羅劍坤，羅富勝，張春龍，李 忠，洪志宇

（江鈴汽車股份有限公司動(dòng)力總成研究院，江西南昌 330200）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)DV（Design Verification，設(shè)計(jì)驗(yàn)證）可靠性的主要手段，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)功機(jī)耐久試驗(yàn)，可以快速驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞、磨損等失效模式。本文研究的增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)就是在臺(tái)架耐久過(guò)程中識(shí)別出前蓋板正時(shí)系統(tǒng)故障[1-2]。

1 故障描述

本研究的增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋板正時(shí)系統(tǒng)見圖1。在耐久試驗(yàn)過(guò)程中增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)無(wú)法啟動(dòng)現(xiàn)象，拆解發(fā)現(xiàn)是鏈條固定導(dǎo)板斷裂導(dǎo)致正時(shí)系統(tǒng)故障所致（圖2）。更換同種狀態(tài)的鏈條固定導(dǎo)板繼續(xù)耐久，相同故障再次出現(xiàn)，該故障共有4 起案例（表1）。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋板正時(shí)系統(tǒng)

表1 4 起失效案例對(duì)應(yīng)的信息

圖2 鏈條固定導(dǎo)板斷裂

2 CAE 仿真

鏈條導(dǎo)板的斷裂讓相關(guān)人員對(duì)鏈條導(dǎo)板的強(qiáng)度表示質(zhì)疑，因此進(jìn)行了再次的仿真分析校核。單獨(dú)對(duì)鏈條固定導(dǎo)板進(jìn)行仿真[3-4]分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度滿足安全系數(shù)要求（圖3）。

通過(guò)CAE（Computer Aided Engineering，工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程）仿真分析，安全系數(shù)在1.6 以上，且在鏈條導(dǎo)板螺栓安裝處受力最大（圖3b））大于1.5，理論上可以接受。

圖3 鏈條固定導(dǎo)板CAE 仿真

3 NVH 共振測(cè)試

在發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)及周圍貼傳感器、皮帶輪處安裝角標(biāo)儀等，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)完成后，從低速（1000 r/min/100%）120 s 平穩(wěn)拉升到高速6000 r/min/100%，采集數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行（試驗(yàn)）過(guò)程中，鏈條的受力將在緊和松之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，在這種情況下鏈條導(dǎo)板容易發(fā)生z 向運(yùn)動(dòng)（該方向和鏈條導(dǎo)板襯套竄動(dòng)的方向一致）。在4200 r/min 開始鏈條導(dǎo)板襯套的竄動(dòng)逐漸增大，在5200～6000 r/min 擺動(dòng)幅度達(dá)到最大、達(dá)到5 mm，遠(yuǎn)超出可接受值1 mm[5]（圖4）。

圖4 鏈條導(dǎo)板襯套竄動(dòng)量

將鏈條的竄動(dòng)及共振一起考慮進(jìn)去再次進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)鏈條固定導(dǎo)板安裝固定處最容易出現(xiàn)失效。這與試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的失效位置相吻合。

分析結(jié)果顯示安全系數(shù)是1.296（源自LCF（Low Cycle Fatigue Test）試驗(yàn)斷裂的鏈條導(dǎo)板），低于接受值（不小于1.5）。

4 耐久試驗(yàn)工況

火花塞熱值匹配試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞溫度最高和最低的區(qū)域運(yùn)行，以評(píng)估火花塞熱值、點(diǎn)火間隙、點(diǎn)火能量等。因此發(fā)動(dòng)機(jī)所以轉(zhuǎn)速的滿負(fù)荷（外特性）區(qū)域均需要運(yùn)行。

低周疲勞試驗(yàn)?zāi)康闹饕强己税l(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋及氣缸墊設(shè)計(jì)的可靠性。發(fā)動(dòng)機(jī)失效形式：從啟動(dòng)到達(dá)到最高設(shè)計(jì)冷卻液出口溫度的循環(huán)條件下，氣缸蓋在溫差應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生的低周疲勞。每個(gè)循環(huán)0.078 h，共4400 個(gè)循環(huán)，整個(gè)試驗(yàn)?zāi)途眯r(shí)為342 h（圖5）。

圖5 低周疲勞試驗(yàn)工況

試驗(yàn)有2/3 左右的時(shí)間需運(yùn)行5200 r/min/100%，而高周疲勞試驗(yàn)有4/7 左右時(shí)間需運(yùn)行在4000 r/min 以上，1/3 左右時(shí)間需運(yùn)行在5200 r/min/100%工況。

高周疲勞試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩及最大功率[6]下的耐久性，主要考核發(fā)動(dòng)機(jī)的“硬失效”模式。發(fā)動(dòng)機(jī)可能的失效模式：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵5C 件的高周疲勞。每個(gè)循環(huán)3.85 h，共70 個(gè)循環(huán)，整個(gè)試驗(yàn)?zāi)途眯r(shí)為270 h（圖6）。

圖6 高周疲勞試驗(yàn)工況

通過(guò)對(duì)火花塞熱值匹配試驗(yàn)、高周疲勞試驗(yàn)和高周疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速區(qū)域（4200～6000 r/min）占有很大比重。而發(fā)動(dòng)機(jī)在這部分區(qū)域運(yùn)行的過(guò)程中鏈條導(dǎo)板襯套竄動(dòng)嚴(yán)重，和鏈條導(dǎo)板襯套固定的鏈條導(dǎo)板受力很大、竄動(dòng)產(chǎn)生很大位移及沖擊，導(dǎo)致鏈條固定導(dǎo)板迅速疲勞、斷裂[6]。與故障情況吻合。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)該鏈條導(dǎo)板襯套在低周疲勞試驗(yàn)、高周疲勞試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，由于需要在高轉(zhuǎn)速（4000 r/min 以上）運(yùn)行，而該區(qū)域鏈條導(dǎo)板襯套竄動(dòng)量大，導(dǎo)致鏈條導(dǎo)板強(qiáng)度不夠，從而斷裂。因此需要減小鏈條導(dǎo)板襯套在的竄動(dòng)量。通過(guò)導(dǎo)板設(shè)計(jì)變更，限制鏈條竄動(dòng)的擺幅（圖7）。

圖7 鏈條導(dǎo)板改進(jìn)前后示意

設(shè)變后再次進(jìn)行NVH（Noise，Vibration，Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）共振測(cè)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)變后竄動(dòng)量有明顯的改善，并且所有轉(zhuǎn)速區(qū)域竄動(dòng)量在可接受范圍（小于1 mm）內(nèi)（圖8）。改進(jìn)前，發(fā)動(dòng)機(jī)速在4200 r/min 以上時(shí)，鏈條導(dǎo)板竄動(dòng)位移嚴(yán)重超過(guò)可接近標(biāo)準(zhǔn)，不可接受；改進(jìn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)速在高速時(shí)，鏈條導(dǎo)板竄動(dòng)位移雖增大但未超過(guò)1 mm，在可接受標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

圖8 改進(jìn)前后竄動(dòng)量對(duì)比

6 臺(tái)架耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

將設(shè)變后的鏈條固定導(dǎo)板搭載到發(fā)動(dòng)機(jī)上重新啟動(dòng)前面因鏈條固定導(dǎo)板導(dǎo)致正時(shí)系統(tǒng)故障而終止的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示，其中“hrs”即“小時(shí)”。

圖9 鏈條導(dǎo)板襯套改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果

342 h 低周疲勞試驗(yàn)切換新狀態(tài)的鏈條導(dǎo)板重新試驗(yàn)時(shí)順利通過(guò)耐久；270 h 高周疲勞試驗(yàn)切換新狀態(tài)的鏈條導(dǎo)板重新試驗(yàn)時(shí)順利通過(guò)耐久；800 h Global Engine System Test（全球發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)測(cè)試）（模擬顧客道路使用循環(huán)試驗(yàn)）搭載新狀態(tài)的鏈條導(dǎo)板試驗(yàn)時(shí)順利通過(guò)耐久。所有試驗(yàn)均順利通過(guò)耐久。

此外還新增了生產(chǎn)裝配驗(yàn)證試驗(yàn)。150 h 低周疲勞試驗(yàn)、150 h 高周疲勞試驗(yàn)及兩個(gè)10 h 質(zhì)量確認(rèn)試驗(yàn)搭載新狀態(tài)的鏈條導(dǎo)板試驗(yàn)時(shí)順利通過(guò)耐久。生產(chǎn)裝配驗(yàn)證通過(guò)，改進(jìn)效果顯著。