(cè)彈簧預(yù)緊力較其他缸偏低。

(3)篩選預(yù)緊力較高的彈簧，墊片增加0.7 mm，氣體泄漏現(xiàn)象有明顯改善，但仍然存在于部分工況下。

試驗結(jié)果顯示彈簧預(yù)緊力增加到一定程度時，氣體泄漏現(xiàn)象有所改善，因而可以初步判定此次事故與彈簧預(yù)緊力不足有關(guān)，然而經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)彈簧預(yù)緊力并無異常，因此需要尋找導(dǎo)致彈簧預(yù)緊力不足的原因。

2 失效原因分析

2.1 常規(guī)彈簧殘余力分析

彈簧殘余力是校核彈簧預(yù)緊力是否合適的一項指標(biāo)，當(dāng)彈簧預(yù)緊力在克服氣體力、氣門總成慣性力、液壓挺柱對氣門的作用力，以及各項誤差后剩余力大于20～40 N，即彈簧預(yù)緊力滿足設(shè)計要求。根據(jù)理論公式校核彈簧殘余力，彈簧殘余力在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合設(shè)計準(zhǔn)則。且將原彈簧代入氣門機構(gòu)仿真模型計算，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，并無彈簧預(yù)緊力不足現(xiàn)象發(fā)生。彈簧殘余力理論公式如下

FR=Ff-Fgas-Fgas+-FHLA-Fvalve

(1)

式中：Ff為考慮公差和振動后彈簧預(yù)緊力；Fgas為氣體力；Fgas+為氣體竄動量；FHLA為液壓挺柱對氣門的作用力；Fvalve為氣門總成慣性力。

2.2 失效原因

根據(jù)常規(guī)彈簧殘余力的校核和氣門動力學(xué)分析，彈簧殘余力和氣門機構(gòu)動力學(xué)性能均無異常，其失效原因包括：

(1)相對其他機型其排氣背壓較大，可能是導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)的直接原因；

(2)彈簧顫振在額定轉(zhuǎn)速之后處于正常偏高范圍，彈簧顫振為氣門處于關(guān)閉狀態(tài)時彈簧中心振動幅值。在氣門機構(gòu)仿真計算中，能夠反映氣門關(guān)閉不嚴(yán)的因素主要包括彈簧顫振、凸輪接觸力、氣門反跳，以及氣門落座力等，然而計算結(jié)果顯示凸輪接觸力、氣門反跳，以及氣門落座力等無明顯異常現(xiàn)象，僅在額定轉(zhuǎn)速之后(在轉(zhuǎn)速5 300 r/min、5 600 r/min， 5 800 r/min，6 000 r/min)彈簧顫振較高，此時氣門彈簧力在落座后有明顯的振動現(xiàn)象，如圖1所示。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)5 300 r/min氣門彈簧力顫振較高時，其對應(yīng)的最小彈簧力明顯比轉(zhuǎn)速達(dá)5 000 r/min顫振較低時對應(yīng)的最小彈簧力小。

圖1 氣門彈簧力

(3)彈簧預(yù)緊力公差

理論計算中彈簧預(yù)緊力公差按照5%預(yù)估,最大不超過15 N,而實際彈簧預(yù)緊力制造公差和安裝高度松弛公差最大可以達(dá)到23.6 N，從這些角度考慮，彈簧殘余力理論計算中考慮的公差可能不足。

(4)氣體瞬時竄動量

由于每個周期不同，或者氣體存在一定的瞬時竄動量，計算中則并沒有考慮其影響。

2.3 基于各項公差的動力學(xué)仿真分析

由于常規(guī)動力學(xué)計算中并未考慮到足夠的彈簧預(yù)緊力誤差和氣體竄氣量的影響，本次計算基于各項公差重新校核氣門機構(gòu)動力學(xué)，按照目前彈簧預(yù)緊力(F1),考慮制造誤差和安裝高度松弛公差后，彈簧最大預(yù)緊力損失量大約為23.6 N，考慮周期性氣體竄動量，需要額外克服氣體力28.99 N。 基于目前狀態(tài)校核氣門動力學(xué)出現(xiàn)了異常情況，其主要考核指標(biāo)包括氣門落座力、凸輪接觸力、氣門彈跳等。

氣門落座力如圖2所示，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，氣門完全落座后又有重新開啟現(xiàn)象。

圖2 氣門落座力

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min，凸輪滾子接觸力在基圓部分有明顯增加(圖3)，可能氣門已經(jīng)被打開。

圖3 凸輪滾子接觸力

氣門升程在發(fā)動機轉(zhuǎn)速分別為5 300 r/min和5 800 r/min，氣門關(guān)閉后彈跳高度超出限值(圖4)，在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，氣門完全關(guān)閉后又有小幅打開的氣門升程出現(xiàn)。

圖4 氣門升程

從結(jié)果可以看出，考慮各種公差后，氣門出現(xiàn)了被打開現(xiàn)象，所以試驗中出現(xiàn)的氣體泄漏現(xiàn)象很可能與制造公差和氣體竄動量等因素有關(guān)。

3 氣門彈簧優(yōu)化

由于原始彈簧在安裝狀態(tài)固有頻率為545 Hz,代入氣門機構(gòu)系統(tǒng)后系統(tǒng)頻率為523 Hz,根據(jù)計算，可知分別在轉(zhuǎn)速5 230 r/min 、5 705 r/min、6 276 r/min、6 973 r/min均有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，因此計算中建議增加除發(fā)動機特征點以外的轉(zhuǎn)速。考慮到氣門彈簧尺寸和結(jié)構(gòu)的限制，無法將彈簧顫振降低到理想范圍，因而在現(xiàn)有型線不變及彈簧空間尺寸(安裝高度，彈簧上下端內(nèi)徑)不變的情況下，氣門彈簧的改進方向主要有兩個方向：增加彈簧預(yù)緊力；在保證彈簧安全系數(shù)的前提下提高工作頻率，挪開共振點，避開特征轉(zhuǎn)速，防止因彈簧顫振導(dǎo)致的彈簧預(yù)緊力不足。

可采用2種方案，方案1是在原方案F1的基礎(chǔ)上增加15 N。 對氣門彈簧進行全新設(shè)計，彈簧預(yù)緊力增加15 N,同時減小彈簧顫振并將最大顫振點挪至更高轉(zhuǎn)速，防止因彈簧顫振過大而導(dǎo)致的彈簧力波動增大，從而出現(xiàn)的彈簧力不足現(xiàn)象。

方案2則是在原方案F1的基礎(chǔ)上增加25 N。通過增加彈簧預(yù)緊力是解決氣門關(guān)閉不嚴(yán)的最直接手段，但彈簧預(yù)緊力增加達(dá)到一定值后，氣門桿頂部可能會發(fā)生磨損。因而基于氣門接觸應(yīng)力考核標(biāo)準(zhǔn)，此處彈簧預(yù)緊力最好不要超過一定值。

表1為方案1與方案2的氣門彈簧與原彈簧基本信息對比。

表1 彈簧基本信息對比

彈簧優(yōu)化后，將結(jié)果與原方案比對，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后彈簧力F1和F2均有所增加，有利于防止氣門關(guān)閉不嚴(yán)的情況發(fā)生。 在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min之前，優(yōu)化后的氣門彈簧顫振有明顯的減小(圖5)，而最小彈簧力有明顯增加(圖6)，最小彈簧力的增加有利于改善氣門關(guān)閉不嚴(yán)現(xiàn)象。其中方案1中彈簧顫振減小幅度最為明顯。

圖5 彈簧顫振對比

圖6 最小彈簧力

增加彈簧預(yù)緊力公差和彈簧顫振，優(yōu)化后彈簧殘余力理論計算結(jié)果相對原方案有明顯增加，尤其是方案1彈簧殘余力增大明顯，彈簧殘余力對比如圖7。

圖7 彈簧殘余力對比

逐一增加各項彈簧制造公差及氣體竄動量，相對原方案，氣門機構(gòu)動力學(xué)均有了明顯的改善。而方案2動力學(xué)性能改善最為突出，在考慮彈簧制造公差和氣門竄動量的極限情況后，其動力學(xué)性能仍然表現(xiàn)良好，凸輪無飛脫現(xiàn)象，氣門完全落座后也無重新跳起現(xiàn)象。

綜上所述，方案1和方案2各有優(yōu)劣。方案1氣門彈簧顫振在轉(zhuǎn)速6 000 r/min之前改善較多，因而其彈簧殘余力增加明顯。方案 2彈簧預(yù)緊力增加較方案1更多，其抗公差損失的能力更強，并表現(xiàn)在動力學(xué)性能上。綜合評估選取方案2應(yīng)用于某開發(fā)機型，目前方案2中氣門彈簧已經(jīng)通過了性能試驗，氣門關(guān)閉不嚴(yán)現(xiàn)象得到解決，沒有再出現(xiàn)氣體泄漏現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文結(jié)合試驗中出現(xiàn)的氣體泄漏現(xiàn)象以及試驗預(yù)判措施，逐一排查了可能導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)的失效原因，并提出了彈簧改進方向，最終推薦了2個彈簧優(yōu)化方案，得出了如下結(jié)論：

(1)氣門關(guān)閉不嚴(yán)現(xiàn)象可能與彈簧制造公差、安裝高度公差以及周期性氣體竄動量等有關(guān)。

(2)過大的彈簧顫振可能是引起氣門關(guān)閉不嚴(yán)的重要因素，建議避開額定轉(zhuǎn)速等特征。

(3)常規(guī)彈簧殘余力校核公式有一定局限性，應(yīng)該結(jié)合彈簧制造公差、氣體竄動量和彈簧顫振綜合考慮，并帶入仿真模型檢驗。

(4)彈簧力也不能無限制的增加，彈簧力增加可能會帶來導(dǎo)管磨損、氣門桿端磨損等風(fēng)險。