趙 波 孟祥斌 姚君韋 郭 強 侯思佳 劉勝強

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

引言

可變氣門正時技術(shù)（Variable Valve Timing，VVT）是目前在發(fā)動機上應(yīng)用較多的一項技術(shù)，可以調(diào)節(jié)發(fā)動機進排氣門的開啟與關(guān)閉時刻，保證了充氣系數(shù)，達到最優(yōu)的配氣正時相位，可以降低油耗與排放，是發(fā)動機非常關(guān)鍵的技術(shù)[1]。而VVT 的跟隨響應(yīng)性則影響著發(fā)動機的性能，當(dāng)相位調(diào)節(jié)角度偏差大時，則會引發(fā)VVT 報相位故障碼。其中OCV（oil control valve）是VVT 系統(tǒng)的關(guān)鍵零件。OCV 為VVT 組件提供機油并進行機油過濾，是接收ECU 命令改變油壓驅(qū)動相位器的液壓控制閥[2]。OCV 閥前端進油P 口處的濾網(wǎng)是較為常用的一種過濾部件，但不同的發(fā)動機在此處主油道的壓力不同，且運行過程中油壓有波動，對濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇就有較高的要求。本文就某發(fā)動機OCV 閥濾網(wǎng)斷裂問題進行了分析，并制定了相應(yīng)的優(yōu)化方案和解決措施。

1 問題來源

在發(fā)動機設(shè)計驗證開發(fā)階段，發(fā)動機進行臺架耐久試驗的過程中，發(fā)生幾起報凸輪軸相位偏差不合理故障。故障現(xiàn)象基本都是在臺架耐久后期階段出現(xiàn)，發(fā)動機拆解后發(fā)現(xiàn)OCV 濾網(wǎng)斷裂。

2 原因分析

如圖1 所示，OCV 閥的P 口處濾網(wǎng)為常規(guī)設(shè)計結(jié)構(gòu)。P 口濾網(wǎng)采用鋼絲編織結(jié)構(gòu)，編織結(jié)合點處有擠壓，濾網(wǎng)注塑到塑料底座內(nèi)。

圖1 OCV 閥濾網(wǎng)

發(fā)現(xiàn)此問題后先進行濾網(wǎng)斷裂機理分析：

1）機油油壓沖擊：P 口濾網(wǎng)受到發(fā)動機機油壓力的波動和OCV 閥工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的影響，時刻受到一個非對稱、應(yīng)力幅值和頻率都在改變的流體內(nèi)部壓力；

2）雜質(zhì)堆積沖擊：機油內(nèi)毛刺，鋁屑和油泥等雜質(zhì)堆積到濾網(wǎng)表面，導(dǎo)致濾網(wǎng)此處應(yīng)力集中，對濾網(wǎng)抗沖擊強度是嚴(yán)峻考驗，如圖2 所示。

圖2 OCV 閥濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

機理分析完成后需對可能產(chǎn)生的原因進行詳細(xì)梳理，此處運用了魚骨刺圖法，如圖3 所示。

圖3 OCV 濾網(wǎng)斷裂魚骨刺圖

對于此問題的分析，需從以下幾方面入手：

1）發(fā)動機邊界對OCV 閥濾網(wǎng)斷裂的影響；

2）零部件質(zhì)量，包括加工尺寸、斷口分析、機械性能及裝配成型工藝；

3）設(shè)計方面，包括配合尺寸及零部件材料強度選擇等。

2.1 發(fā)動機邊界影響排查

本文前面提到的發(fā)動機油壓及機油清潔度等發(fā)動機的邊界因素會對OCV 閥的使用環(huán)境產(chǎn)生影響，固對此進行詳細(xì)排查，主要排查項目見表1。

表1 邊界影響因素排查

根據(jù)排查可知，發(fā)動機的邊界對OCV 濾網(wǎng)斷裂問題的影響可以排除。

2.2 零部件質(zhì)量問題的排查

零部件質(zhì)量問題首先需要查看零部件的生產(chǎn)批次，如都是同一批次，排查共性點并需要評估是否會產(chǎn)生批量問題。然后根據(jù)問題的性質(zhì)梳理出強相關(guān)的尺寸，材料性能及成型工藝。

因濾網(wǎng)已經(jīng)斷裂，只能取同批次的濾網(wǎng)進行檢測。尺寸檢測結(jié)果見表2，其機械性能檢測結(jié)果見表3。

表2 濾網(wǎng)尺寸檢測記錄

表3 機械性能檢測記錄

根據(jù)表2 可知濾網(wǎng)的關(guān)鍵尺寸檢測滿足設(shè)計要求；根據(jù)表3 的檢測結(jié)果可知斷裂濾網(wǎng)材料的機械性能無問題。接著需要對斷裂濾網(wǎng)進行斷口電鏡掃描分析，排查是否原材質(zhì)有異常夾渣并確認(rèn)斷裂形式。此故障件上有兩處斷裂源，分別進行電鏡掃描，具體分析如圖4、圖5、圖6。

圖4 斷裂形貌

圖5 第1 處韌性斷裂

圖6 第2 處疲勞斷裂

根據(jù)分析可知濾網(wǎng)斷裂形貌為疲勞斷裂和韌性斷裂；微觀形貌可見疲勞斷裂后，在編織網(wǎng)鋼絲節(jié)點處有明顯分層現(xiàn)象，這會使得此處應(yīng)力相對集中，加大斷裂風(fēng)險。

進一步需要排查鋼絲節(jié)點的分層及應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因，這些與濾網(wǎng)座的成型工藝強相關(guān)。經(jīng)過對成型工藝進行審核排查，發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

1）濾網(wǎng)鋼絲節(jié)點變形擠壓嚴(yán)重，如圖7 所示。

圖7 濾網(wǎng)節(jié)點變形

2）濾網(wǎng)表面看起來比較“光亮”，很明顯是在注塑時擠壓過度造成的，如圖8 所示。

圖8 濾網(wǎng)表面

在排查供應(yīng)商的成型工藝后發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)座注塑時，上模和下模間隙控制較?。刂崎g隙由濾網(wǎng)厚度決定）。導(dǎo)致濾網(wǎng)受到擠壓，導(dǎo)致鋼絲變形，厚度變薄，鋼絲節(jié)點受到損傷，此處應(yīng)力集中，易產(chǎn)生斷裂。具體注塑模具工藝見圖9。

圖9 注塑模具

根據(jù)以上排查結(jié)果進行分析，零部件單品質(zhì)量方面并不存在問題。而濾網(wǎng)座成型工藝出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題則是由濾網(wǎng)厚度尺寸決定的，由此濾網(wǎng)的斷裂原因需要從濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計上進行對標(biāo)排查。

2.3 零部件的設(shè)計對標(biāo)排查

零部件設(shè)計方面，根據(jù)前面的魚骨刺圖梳理需要從濾網(wǎng)鋼絲直徑設(shè)計、濾網(wǎng)厚度、濾網(wǎng)材料選擇、濾網(wǎng)支撐梁設(shè)計等方面逐一對標(biāo)排查。排查數(shù)據(jù)見表4。

表4 結(jié)構(gòu)設(shè)計對標(biāo)

根據(jù)設(shè)計排查可發(fā)現(xiàn)以下幾個問題：

1）濾網(wǎng)鋼絲直徑設(shè)計過小

故障件的濾網(wǎng)鋼絲直徑較細(xì)，相比其它廠家濾網(wǎng)更易斷裂。

2）濾網(wǎng)厚度設(shè)計過小

此濾網(wǎng)是由鋼絲上下編制而成，故障件的厚度最小且遠(yuǎn)低于鋼絲直徑的兩倍，因為注塑上模和下模間隙控制過小，濾網(wǎng)受到擠壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中，易產(chǎn)生斷裂。

3）濾網(wǎng)材質(zhì)選擇不合適

故障件抗拉強度實測都在700 MPa 以下，屈服強度都在300 MPa 以下。而對標(biāo)件選用的材料經(jīng)過相應(yīng)熱處理后實測其機械性能：抗拉強度大于1 200 MPa，屈服強度大于900 MPa[3]。

植物的益生菌發(fā)酵，不僅能使其中活性成分、風(fēng)味、質(zhì)地得到改善，而且能去除部分有害成分，增強益生功能[11]。目前，尚沒有益生菌發(fā)酵荷葉，增強其生物學(xué)功能的相關(guān)報道。為此，本文擬采用腸球菌WEHI01或WEFA23發(fā)酵荷葉，從抑菌和抗氧化方面對發(fā)酵荷葉上清進行比較研究，從體外和細(xì)胞水平考查其抗氧化性和抗氧化酶活的變化規(guī)律。

為驗證兩種材質(zhì)的性能差異，我們進行了濾網(wǎng)強度驗證對標(biāo)測試：圖10 為測試設(shè)備，使用1 個特制的沖頭對濾網(wǎng)進行加載，記錄兩種不同材質(zhì)濾網(wǎng)破壞時的壓力峰值，見圖11。

圖10 濾網(wǎng)測試臺架

圖11 斷裂壓力測試結(jié)果

我們總共做了5 組對比試驗，對斷裂后的濾網(wǎng)也進行了分析，發(fā)現(xiàn)故障件濾網(wǎng)在加載到20～40 N 時，非沖頭區(qū)域鋼絲已先行斷裂。而對標(biāo)件濾網(wǎng)：斷裂區(qū)域與沖頭幾乎重合，而其它位置都完好，如圖12 所示。

圖12 濾網(wǎng)斷裂形貌驗證對比

由此可以推斷出故障件選用的材料強度低，易發(fā)生斷裂。

4）濾網(wǎng)支撐梁設(shè)計不合理

故障件為一字形設(shè)計，其它對標(biāo)件均為十字架結(jié)構(gòu)，增加了濾網(wǎng)整體強度，能更好地抵抗機油壓力沖擊及運行過程中的機油壓力波動，如圖13 所示。

圖13 支撐橫梁結(jié)構(gòu)對比

經(jīng)過以上分析，可知OCV 濾網(wǎng)斷裂的主要原因有以下幾種：

1）濾網(wǎng)鋼絲直徑設(shè)計不合理；

2）濾網(wǎng)厚度設(shè)計不合理；

3）濾網(wǎng)材質(zhì)選擇不合理，材料強度偏低；

4）濾網(wǎng)座注塑成型工藝設(shè)置不合理；

5）濾網(wǎng)支撐橫梁設(shè)計不合理。

3 解決措施

針對以上分析的幾點原因，可以制定有針對性的解決措施。

3.1 濾網(wǎng)鋼絲直徑及厚度優(yōu)化設(shè)計

在前面的分析中，已經(jīng)明確現(xiàn)有直徑及厚度都過小。經(jīng)過調(diào)查，目前市場上的發(fā)動機上使用的OCV閥的濾網(wǎng)直徑主要有0.06、0.08 mm、1.0 mm、1.2 mm四種規(guī)格，且還需考慮OCV 閥的目數(shù)，供應(yīng)商恰好有適合此規(guī)格的濾網(wǎng)鋼絲直徑，因此我們暫時選擇了此規(guī)格產(chǎn)品。

對于此規(guī)格的鋼絲直徑，根據(jù)濾網(wǎng)注塑成型工藝要求，濾網(wǎng)厚度最好能接近鋼絲直徑的兩倍。但同時需要考慮濾網(wǎng)和濾網(wǎng)座的粘接強度，需要有一定的過盈量，因此我們在設(shè)計上定義濾網(wǎng)厚度為需接近鋼絲直徑的兩倍。

3.2 濾網(wǎng)材質(zhì)重新選擇，增加濾網(wǎng)強度

關(guān)于濾網(wǎng)強度的增加可以從兩方面入手：一方面經(jīng)過對標(biāo)分析可以選擇抗拉強度和彎曲強度都較高的SUS304；另一個方面在濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)上做設(shè)計改動，將一字形設(shè)計的支撐橫梁更改為十字架結(jié)構(gòu)。同時需要注意鋼絲與橫梁的角度，由90°改為45°，如圖14 所示。

圖14 更改前后的支撐梁設(shè)計對比

3.3 更改濾網(wǎng)座注塑成型工藝參數(shù)

前面已經(jīng)論證，上模和下模間隙如果控制較小，會導(dǎo)致濾網(wǎng)受到擠壓，導(dǎo)致鋼絲變形，厚度變薄。因此控制此間隙非常重要，分別設(shè)計了三組不同間隙值進行濾網(wǎng)座的注塑成型工藝調(diào)試，最后發(fā)現(xiàn)采用接近兩倍鋼絲直徑的間隙能調(diào)試出濾網(wǎng)厚度接近兩倍鋼絲直徑規(guī)格的合格產(chǎn)品。

4 改進措施驗證

根據(jù)以上措施實施改進，我們設(shè)計了一項可模擬發(fā)動機真實運行環(huán)境的機油壓力脈沖試驗，可以讓OCV 在特殊的試驗工況條件下進行單品驗證。分別選取了整改前后6 組測試件，進行了機油壓力沖擊試驗。結(jié)果顯示：測試6 件，整改前濾網(wǎng)斷裂5 件，整改后斷裂0 件。

根據(jù)試驗結(jié)果初步可判斷整改有效，但需要進一步的發(fā)動機臺架耐久試驗來驗證。接著我們搭載裝機了6 輪臺架耐久試驗，試驗驗證結(jié)果見表5。

表5 試驗驗證結(jié)果

通過單品及臺架耐久試驗驗證結(jié)果可知，所采取的優(yōu)化措施是有效的，即OCV 濾網(wǎng)斷裂問題得到有效解決。

5 結(jié)論

影響濾網(wǎng)斷裂的因素有很多，需要排查外界環(huán)境對零部件本身的影響，然后分析故障件的斷口，最后從零部件的質(zhì)量、裝配、成型工藝、材料選擇及設(shè)計做逐一排查。其中更需要考慮的是如果是連續(xù)發(fā)生此問題，需要同步排查零部件的批次問題。因本文中分析的問題都在耐久臺架后期發(fā)生，基本可以鎖定的是零部件的材料強度有問題。所以需要重點檢查材料的選擇，尺寸的設(shè)計配合，最終形成有效的優(yōu)化方案。

找到問題原因后，對標(biāo)也是一種有效解決問題的方式。在解決濾網(wǎng)斷裂的問題過程中，我們對標(biāo)發(fā)現(xiàn)目前市場上常見的濾網(wǎng)類型有四種平面鋼絲編織型濾網(wǎng)、平面鋼板蝕刻型濾網(wǎng)、圓柱鋼絲編織型濾網(wǎng)、圓柱鋼板蝕刻型濾網(wǎng)。采用其他類型結(jié)構(gòu)的濾網(wǎng)也有可能解決此問題，但是受限于項目生產(chǎn)或者生產(chǎn)時間及供應(yīng)商的設(shè)計開發(fā)資源，一般會選擇最合適、樣件制作整改周期最短的方案進行驗證，同時可以把其他方案作為備選方案儲備。

總之只要明確了OCV 濾網(wǎng)斷裂的真因，并依據(jù)具體的原因制定相應(yīng)的解決措施，問題就可以得到有效解決。