俞 京，李曉明，邢 政，徐茂生，許軍軍

（奇瑞汽車股份有限公司動力總成集成院，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

隨著排放法規(guī)的加嚴及消費者對汽車動力性、經(jīng)濟性需求的提升，缸內(nèi)直噴技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，并將成為提升汽油發(fā)動機性能的主流技術(shù)［1］。高壓燃油系統(tǒng)是缸內(nèi)直噴發(fā)動機的核心系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力由高壓油泵驅(qū)動機構(gòu)保證。該機構(gòu)機械部分包括驅(qū)動凸輪、滾子挺筒和高壓油泵。滾子挺筒是該機構(gòu)的關(guān)鍵零件之一，主要功能是將驅(qū)動凸輪的驅(qū)動力傳遞給高壓油泵柱塞壓縮燃油，以達到系統(tǒng)所需的燃油壓力。滾子挺筒出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致軌壓不穩(wěn)、燃燒異常，甚至熄火。分析滾子挺筒的失效模式和失效機理，并對現(xiàn)有設(shè)計不斷優(yōu)化具有重要意義。目前對缸內(nèi)直噴發(fā)動機滾子挺筒的失效研究還不足，同類零件的失效研究主要集中在柴油機的油泵滾輪，失效形式主要為異常磨損［2］、滾輪碎裂［3］。

本文對某汽油機滾子挺筒嚴重磨損、燒蝕、碎裂故障，作了排查、分析、論證和改進。該案例失效原因和損壞程度較為罕見。由于滾子挺筒一般布置在缸蓋內(nèi)部，加大了失效排查難度，本文對該案例的分析和驗證方法可供參考借鑒。

2 故障描述

某汽油機在臺架試驗早期，發(fā)現(xiàn)多例發(fā)動機性能異常下降、軌壓波動大，最后甚至不能建立高壓。拆機檢查發(fā)現(xiàn)滾子挺筒出現(xiàn)不同程度損壞，滾子挺筒故障統(tǒng)計見表1。

3 故障分析

從失效件的不同損壞程度來看，該失效過程可以分為疲勞剝落、塑性變形和止動磨損3個階段。故障件磨損位置附近，均出現(xiàn)明顯的回火色，表現(xiàn)為大面積黃色，局部藍紫色，見圖1。通過回火色判斷，磨損處溫度已經(jīng)在275℃以上。當滾針軸承工作溫度超過120℃時，其硬度即開始快速下降，軸承外圈會出現(xiàn)材料剝落、軸向變寬徑向變薄，直至損毀。溫度達到275℃時，滾針軸承額定壽命降低到設(shè)計壽命 （1000h）的1／5以下，即200h以內(nèi)。實際失效時間也發(fā)生在10～180h之間。

圖1 失效件回火色

可以判斷滾子挺筒損壞是由于溫度過高引起滾針軸承硬度下降而導(dǎo)致的疲勞失效。

4 原因分析

4.1 熱量的產(chǎn)生與傳遞

發(fā)動機工作時，油泵驅(qū)動機構(gòu)高速運轉(zhuǎn)，各摩擦副間產(chǎn)生熱量 （圖2）。尤其是滾子挺筒，最大轉(zhuǎn)速可達9000r／min，產(chǎn)生大量熱量。為使產(chǎn)熱和散熱達到平衡，需要給滾子挺筒提供潤滑和冷卻。原潤滑方式為飛濺潤滑，由潤滑噴嘴將潤滑油噴射到驅(qū)動凸輪形成油膜，對驅(qū)動凸輪和滾針軸承外圈潤滑，同時高速旋轉(zhuǎn)的凸輪會將潤滑油飛濺到銷軸、挺筒，以實現(xiàn)對滾針軸承內(nèi)部、挺筒與導(dǎo)孔之間的潤滑。

滾針軸承的熱量主要通過潤滑油液傳遞帶走，驅(qū)動凸輪、挺筒也可傳遞部分熱量。挺筒與缸蓋導(dǎo)孔產(chǎn)生的熱量主要通過缸蓋和潤滑油液散發(fā)。

表1 滾子挺筒故障統(tǒng)計

圖2 熱量產(chǎn)生位置和傳遞路徑示意圖

4.2 失效原因鎖定

對驅(qū)動力、關(guān)鍵尺寸、裝配過程等維度排查，無異常。經(jīng)對發(fā)動機倒拖發(fā)現(xiàn)潤滑噴嘴處的潤滑油呈半球狀冒出，不能形成油柱噴射到驅(qū)動凸輪上，見圖3。且油量逐漸減少，約半分鐘后停止出油。進一步拆機發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)側(cè)有金屬顆粒物。

檢查同一批發(fā)動機耐久試驗后未失效樣件，軸承外圈、滾針、軸承銷的表面顆粒物壓痕處材料去除均在1μm以內(nèi)，滿足要求，見圖4。排除金屬顆粒直接導(dǎo)致滾子挺筒失效，將滾子挺筒溫度過高的原因鎖定為潤滑冷卻不良。

圖3 潤滑油噴射狀態(tài)

圖4 試驗后正常件狀態(tài)

4.3 潤滑冷卻不良的原因分析

潤滑噴嘴取油點在油道末端，裝配過程中以及油道上相關(guān)零件運行過程中產(chǎn)生的金屬顆粒容易堆積在此，造成噴嘴堵塞，使得潤滑油射程和流量不足，驅(qū)動機構(gòu)摩擦副間不能形成有效的潤滑油膜，導(dǎo)致熱量急劇產(chǎn)生。同時，由于沒有足量流動的油液，摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時有效往外傳遞，造成滾針軸承高熱，從而被燒蝕損壞。而此時挺筒的熱量可往缸蓋及時傳導(dǎo)，所以僅靠近軸承區(qū)域燒蝕嚴重。

5 優(yōu)化方案

增大噴嘴喉徑可降低堵塞風險，但在保證油壓和射流高度前提下，噴嘴喉徑不能過大，無法從根本上規(guī)避風險。

經(jīng)過分析比較其他潤滑形式，決定采用側(cè)油孔壓力潤滑方案，并取消噴嘴，見圖5。通過挺筒上下運動送油，降低潤滑機構(gòu)對顆粒物的敏感度。

經(jīng)600h等多輪耐久試驗后，滾子挺筒無燒蝕、異常磨損失效，軸承及挺筒磨損量滿足要求。

圖5 優(yōu)化方案示意圖

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

1）導(dǎo)致該發(fā)動機滾子挺筒失效的原因是高溫燒蝕，而非摩擦副間進入金屬顆粒。

2）導(dǎo)致高溫的原因是噴嘴堵塞引起的潤滑冷卻不良。

3）使用側(cè)油孔壓力潤滑方案有效解決了該失效問題。

6.2 建議

1）GDI發(fā)動機滾子挺筒由于負荷較大，產(chǎn)生的高熱必須及時散發(fā)，僅靠油霧潤滑仍存在失效風險，建議為其提供獨立潤滑機構(gòu)。

2）設(shè)計時需充分考慮潤滑的可靠性，取油點建議設(shè)在油道上流速較大的位置。

3）建議將驅(qū)動機構(gòu)布置在遠離熱源的位置，如布置到進氣側(cè)，同時優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，將機油溫度控制在120℃以下，以提高滾子挺筒壽命。