利用TQC原理解决摩托车发动机凸轮轴磨损

利用TQC原理解决摩托车发动机凸轮轴磨损
摘要：本文针对市场反馈发动机凸轮轴磨损现象，利用TQC原理，从几方面排除与查找产生发动机凸轮轴早期磨损的原因，对分析因素做实际验证，证明了磨损的主要原因为凸轮材质的选用欠佳及配偶件摇臂的精度不良导致。

关键词：TQC；凸轮轴；摇臂；异常磨损；工艺改善；验证
前言：
凸轮轴是发动机配气机构中的主要零件，它的主要作用是保证进排气阀按照一定的时间开启和关闭。

凸轮在工作过程中除受到一定的弯曲和扭转载荷外，主要是凸轮的型线表面承受交变的挤压应力和配偶的摇臂的相互运动摩擦。

凸轮轴的主要失效型式是凸轮表面因交变挤压应力作用产生的麻点或表面剥落现象。

所以要求凸轮轴具有较好的强度和刚度意外，更主要的是具有良好的耐接触和耐磨损性能。

搭载L YM149MG发动机的T110弯梁摩托车曾经荣获2007年度中国弯梁车年度车型，在摩托车领域享有较高的声誉，随着产量的不断扩大，市场反馈一定数量的发动机出现气缸头异响、凸轮轴和摇臂磨损异常的现象，影响到整车销售和企业的形象。

1.现状把握：对市场反馈做统计，故障发生期都为车辆行驶里程7000km以内，属于早期磨损。

2.原因查找与分析
针对凸轮轴早期磨损实施市场调查和要因讨论，按照TQC的原理，从人、机、料、法、环五个方面逐一进行排查分析：
人方面主要是检查：用户日常维护不当和使用劣质机油油品，通过市场用户走访，确定不是要因；
机方面主要是检查：凸轮、摇臂加工不良、凸轮、摇臂热处理金相组织不良、机油泵工作不良和油道堵塞，通过调查分析、试验再现和用户跟踪，发现凸轮和摇臂表面粗糙度检查，摇臂R面的直线度、平行度调查显示直线度超差会引起接触比压加大，易导致磨损故障发生；
料方面主要是检查：材质选用不良、缸头加工精度平行度差和气门弹簧弹力超大，发现凸轮材质有差异，不一样的材质使用的热处理方式导致金相硬度的不同，对耐磨性影响较大；
法方面主要是检查：未按照作业要求调整正时、气门间隙和油封装配不良，
导致供油压力不足，未发现成因；
环方面主要是检查：气候湿度较大、寒冷地区温差大，未发现成因。

通过对以上逐条确认，初步判断造成凸轮轴摇臂早期异常磨损的主要影响因素是：
2.1.摇臂加工不良
2.2.凸轮材质选用不适
据此制定相应措施与对策，并将要因相关的问题点细化：
2.2.1.摇臂R30面直线度不良，图样要求：镀铬面直线度4um ，实测状况：两侧高出，中间低凹；直线度在10-20um；直线度符合图面要求，不应存在中间凹的形状，改进措施为：电镀电流参数调整，追加电镀前抛光处理和电镀后倒角处理。

2.2.2.凸轮轴材质适应性不良，现有材质QT600-3的金相组织耐磨性不及YFC250Cr，改进措施为：根据现有毛坯制作试制品并通过实验验证，并重新设计凸轮轴材质为YFC250Cr激冷处理。

3.对策措施
3.1. 摇臂--直线度不良：
检查中发现，实际零件直线度超差，且微观形状呈现中间凹边缘突起的不良形状，导致工作时对凸轮的比压急剧放大，产生凸轮偏磨。

对电镀工程的确认：摇臂R30弧面采用表面电镀硬铬方法，由于电流强度大，电镀时摇臂R30面两侧角处电流集中，铬层沉积速度远较平坦部位快，因此电镀后的产品R30平面铬层形状基本如图所示；
电镀后铬层采用布轮表面抛光，仅提高R30面表面粗糙度，并不能改善电镀后的R30面形状。

改善1：电镀工艺改善
电镀电流工艺改善，总电流从3600～3900A调整为2800～3000A
改善2：增加热处理前滚抛工艺
通过两次工艺调整，对样件做试作检查：直线度较之前有较大改善，但是还没有完全达到图面要求，产品直线度从原10-20um降低到6-9um，但仍超过图
样要求的4um范围；从图形来看，电镀后产品仍呈两侧高出，中间低凹状况，以上两项措施仅在数值上有所改善，但形状并未得到真正改善。

改善3：R30面两侧增加抛角工序
经过两侧抛角工序后，如上图所示，镀铬面形状已发生根本转变，由原两侧高出、中间低凹的形状转变为鼓形或直线形形状。

3.2. 凸轮轴材质更改
通过对现品QT600-3材质的凸轮和F8机型凸轮（YFC250Cr）以及CKD的凸轮（YFC250-Cr）进行材质金相的对比：比较结果：CKD和F8的金相组织比较接近，耐磨性明显优于L YM149MG的凸轮轴。

凸轮轴硬度的调查确认
表面硬度数据：
机种F8 CKD LYM
表面洛氏（桃尖部位） HRC49～50 HRC51.5～52.5 HRC46.5～47
显微硬度数据：（距表面0.15～0.20处）
CKD F8 LYM
序号显微硬度序号显微硬度序号显微硬度
1 510 1 53
2 1 439
2 508 2 538 2 427
3 509 3 573 3 433
4 564 4 574 4 443
5 501 5 59
6 5 479
6 502 6 580 6 447
7 484 7 605 7 477
8 512 8 578 8 473
9 475 9 514 9 463
平均HV507.22（HRC49.7）平均HV565.56（HRC53.2）平均HV453.44（HRC46.3）
硬度检查表明L YM149MG的凸轮桃尖硬度明显低于CKD和F8，也就是说现有材质QT600-3高频淬火得到的凸轮的硬度并没有YFC250-Cr材质的凸轮经过冷激处理来的高，耐磨性不佳。

4.改善效果的验证
从调查的结果及改善实绩的部品经过多次台架耐久及模拟用户的实车走行考核10000km，均没有再现异常磨损。

对策措施改进后的市场投诉也有明显改善。

今后进一步的工作：
4.1.加大对配套厂电镀工程的工艺执行情况管理，加大部品的受入检查力度。

4.2.对导致凸轮磨损的其他非主要因素也认真控制，特备是凸轮摇臂的面粗糙度的控制和缸头两孔平行度的控制也是非常关键的。