汽油機(jī)凸輪軸軸承失效問(wèn)題的研究

劉川，路和林，趙波，羅秋萍，劉勝?gòu)?qiáng)

(寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336)

0 前言

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的主要零部件，通過(guò)各缸配氣凸輪驅(qū)動(dòng)氣門按一定的相位開(kāi)閉，保證氣門升程。凸輪軸軸承磨損會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不利影響，引起噪聲和振動(dòng)，影響正時(shí)相位，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常。本文通過(guò)研究某汽油機(jī)凸輪軸軸承失效問(wèn)題，分析潛在失效模式和原因，提出優(yōu)化方案，為汽油機(jī)機(jī)型的開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)思路。

1 凸輪軸軸承失效現(xiàn)象

M1汽油機(jī)的工程樣機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在性能波動(dòng)并伴有異常噪聲。為解決該問(wèn)題，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣凸輪軸球軸承損壞，如圖1所示。

圖1 凸輪軸軸承損壞

在進(jìn)一步的拆解中，發(fā)現(xiàn)缸蓋凸輪軸軸承孔表面存在整圈滑動(dòng)痕跡，表明軸承外圈與軸承孔之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)(理論上兩者為過(guò)盈配合，可能存在微動(dòng)腐蝕，但不應(yīng)出現(xiàn)整圈滑動(dòng)痕跡)；缸蓋軸承孔、缸蓋及油底殼中存在大量鐵質(zhì)雜質(zhì)，推斷為鋼球及滾道異常磨損剝落所致，如圖2所示。

圖2 軸承孔內(nèi)存在磨痕及鐵屑

2 軸承失效原因

2.1 原因分析

軸承失效模式為凸輪軸軸承磨損，使用故障樹(shù)分析法(FTA)分析其失效原因，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步排查，如圖3所示。

圖3 軸承失效原因分析

2.2 原因排查

正時(shí)皮帶張緊器對(duì)正時(shí)皮帶有導(dǎo)向和張緊作用。一方面，可防止在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生皮帶跳齒；另一方面，可改變皮帶包角，調(diào)節(jié)皮帶的有效接觸面積。張緊器的張力過(guò)大會(huì)增加正時(shí)皮帶動(dòng)態(tài)張力，使軸承所受的徑向力加大。

復(fù)測(cè)正時(shí)皮帶張緊器的張緊力，結(jié)果如表1所示。由表1可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)所搭載的張緊器張緊力為3 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求，不是軸承失效的原因。

表1 張緊器張力復(fù)測(cè)結(jié)果

額定承載能力要求為：軸承動(dòng)態(tài)載荷>21 000 N；軸承靜態(tài)載荷>8 000 N。凸輪軸軸承的受力分解如圖4所示。通過(guò)正時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試，采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下正時(shí)皮帶的動(dòng)態(tài)張力數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。由表2可知，軸承設(shè)計(jì)承載能力滿足正時(shí)皮帶動(dòng)態(tài)張緊力要求。

表2 皮帶動(dòng)態(tài)張力

圖4 軸承受力分解

與發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行工況相比，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)，其凸輪軸轉(zhuǎn)速的最大加速度相對(duì)較小。在啟停工況下，軸承動(dòng)態(tài)載荷的計(jì)算結(jié)果小于軸承額定動(dòng)態(tài)載荷。

綜上可知，軸承設(shè)計(jì)承載能力滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求，不是軸承失效的原因。

發(fā)動(dòng)機(jī)供油不足，軸承潤(rùn)滑不良，軸承內(nèi)的鋼珠與軸承內(nèi)圈、外圈直接接觸并產(chǎn)生摩擦，會(huì)導(dǎo)致軸承升溫過(guò)熱，軸承失效。

該機(jī)型采用中置凸輪正時(shí)機(jī)油控制閥(OCV)布置方案，軸承無(wú)可變正時(shí)驅(qū)動(dòng)器(VVT)的回油輔助潤(rùn)滑，軸承潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑，如圖5所示。

圖5 軸承潤(rùn)滑布置

該布置方案搭載多款發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型，經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)及市場(chǎng)檢驗(yàn)，結(jié)果合格，為成熟的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

拆機(jī)時(shí)，在其進(jìn)、排氣凸輪軸承孔及軸承上發(fā)現(xiàn)有較多殘留機(jī)油，表明軸承潤(rùn)滑良好，不是導(dǎo)致軸承失效的原因。

如果雜質(zhì)進(jìn)入軸承，會(huì)使得摩擦副潤(rùn)滑不足，鋼珠及滾道表面出現(xiàn)壓痕、拉傷等缺陷，加速軸承磨損。

檢測(cè)軸承清潔度，結(jié)果合格，軸承返廠拆解也未檢測(cè)出硬質(zhì)異物，因此不是導(dǎo)致軸承失效的原因。

如果軸承本身存在缺陷，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)發(fā)生失效。查閱供應(yīng)商生產(chǎn)信息，確認(rèn)故障軸承出廠，確定徑向游隙滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)規(guī)定，軸承組件及其子零件(包括內(nèi)圈、鋼球、保持架和外圈)的材料、尺寸和性能均滿足圖紙規(guī)定，且軸承熱處理和壓裝過(guò)程均無(wú)異常。

鋼球表面可見(jiàn)材料剝落痕跡，如圖6所示。軸承外圈滾道內(nèi)可見(jiàn)局部剝落痕跡，非承載區(qū)可見(jiàn)輕微運(yùn)行痕跡；軸承內(nèi)圈滾道上明顯可見(jiàn)局部剝落痕跡和黏著痕跡。

圖6 鋼球表面剝落痕跡

電鏡分析顯示，軸承內(nèi)圈、外圈滾道內(nèi)可見(jiàn)表面起始的疲勞剝落特征，如圖7所示。

圖7 軸承內(nèi)外圈存在表面起始的疲勞剝落特征

金相分析結(jié)果顯示，進(jìn)氣內(nèi)圈、外圈滾道均有二次硬化及回火區(qū)，表明滾道表面有潤(rùn)滑不良和過(guò)熱現(xiàn)象；滾道表面未發(fā)現(xiàn)黑色腐蝕區(qū)，表明軸承無(wú)過(guò)載情況。因此，可排除零部件自身缺陷導(dǎo)致軸承損壞的情況。

軸承與凸輪軸、缸蓋的配合方式為過(guò)盈配合，軸承裝配后軸承游隙會(huì)被壓縮，經(jīng)尺寸鏈校核，被壓縮后的游隙仍符合要求。

經(jīng)檢測(cè)，凸輪軸外徑、圓度、圓跳動(dòng)等尺寸結(jié)果均符合要求。

復(fù)檢缸蓋凸輪軸軸孔的尺寸時(shí)，發(fā)現(xiàn)與A-E基準(zhǔn)的圓跳動(dòng)相比，凸輪軸軸承孔(見(jiàn)圖8)的圓跳動(dòng)超差，見(jiàn)表3。

圖8 凸輪軸軸承孔及軸頸滑動(dòng)軸承孔

表3 缸蓋軸承孔圓跳動(dòng)值

繪制各缸凸輪軸軸孔尺寸的矢量圖，如圖9所示。由圖可知，進(jìn)氣凸輪軸軸承孔跳動(dòng)超差的方向與凸輪軸受皮帶拉力的方向(圖4)基本一致。

圖9 缸蓋凸輪軸各軸承孔尺寸矢量圖

使用凸輪軸及缸蓋的尺寸進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算，發(fā)現(xiàn)軸承孔位置公差與凸輪軸軸頸孔位置公差之和大于軸承徑向游隙與滑動(dòng)軸承間隙之和，不符合要求。

為確定軸承失效的真正原因，挑選軸承孔(軸頸孔)跳動(dòng)為0.015 mm的缸蓋，使用同批次的軸承再次試驗(yàn)。試驗(yàn)合格，軸承未失效。

2.3 原因總結(jié)

跳動(dòng)公差設(shè)計(jì)較大，疊加實(shí)物超差，導(dǎo)致安裝孔位置公差大于軸承間隙。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，凸輪軸及軸承偏斜，出現(xiàn)軸承內(nèi)鋼球偏離正常滾道、工作游隙出現(xiàn)異常等現(xiàn)象，引起軸承卡滯，使軸承摩擦力矩增大；同時(shí)，軸承摩擦副無(wú)法得到有效潤(rùn)滑和冷卻，出現(xiàn)鋼珠及內(nèi)圈、外圈表面疲勞剝落的現(xiàn)象，最終造成軸承失效。

3 措施及驗(yàn)證

缸蓋圖紙上，軸承孔圓跳動(dòng)公差為0.05 mm，不符合實(shí)際軸承使用要求。為解決跳動(dòng)超差的問(wèn)題，重新分配公差，將缸蓋軸承孔跳動(dòng)公差優(yōu)化為0.02 mm。

為驗(yàn)證整改措施是否有效，挑選裝配極限間隙特殊樣機(jī)進(jìn)行耐久試驗(yàn)。使用軸承孔內(nèi)徑和跳動(dòng)分別接近下限和上限的缸蓋，外徑和跳動(dòng)接近上限的凸輪軸，以及徑向游隙靠近下限的軸承，搭載臺(tái)架耐久及整車耐久完成測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該優(yōu)化方案有效且可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)張緊器張力、軸承載荷、潤(rùn)滑邊界、清潔度、制造缺陷、設(shè)計(jì)缺陷等方面的研究，探索軸承磨損失效的真正原因，通過(guò)測(cè)試，確定軸承孔圓跳動(dòng)過(guò)大是造成軸承失效的主要原因。采取針對(duì)性措施后，可有效地解決了凸輪軸軸承失效問(wèn)題。

同時(shí)，完成了對(duì)潛在失效模式及其原因的識(shí)別與歸納，并針對(duì)失效原因制定相應(yīng)的預(yù)防措施，為后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)和參考。