汽油机高压燃油系统滚子挺筒失效案例分析

2020-04-23李晓明徐茂生许军军

汽车电器 2020年4期

俞京，李晓明，邢政，徐茂生，许军军

（奇瑞汽车股份有限公司动力总成集成院，安徽芜湖 241000）

1 前言

随着排放法规的加严及消费者对汽车动力性、经济性需求的提升，缸内直喷技术已得到广泛应用，并将成为提升汽油发动机性能的主流技术［1］。高压燃油系统是缸内直喷发动机的核心系统，系统压力由高压油泵驱动机构保证。该机构机械部分包括驱动凸轮、滚子挺筒和高压油泵。滚子挺筒是该机构的关键零件之一，主要功能是将驱动凸轮的驱动力传递给高压油泵柱塞压缩燃油，以达到系统所需的燃油压力。滚子挺筒出现故障，可能会导致轨压不稳、燃烧异常，甚至熄火。分析滚子挺筒的失效模式和失效机理，并对现有设计不断优化具有重要意义。目前对缸内直喷发动机滚子挺筒的失效研究还不足，同类零件的失效研究主要集中在柴油机的油泵滚轮，失效形式主要为异常磨损［2］、滚轮碎裂［3］。

本文对某汽油机滚子挺筒严重磨损、烧蚀、碎裂故障，作了排查、分析、论证和改进。该案例失效原因和损坏程度较为罕见。由于滚子挺筒一般布置在缸盖内部，加大了失效排查难度，本文对该案例的分析和验证方法可供参考借鉴。

2 故障描述

某汽油机在台架试验早期，发现多例发动机性能异常下降、轨压波动大，最后甚至不能建立高压。拆机检查发现滚子挺筒出现不同程度损坏，滚子挺筒故障统计见表1。

3 故障分析

从失效件的不同损坏程度来看，该失效过程可以分为疲劳剥落、塑性变形和止动磨损3个阶段。故障件磨损位置附近，均出现明显的回火色，表现为大面积黄色，局部蓝紫色，见图1。通过回火色判断，磨损处温度已经在275℃以上。当滚针轴承工作温度超过120℃时，其硬度即开始快速下降，轴承外圈会出现材料剥落、轴向变宽径向变薄，直至损毁。温度达到275℃时，滚针轴承额定寿命降低到设计寿命（1000h）的1／5以下，即200h以内。实际失效时间也发生在10～180h之间。

图1 失效件回火色

可以判断滚子挺筒损坏是由于温度过高引起滚针轴承硬度下降而导致的疲劳失效。

4 原因分析

4.1 热量的产生与传递

发动机工作时，油泵驱动机构高速运转，各摩擦副间产生热量（图2）。尤其是滚子挺筒，最大转速可达9000r／min，产生大量热量。为使产热和散热达到平衡，需要给滚子挺筒提供润滑和冷却。原润滑方式为飞溅润滑，由润滑喷嘴将润滑油喷射到驱动凸轮形成油膜，对驱动凸轮和滚针轴承外圈润滑，同时高速旋转的凸轮会将润滑油飞溅到销轴、挺筒，以实现对滚针轴承内部、挺筒与导孔之间的润滑。

滚针轴承的热量主要通过润滑油液传递带走，驱动凸轮、挺筒也可传递部分热量。挺筒与缸盖导孔产生的热量主要通过缸盖和润滑油液散发。

表1 滚子挺筒故障统计

图2 热量产生位置和传递路径示意图

4.2 失效原因锁定

对驱动力、关键尺寸、装配过程等维度排查，无异常。经对发动机倒拖发现润滑喷嘴处的润滑油呈半球状冒出，不能形成油柱喷射到驱动凸轮上，见图3。且油量逐渐减少，约半分钟后停止出油。进一步拆机发现喷嘴内侧有金属颗粒物。

检查同一批发动机耐久试验后未失效样件，轴承外圈、滚针、轴承销的表面颗粒物压痕处材料去除均在1μm以内，满足要求，见图4。排除金属颗粒直接导致滚子挺筒失效，将滚子挺筒温度过高的原因锁定为润滑冷却不良。

图3 润滑油喷射状态

图4 试验后正常件状态

4.3 润滑冷却不良的原因分析

润滑喷嘴取油点在油道末端，装配过程中以及油道上相关零件运行过程中产生的金属颗粒容易堆积在此，造成喷嘴堵塞，使得润滑油射程和流量不足，驱动机构摩擦副间不能形成有效的润滑油膜，导致热量急剧产生。同时，由于没有足量流动的油液，摩擦产生的热量不能及时有效往外传递，造成滚针轴承高热，从而被烧蚀损坏。而此时挺筒的热量可往缸盖及时传导，所以仅靠近轴承区域烧蚀严重。