氣門導(dǎo)管同軸度對(duì)氣門油封泄漏率影響研究

李斌，云峰，康明明 ，閆珊珊，朱永杰，陳國(guó)斌

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究院，山東濰坊 261061)

0 引言

氣門油封作為發(fā)動(dòng)機(jī)氣門在氣門導(dǎo)管內(nèi)的動(dòng)態(tài)密封件，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其性能參數(shù)機(jī)油泄漏率對(duì)國(guó)Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和排放影響較大。因此控制氣門油封機(jī)油泄漏率的一致性是行業(yè)主流研究方向，目前主要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。一方面通過優(yōu)化氣門油封氣唇和輔助唇結(jié)構(gòu)，密封氣側(cè)高壓氣體，一般可達(dá)0.8 bar[1]；另一方面為氣門和氣門導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)副提供適量且穩(wěn)定的機(jī)油供給，形成油膜潤(rùn)滑，一般通過優(yōu)化主唇圓角，并輔以有限元分析，密封搖臂室內(nèi)機(jī)油。目前，專用試驗(yàn)臺(tái)零部件試驗(yàn)中，氣門油封基線泄漏率10 mg/h以內(nèi)，泄漏量公差為±2 mg/h；氣門油封基線泄漏率(10～30) mg/h，泄漏量公差為±3 mg/h。但基于上述二種設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)的氣門油封，用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，仍會(huì)出現(xiàn)泄漏率異常的一致性問題，且一致性偏差遠(yuǎn)大于零部件試驗(yàn)，表明氣門油封裝配后，一致性差異被放大。

圖1 氣門油封裝配示意

基于氣門油封零部件試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)中機(jī)油泄漏率差異較大的問題，對(duì)零部件裝配尺寸和組件狀態(tài)進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)氣門油封裝配后，氣門桿和氣門油封橡膠唇口的同軸度對(duì)機(jī)油泄漏率一致性影響較大。進(jìn)一步對(duì)裝配尺寸鏈進(jìn)行分析，鎖定影響較大，且探測(cè)度更高的氣門導(dǎo)管同軸度。針對(duì)氣門導(dǎo)管同軸度的影響因素進(jìn)行研究，分析其對(duì)氣門油封機(jī)油泄漏率的影響，并提出對(duì)應(yīng)的控制方法。

1 氣門導(dǎo)管同軸度影響分析

1.1 氣門桿與氣門油封唇口同軸度

氣門油封密封原理：氣門桿與橡膠材質(zhì)唇口為過盈配合，建立初始密封壓力，如圖2所示。隨氣門桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣門油封橡膠唇口與氣門桿之間形成油膜[2]。在相同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下，不同初始密封壓力，直接影響油膜厚度，進(jìn)而影響氣門機(jī)油泄漏率。密封壓力小，油膜厚度大，油封機(jī)油泄漏率大，密封性能降低；反之，無法建立連續(xù)油膜，造成橡膠唇口磨損[3]，運(yùn)行初期機(jī)油泄漏率低，長(zhǎng)期磨損后，機(jī)油泄漏率失控。

圖2 氣門油封密封相關(guān)尺寸示意

氣門桿與氣門油封唇口同軸度的影響：氣門油封安裝后，氣門與氣門油封同軸度影響氣門油封唇口周向密封壓力[4]的均勻性。對(duì)于單一氣門位置，周向密封壓力不均勻，會(huì)造成周向泄漏率不均勻。在氣門旋轉(zhuǎn)不暢的機(jī)型或工況下，容易造成周向偏磨。對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)不同氣門位置，同軸度的較大差異，在整機(jī)運(yùn)行表現(xiàn)為各缸氣道積碳差別很大，氣門導(dǎo)管磨損一致性較差。

1.2 氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度

氣門桿與氣門油封同軸度在組件裝配后，測(cè)量難度較大，無法在實(shí)際生產(chǎn)裝配中應(yīng)用。因此將影響實(shí)際裝配尺寸鏈分解為探測(cè)度更高的尺寸，如圖2所示：(1)氣門桿直線度A；(2)氣門油封定位處與密封唇口同軸度ΦD1；(3)氣缸蓋總成中，組合加工后的氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度ΦD2。

尺寸鏈中各尺寸一般公差帶精度水平，如圖3所示。氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度精度遠(yuǎn)低于氣門桿和氣門油封的零部件尺寸精度，這與零部件的復(fù)雜程度和加工難度相關(guān)?？梢缘贸鋈缦路治鼋Y(jié)論，氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度直接決定了氣門桿與氣門油封同軸度，直接影響氣門油封整機(jī)機(jī)油泄漏率的一致性。

圖3 氣門桿與氣門油封唇口尺寸分析

對(duì)于橡膠制品的過盈密封結(jié)構(gòu)，其本身具備一定的同軸度偏差補(bǔ)償能力，且遠(yuǎn)大于氣門直線度A與氣門油封定位處與密封唇口同軸度ΦD1的累計(jì)公差0.08 mm。通常考慮0.1 mm同軸度，用于氣門油封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究[7]。因此，本文使用氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度表征氣門桿與氣門油封實(shí)際裝配后同軸度水平，并探究氣門桿油封密封橡膠結(jié)構(gòu)的同軸度補(bǔ)償量。

氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度精度和生產(chǎn)過程能力差別較大，主要原因?yàn)闅飧咨w加工定位方式的不同。一種是加工中心，定位為一面兩銷的統(tǒng)一基準(zhǔn)，即氣門導(dǎo)管壓裝底孔和氣門導(dǎo)管壓裝后的內(nèi)孔加工，均以一面兩銷為統(tǒng)一基準(zhǔn)[5]，同時(shí)存在二次裝夾定位，因此，內(nèi)外圓同軸度最大偏差表現(xiàn)為，缸蓋底孔位置度(Φ0.2 mm)和氣門導(dǎo)管內(nèi)外位置度(Φ0.2 mm)公差累計(jì)。另一種為專機(jī)加工，采用導(dǎo)管定位，即直接使用氣門導(dǎo)管外徑作為定位銷，加工氣門導(dǎo)管內(nèi)孔，不再累計(jì)氣缸蓋導(dǎo)管底孔位置度[6]。如圖4所示，統(tǒng)計(jì)同一氣缸蓋總成在3條不同加工線氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度，定位方式分別為：氣缸蓋A，專機(jī)加工、導(dǎo)管定位；氣缸蓋B，加工中心、底面一面兩銷定位；氣缸蓋C，加工中心、底面一面兩銷定位，但與氣缸蓋B設(shè)備不同，且設(shè)備服役年限較長(zhǎng)。

圖4 不同加工方式氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度對(duì)比

2 試驗(yàn)方案及驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法

參考國(guó)標(biāo)GB/T 34028—2017發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)桿往復(fù)油封及性能試驗(yàn)方法，在零部件試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行不同梯度氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度下，氣門油封泄漏率對(duì)比驗(yàn)證。本文使用氣門油封試驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。

圖5 氣門油封泄漏率試驗(yàn)機(jī)

2.2 試驗(yàn)方案

氣門油封機(jī)油泄漏率設(shè)計(jì)值為(4～9) mg/h，為零部件整個(gè)B10壽命要求，即長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行劣化后不能超出設(shè)計(jì)值要求。且初始泄漏率<7 mg/h。

從圖4所測(cè)量的不同生產(chǎn)線加工的同一型號(hào)氣缸蓋總成中，選取不同同軸度梯度的氣門導(dǎo)管。按同軸度Φ0.1 mm梯度，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四組，每組4個(gè)樣本，基本參數(shù)見表1。其中氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度ΦD2下限值為專機(jī)加工，其公差上限為0.1 mm，與氣門直線度A和氣門油封定位處與密封唇口同軸度ΦD1的累計(jì)公差相當(dāng)。試驗(yàn)上限為系統(tǒng)誤差較大的加工中心，測(cè)量樣本的最大偏差為0.552 mm，平均值梯度按0.1 mm控制。

表1 氣門導(dǎo)管同軸度試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)

分別將選取的四組缸蓋進(jìn)行1 000 h耐久試驗(yàn)，每間隔100 h，采集最后20 h機(jī)油泄漏量計(jì)算氣門油封機(jī)油泄漏率。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 不同氣門桿同軸度對(duì)泄漏率影響

如圖6所示，同軸度為(Φ0.1～Φ0.4) mm的氣缸蓋總成在前300 h機(jī)油泄漏率無明顯差別，從400 h開始，同軸度≥Φ0.3 mm的缸蓋機(jī)油泄漏率出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，且超出設(shè)計(jì)上限。同軸度≤Φ0.2 mm的汽缸蓋800 h耐久過程機(jī)油泄漏率無明顯差別，800 h～1 000 h，機(jī)油泄漏率升高約10%，但仍在設(shè)計(jì)限值內(nèi)。

圖6 分組泄漏率平均值對(duì)比

2.3.2 同軸度≥Φ0.3 mm單體樣本對(duì)比

如圖7所示，隨著同軸度增加，氣門油封機(jī)油泄漏率測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)增大，一致性變差。在同軸度(Φ0.265～Φ0.55) mm區(qū)間內(nèi)，機(jī)油泄漏率隨著同軸度的增大而加大。在同軸度(Φ0.265～Φ0.55) mm區(qū)間內(nèi)，機(jī)油泄漏率隨運(yùn)行時(shí)間增大劣化程度增大，且在800 h后趨于平穩(wěn)。

圖7 同軸度≥0.3 mm單體樣本泄漏率對(duì)比

2.3.3 唇口橡膠分析

如圖8所示，選取同軸度偏差較大3個(gè)氣門油封進(jìn)行唇口分析，未見老化現(xiàn)象。且唇口均勻，未見整體磨損或偏磨。分析泄漏率超限原因?yàn)榇娇诿芊鈮毫Ψ植疾痪?，高壓?cè)油膜仍存在，但低壓側(cè)油膜厚度過大導(dǎo)致泄漏率超限。試驗(yàn)臺(tái)1 000 h耐久試驗(yàn)后，唇口橡膠雖未出現(xiàn)明顯老化和偏磨問題，但無法排除發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)唇口橡膠老化問題。臺(tái)架試驗(yàn)雖有足夠時(shí)長(zhǎng)，但工況苛刻程度仍不能與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)匹配，比如進(jìn)排氣高壓脈沖和配氣機(jī)構(gòu)側(cè)向力、以及轉(zhuǎn)速切換帶來的油膜延遲建立等問題。

圖8 試驗(yàn)后密封唇口分析(同軸度單位：mm)

3 結(jié)論

通過對(duì)不同氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度下，進(jìn)行氣門油封機(jī)油泄漏率試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)裝配過程對(duì)氣門油封泄漏率一致性的影響，遠(yuǎn)大于氣門油封本身公差控制。

(2)氣門導(dǎo)管同軸度≥Φ0.3 mm為本次試驗(yàn)氣門油封的失效臨界點(diǎn)，泄漏率隨時(shí)間呈明顯上升趨勢(shì)，且，隨同軸度偏差增大泄漏率增大。

(3)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況及零部件的制造水平，對(duì)氣缸蓋總成安裝后的氣門導(dǎo)管內(nèi)外圓同軸度應(yīng)控制在≤Φ0.15 mm以內(nèi)。

(4)氣門導(dǎo)管外圓定位的專機(jī)加工方式可以很好的保證此處同軸度尺寸，控制在Φ0.1 mm以內(nèi)。對(duì)于排放升級(jí)需求迫切的高速柴油機(jī)，可采用此定位方式，以專機(jī)加工替代一面兩銷定位的重復(fù)裝夾加工方式。