俞 京，李曉明，邢 政，徐茂生，許軍軍

（奇瑞汽車股份有限公司動(dòng)力總成集成院，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

隨著排放法規(guī)的加嚴(yán)及消費(fèi)者對(duì)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的核心系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力由高壓油泵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)保證。該機(jī)構(gòu)機(jī)械部分包括驅(qū)動(dòng)凸輪、滾子挺筒和高壓油泵。滾子挺筒是該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件之一，主要功能是將驅(qū)動(dòng)凸輪的驅(qū)動(dòng)力傳遞給高壓油泵柱塞壓縮燃油，以達(dá)到系統(tǒng)所需的燃油壓力。滾子挺筒出現(xiàn)故障，可能會(huì)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(jī)理，并對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化具有重要意義。目前對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(duì)某汽油機(jī)滾子挺筒嚴(yán)重磨損、燒蝕、碎裂故障，作了排查、分析、論證和改進(jìn)。該案例失效原因和損壞程度較為罕見(jiàn)。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(duì)該案例的分析和驗(yàn)證方法可供參考借鑒。

2 故障描述

某汽油機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)早期，發(fā)現(xiàn)多例發(fā)動(dòng)機(jī)性能異常下降、軌壓波動(dòng)大，最后甚至不能建立高壓。拆機(jī)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(jì)見(jiàn)表1。

3 故障分析

從失效件的不同損壞程度來(lái)看，該失效過(guò)程可以分為疲勞剝落、塑性變形和止動(dòng)磨損3個(gè)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(lán)紫色，見(jiàn)圖1。通過(guò)回火色判斷，磨損處溫度已經(jīng)在275℃以上。當(dāng)滾針軸承工作溫度超過(guò)120℃時(shí)，其硬度即開(kāi)始快速下降，軸承外圈會(huì)出現(xiàn)材料剝落、軸向變寬徑向變薄，直至損毀。溫度達(dá)到275℃時(shí)，滾針軸承額定壽命降低到設(shè)計(jì)壽命 （1000h）的1／5以下，即200h以內(nèi)。實(shí)際失效時(shí)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(guò)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(dòng)機(jī)工作時(shí)，油泵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高速運(yùn)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(dá)9000r／min，產(chǎn)生大量熱量。為使產(chǎn)熱和散熱達(dá)到平衡，需要給滾子挺筒提供潤(rùn)滑和冷卻。原潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑，由潤(rùn)滑噴嘴將潤(rùn)滑油噴射到驅(qū)動(dòng)凸輪形成油膜，對(duì)驅(qū)動(dòng)凸輪和滾針軸承外圈潤(rùn)滑，同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的凸輪會(huì)將潤(rùn)滑油飛濺到銷軸、挺筒，以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾針軸承內(nèi)部、挺筒與導(dǎo)孔之間的潤(rùn)滑。

滾針軸承的熱量主要通過(guò)潤(rùn)滑油液傳遞帶走，驅(qū)動(dòng)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(guò)缸蓋和潤(rùn)滑油液散發(fā)。

表1 滾子挺筒故障統(tǒng)計(jì)

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(duì)驅(qū)動(dòng)力、關(guān)鍵尺寸、裝配過(guò)程等維度排查，無(wú)異常。經(jīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑噴嘴處的潤(rùn)滑油呈半球狀冒出，不能形成油柱噴射到驅(qū)動(dòng)凸輪上，見(jiàn)圖3。且油量逐漸減少，約半分鐘后停止出油。進(jìn)一步拆機(jī)發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)側(cè)有金屬顆粒物。

檢查同一批發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)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(jiàn)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(guò)高的原因鎖定為潤(rùn)滑冷卻不良。

圖3 潤(rùn)滑油噴射狀態(tài)

圖4 試驗(yàn)后正常件狀態(tài)

4.3 潤(rùn)滑冷卻不良的原因分析

潤(rùn)滑噴嘴取油點(diǎn)在油道末端，裝配過(guò)程中以及油道上相關(guān)零件運(yùn)行過(guò)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(rùn)滑油射程和流量不足，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦副間不能形成有效的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致熱量急劇產(chǎn)生。同時(shí)，由于沒(méi)有足量流動(dòng)的油液，摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)有效往外傳遞，造成滾針軸承高熱，從而被燒蝕損壞。而此時(shí)挺筒的熱量可往缸蓋及時(shí)傳導(dǎo)，所以僅靠近軸承區(qū)域燒蝕嚴(yán)重。

5 優(yōu)化方案

增大噴嘴喉徑可降低堵塞風(fēng)險(xiǎn)，但在保證油壓和射流高度前提下，噴嘴喉徑不能過(guò)大，無(wú)法從根本上規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)分析比較其他潤(rùn)滑形式，決定采用側(cè)油孔壓力潤(rùn)滑方案，并取消噴嘴，見(jiàn)圖5。通過(guò)挺筒上下運(yùn)動(dòng)送油，降低潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)對(duì)顆粒物的敏感度。

經(jīng)600h等多輪耐久試驗(yàn)后，滾子挺筒無(wú)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(dòng)機(jī)滾子挺筒失效的原因是高溫?zé)g，而非摩擦副間進(jìn)入金屬顆粒。

2）導(dǎo)致高溫的原因是噴嘴堵塞引起的潤(rùn)滑冷卻不良。

3）使用側(cè)油孔壓力潤(rùn)滑方案有效解決了該失效問(wèn)題。

6.2 建議

1）GDI發(fā)動(dòng)機(jī)滾子挺筒由于負(fù)荷較大，產(chǎn)生的高熱必須及時(shí)散發(fā)，僅靠油霧潤(rùn)滑仍存在失效風(fēng)險(xiǎn)，建議為其提供獨(dú)立潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)。

2）設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮潤(rùn)滑的可靠性，取油點(diǎn)建議設(shè)在油道上流速較大的位置。

3）建議將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在遠(yuǎn)離熱源的位置，如布置到進(jìn)氣側(cè)，同時(shí)優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，將機(jī)油溫度控制在120℃以下，以提高滾子挺筒壽命。