发动机前端附件驱动系统故障分析及解决措施_宋文倡

本文针对市场上某型号车型，上市后曾在短期 内使用中发生多起发动机前端附件驱动系统中的皮 带开裂问题，调查发现附件皮带出现裂纹的汽车行 驶中均有异响，部分车辆的皮带出现断裂，导致汽车 无法正常行驶。因此，对该故障进行了一系列的检 测诊断，分析故障的原因。图 1 为问题车辆发动机 的皮带失效模式实例。
图 1 某型号发动机皮带失效实例
图 9 失效案例皮带磨损示意图
综上所述，皮带在正常工作时各凹槽和楔面的 磨损应该是基本均衡的，但发现失效皮带在凹槽 3 和楔面 4 区域发生了严重磨损并开裂的现象，这说 明皮带在该区域的磨损和受力是异常的。结合图 10 和图 5 中所示的在皮带凹槽中和带轮槽中发现 的多个外来夹杂物，可以推断： 在使用中皮带和齿轮 间嵌入了类似石子等杂质，导致皮带在工作过程中， 夹杂物一直顶挤皮带，多次顶挤导致楔面 4 表面纤 维磨光。并且由于皮带受夹杂物顶挤力而发生翘 曲，皮带多次翘曲，最终导致皮带在该处产生疲劳失 效，发生纵向开裂。
4 措施验证
为验证解决措施的可行性，进行了增加轮罩和
下护板的 3 000. 0 km 砂石路对比试验，选用 2 台车
在整车试验场砂石路面进行了跑车试验，1 台车装
有轮罩和下护板，1 台车没有安装轮罩和下护板。
按既定路线完成试验后，分别检查 2 台车辆所有附
件皮带轮和皮带。
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图 11 1 粒金属颗粒模拟实验
图 12 3 粒金属颗粒模拟实验
3 解决措施
为了防止石子、沙粒等杂质进入发动机前端附 件驱动系统，必须将前端附件驱动系统与杂质颗粒 进行隔离； 加装轮胎护罩（ 以下称轮罩） 和下护板。
通过加装轮罩和下护板，将发动机前端附件驱 动系统与外界干扰物隔离，有效避免了因石子、沙粒 等杂质进入发动机前端附件驱动系统而导致皮带轮 的开裂。
由图 6 可见，纵向开裂区域发生在凹槽 3 处。 对皮带的凹槽 3 进行观察后发现，凹槽 3 内皮带纵 向方向有不同程度的裂纹，楔面 4 表面严重磨损，表 层纤维已经剥落。为查明这些裂纹的形成原因，对 失效皮带的截面尺寸进行了测量。主要测量各楔面 的高度、楔面顶端的宽度、凹槽的深度，以确定皮带 的磨损程度。
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度远高于其它 3 个楔面。值得注意的是，楔面 4 表 面的纤维已经被磨光，其它几个楔面有局部磨损，但 表面纤维基本无磨损。图 9 为失效案例皮带的磨损 情况。由图可见，凹槽 1 和凹槽 2 离皮带左侧面的 距离变化不大，但凹槽 3 和凹槽 4 的深度突然加深， 可认为皮带在此 2 个位置的磨损严重。
引言
1 问题描述
发动机作为一个有机的整体，任何部件都起着 举足轻重的作用。因此，一台发动机的开发乃至整 车的开发都必须考虑各个部件的作用和各个部件之 间的相互关联。任何一个环节考虑不周都有可能对 整个系统产生致命性的影响。发动机前端附件驱动 系统作为发动机附件的传动装置，对空气压缩机、发 电机、冷却水泵、转向助力泵、制动液压泵等的正常 工作起至关重要的作用。如果发动机前端附件驱动 系统出现故障，空调压缩机、发电机、转向助力泵等 将不能正常运作，导致空调失效、发电机不发电、发 动机冷却液温度升高、驾驶时转向加重等问题，严重 时可能因车辆无法转向导致严重交通事故。本文中 讨论一发动机前端附件驱动系统的故障分析及其解 决措施。
过总长 60% 。图 12 为 3 粒金属 AB 胶颗粒模拟嵌 入 3 颗石子实验结果示意。
通过采用金属 AB 胶颗粒模拟石子嵌入到前端 附件驱动系统皮带中，生成的皮带开裂失效模式跟 实际故障车辆的皮带开裂失效模式进行比较证实： 故障车辆的皮带失效是由于皮带槽和皮带轮槽内嵌 入了类似石子等杂质，导致皮带在工作过程中，受杂 质顶挤力而产生翘曲变形，皮带多次翘曲，最终导致 皮带在该处产生疲劳失效，发生纵向开裂。
检查所有受损皮带，发现均有如下特征： a． 皮 带的开裂方向为与线绳平行的方向，见图 3； b． 开裂 处对应的皮带楔面均有严重磨损，见图 4； c． 皮带开 裂对应的皮带轮槽内面针对某一失效案例进行详细分析。为了分 析方便，将皮带的楔面和凹槽从左到右依次进行编 号，如图 6 所示。
*
发动机前端附件驱动系统故障分析及解决措施
宋文倡1，2 ，董尧清2
（ 1． 上海汽车集团股份有限公司 技术中心，上海 201804； 2． 同济大学 汽车学院，上海 201804）
摘要： 针对某车型发动机前端附件驱动系统频繁出现故障，进行故障分析，并提出相应的解决措施。最后进行试验验证，并证 实了解决方案的可靠性。最终将该解决措施应用于该车型的改进升级，获得市场肯定。
关键词： 发动机； 前端附件驱动系统； 附件皮带； 故障分析； 解决措施
中图分类号： TK424． 4
文献识别码： A
文章编号： 1671 － 5446（ 2012） 02 － 0050 － 03
Trouble Analysis and Solution Measurements for Front End Accessory Drive System of Engine
f. 喷油泵总成中对粗糙度有较高要求的零件， 尤其是偶件摩擦副，可以推广采用滚磨光整工艺，如 挺住体滚轮、端面凸轮等。
参考文献：
［1］邓东密，邓杰 . 柴油机喷油系统［M］. 北京： 机械工业出 版社，1996.
［2］周锦进，方建成，徐文骥 . 光整加工技术的研究与发展 ［J］. 制造技术与机床，2004，（ 3） ： 7.
* 收稿日期： 2012 － 02 － 15 作者简介： 宋文倡（ 1978 － ） ，男，四川雅安人，工程师，目前主要从事汽车发动机设计开发工作。
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2 原因分析
发动机前端附件驱动系统皮带开裂可能性故障 可划分为皮带本身问题和皮带之外的问题。图 2 给 出了皮带开裂失效的原因分析［1］。
轮罩和下护板的车辆不能保证前端附件驱动系统工 作的可靠性。由此决定对该车型都增加安装轮胎护 罩和下护板的改进升级，改进效果已得到运用证实。
检测皮带轮轮廓，皮带轮轮廓符合零件验收规 范，无尺寸超差，可排除皮带轮轮廓偏差导致皮带楔 面受异常磨损而开裂［2］。
检查所有故障车辆，皮带轮安装正确，未发现装 配质量问题。经过尺寸计算，并通过装配验证，皮带 不可能在装配过程中出现错楔现象（ 即皮带楔面总 能正确装配到对应皮带轮槽内） 。因此可排除因错 误的安装导致皮带开裂。
第 2 期（ 总第 146 期） 2012 年 5 月
现代车用动力 MODERN VEHICLE POWER
No. 2（ serial No. 146） May. 2012
doi： 10． 3969 / j． issn． 1671 － 5446． 2012． 02． 013 网络出版时间： 2012 － 05 － 16 10∶ 16 网络出版地址： http： / / www． cnki． net / kcms / detail /32． 1642． TH． 20120516． 1016． 004． html
图 2 皮带开裂失效原因剖析图
根据皮带质量检验认可规范取同批次的皮带进 行了性能测试。对皮带成品开展拉断力试验，试验结 果表明拉断力大于 5 kN，符合要求。对皮带的橡胶成 分进行物理性能测试，得到的测试结果也完全符合要 求。故障皮带的强度质量问题可以排除。
对供应商生产现场进行过程控制后，也未发现 过程失控 问 题，皮 带 硫 化 过 程 符 合 生 产 工 艺 流 程。 随机抽检原材料，原材料成分和性能未见超差。因 此，皮带本身质量问题可以排除。
在行程 1 061． 6 km 后 有 小 颗 粒，颗 粒 直 径 约 为 0． 2 mm，不会导致皮带开裂； 而无轮罩和下护板的 试验车在行程 1 152． 3 km 时，在带轮内发现直径约 为 3. 0 mm 的石子。图 13 示出了带轮罩和不带轮 罩下皮带轮上嵌入不同尺寸杂质的对比。之前事故 车辆内检测到的石子直径约为 Φ2． 5 mm，如图 14 所示。可见无轮罩和下护板车辆不能保证前端附件 驱动系统工作的可靠性，因此有必要对该下线车型 进行改进升级，对每辆车都增加安装轮罩和下护板。 实践表明改进升级后的车辆在投入市场后，再未接 到顾客的故障抱怨。证实该方案能有效解决外来杂 质进入前端附件驱动系统导致皮带开裂的故障。
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（ 上接第 52 页） 试验结果发现，安装轮罩和下护板的试验车辆
SONG Wen-chang1，2 ，DONG Yao-qing2
（ 1． SAIC Motor Technical Center，Shanghai 201804，China； 2． School of Automobile，Tongji University，Shanghai 201804，China） Abstract： Engine front end accessory drive belt crack happen on one vehicle，after the analysis for this problem，solution was found． The solution was proved effective by test． Updated vehicle implemented the solution，solved complains from customs． Key words： engine； front end accessory drive； belt； trouble analysis； solution measurements
图 6 皮带横截面示意图
在失效皮带开裂区域附近取样后进行测量，结 果如图 7 所示。
对新皮带进行同样的测量，结果如图 8 所示。
图 7 失效皮带断裂口附近截面尺寸示意图
图 3 皮带开裂方向示意图 图 4 皮带楔面磨损示意图
图 8 新皮带截面尺寸示意图
对比图 7 和图 8 可见： a． 失效皮带楔面的尺寸 变化不大，楔面 1、楔面 2 和楔面 4 略有变小，基于 测量点为断面，可以认为这 3 个楔面断面受到较大 磨损。b． 楔面高度均有不同程度的降低，从楔面 1 至楔面 5 的降低程度逐渐增大，楔面 4 和楔面 5 的 磨损量徒增，说明这 2 个楔面受到异常磨损严重程
现代车用动力
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c. 滚磨光整前，需安排有效除油，保证磨料的持 续微观切削力； 滚磨光整后，需及时安排超声波清 洗、脱水烘干、防锈工序，防止外观变黑。
d. 光整设备需配备磨液循环处理系统，有效过 滤金属颗粒，确保光整效果。
e. 喷油泵总成 1 000 h 可靠性跑合拆检显示，凸 轮型面磨损情况明显改善。
第2 次模拟实验时选取另一辆已正常运行 19 000. 0 km的无故障车辆，在水泵带轮皮带槽中粘 入 3 粒金属 AB 胶颗粒，尺寸约 3. 0 mm（ 等效） ，模 拟带 轮 槽 中 嵌 入 3 颗 小 石 子，结 果 车 辆 运 行 397. 0 km后，皮带磨损严重，多处开裂，开裂长度超
图 10 皮带槽中夹杂物示意图
为了证明上述推断，作了模拟石子嵌入到前端附 件驱动系统皮带对皮带开裂的影响实验。模拟实验 进行了2 次。第 1 次模拟实验时选取 1 辆已正常运行 19 000. 0 km无故障车辆，在水泵带轮皮带槽中粘入 1 粒金属 AB 胶颗粒，尺寸约 3. 0 mm（ 等效） ，模拟带 轮槽中嵌入 1 颗小石子，当车辆运行2 870. 0 km后， 发现皮带磨损严重，开裂 2 处。图 11 为 1 粒金属 AB 胶颗粒模拟嵌入石子实验结果示意。