某柴油机气门导管偏磨问题分析及应用

雷淋森，周涛，张波



某柴油机气门导管偏磨问题分析及应用

雷淋森，周涛，张波

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

针对在发动机试验中和整车耐久试验中出现气门导管偏磨问题，从配套的气门摇臂、挺柱、压块的整体结构设计方面对气门导管偏磨原因进行分析，找出问题点，通过对相关零部件进行优化，制定有效的整改方案，经试验验证，导管偏磨问题得到了有效的解决。

气门导管；偏磨；气门摇臂；应力

1 背景说明

某4DB发动机在经过耐久试验及两万公里路试后发现进气门导管出现偏磨问题，磨损处在气门导管下部，其他试验完成的发动机上进气门导管也出现了不同程度磨损。

2 原因分析

2.1 调查分析

根据故障现状原因分析确定气门导管偏磨的原因是因为气门杆部受到了侧向力引起了气门导管偏磨。导致气门受到侧向力的因素可能主要有几点：1）门进气门摇臂液压挺住球头孔中心、大滚轮中心和摇臂前端与气门压块接触中心不再一条直线上，在运动中造成摇臂受力倾斜，使气门受到额外的侧向力。 2）液压挺柱孔倾斜布置，对摇臂施加斜向力。 3）摇臂与气门压块之间是滑动摩擦，导致摩擦力大，气门受到的侧向力也大。

图1 偏磨故障示意

2.2 设计结构分析

2.2.1摇臂结构设计分析

根据摇臂的布置结构设计规范，当凸轮位于基圆上时，H=1/3的气门升程量，这样可以减少摇臂尖端和摇臂桥的相对移动量，进而可以减少作用在气门杆上的侧向力，减小偏磨。目前目标机型的气门升程量为7.99mm，实际进气机构的H为4.2mm，大于设计要求的2.7mm，摇臂与压块的相对位移较大。

2.2.2挺柱、摇臂受力分析

进气液压挺住的布置上与摇臂非垂直布置，使摇臂对压块的滑动摩擦力较大，使气门承受较大的侧向力。

图2 实际受力示意图

进气摇臂的液压挺住支撑点、摇臂与压块的接触点、凸轮与摇臂的接触中心线三点不在一直线上，使摇臂受力后会出现“倾斜”现象，造成摇臂与气门压块的接触点出现偏移，进而对气门施加一个侧向力，摇臂与压块的接触面为一弧面，摇臂与压块的接触线较短，使摇臂的平稳性不好。

图3 摇臂、挺柱、压块实际接触情况示意图

3 方案制定与分析

根据气门导管偏磨的原因分析，提出了改进方案。将原有摇臂前端的圆弧面改成滚轮，用小滚轮与气门压块进行接触代替原有的圆弧面与气门压块接触，将滑动摩擦改成了摩擦力更小的滚动摩擦。同时原有的圆弧面轴线方向上还有R100~265的弧度，这就导致在摇臂受力偏移时而倾斜。改进后的摇臂由于采用滚轮与气门压块线接触，所以不会出现摇臂倾斜的现象。

图4 新方案摇臂示意

图5 气门升程曲线对比

此方案的摇臂和现量产的摇臂是可以互换的，对已经量产的发动机影响最小。改进后的进气摇臂由于增加滚轮，所以整体质量增加了，可能会在高转速时产生“飞脱现象”，同时对气门升程也可能产生影响，摇臂本身结构变化之后，强度也会产生影响，这些都需要进行CAE分析计算。

计算结果显示，改进后的摇臂气门最大升程由原来的7.77mm变成了7.74mm，变化很小，对发动机性能几乎没有影响。

图6 摇臂与压块之间的接触应力分析

由上图分析可见，虽然摇臂的质量增加了，但是在发动机运行中摇臂和气门压块之间的接触应力始终大于零，所以不会出现“飞脱现象”。

图7 摇臂小滚轮销轴受力分析

摇臂与气门压块之间的应力最大为1000N，CAE按照2000N标准计算，结果显示小滚轮销轴的最大应力为527MPa，远低于销轴材料（GCr15）的本身抗拉强度极限（1620MPa）。

图8 摇臂体受力分析计算

摇臂体同样2000N的标准进行计算，结果显示摇臂体的最大应力为559MPa，远低于材料（20CrNiMo）的抗拉强度极限（980MPa）。

综上所述，采用改进后的双滚轮摇臂方案在理论上可行的。

4 试验结果

图9 新方案试验结果

根据改进后的方案，装机进行了100h超速试验。试验结果显示气门杆头部磨损均匀，气门压块与摇臂接触的痕迹只有很窄的一条直线带，凸轮轴和摇臂接触面无明显偏移磨痕，而后对试验后的气门导管进行检测，结果如图9。

从试验结果上看，气门导管的磨损量远小于0.07mm的试验评价指标，目标达到。

5 总结

在气门导管偏磨问题中，从配气结构设计准则出发，系统分析摇臂、气门受力情况，通过调整配气机构中摇臂的设计，优化受力面接触模式，优化改善气门、摇臂压块间的受力点和受力均匀性，改善气门机构的运动状态。

[1] 郭海涛,卓斌,彭健等.发动机配气机构中气门一气门导管摩擦副的润滑研究[J].机械工程学报,2002,8 (7 ):96-101.

[2] 郭海涛,卓斌,彭健等.气门一气门座的摩擦学设计研究[J].内燃机学报,2001.19 (3).

[3] 廖晓山.汽车发动机配气机构[M].长春:吉林人民出版社,1981.

[4] 吴国胜,付晓燕,李树生.配气传动件对气门导管的影响分析[J].内燃机与配件,2011 (3) :11-13.

The Analysis and Application of Partial Wear Issue of Valve Guide ofSome Diesel Engine

Lei Linsen, Zhou Tao, Zhang Bo

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd.. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

To solve the valve guide partial wear issue occurred during engine test and vehicle enduring test, the valve rockers, tappets and package design are analyzed to identify the main cause. After optimization of related parts and improving plans are made, the partial wear of valve guide is eliminated effectively.

Valve Guide; Partial wear; Valve rocker; Stress

U464.13

A

1671-7988(2018)24-63-03

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雷淋森，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.021