可变气门发动机凸轮轴及滚子摇臂失效分析_林灵
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中图分类号 :T K422 .41 文献标志码 :B 文章编号 :1001-2222(2010)06-0067-04
日益严峻的能源安全和环境保护两大问题使全 球公众对发动机新技术的关注持续升温 , 可同时控 制配气 相 位和 气 门升 程 的 VVA (V ariable Valve A ct uation)发动机[ 1] 以其优异的性能表现而倍受关 注 。 VVA 发动机对 缸盖系统 、配气系统和 润滑系 统(缸盖部分)都有特殊要求 , 特别是对凸轮轴的材 料 、热处理工艺和表 面粗糙度的要 求更高 。 因此 , VVA 发动机的配 气机构失效是常 见的技术问题 , 也是技术难点 。
(1.重庆长安汽车股份公司汽车工程研究院 , 重庆 401120;2.西华大学交通与汽车工程学院 , 四川 成都 610039 ; 3 .四川职业技术学院 , 四川 遂宁 629000)
摘要 :针对可变气门 (V ariable V alve A ctua tion , V V A)发动机开发 过程中发 生的凸轮 轴及滚 子摇臂( Ro cke r Roller A rm , RRA)失效 , 描 述了失效发生的背景 , 并借助 CA E 分析和先进检测技术对失效系统进行了研究 。 CA E 分析结果显示 :高升程凸轮与 RRA 的最大接触应力超过了设 计安全值 ;低升 程凸轮 起主要 作用时 , 发动 机转速 不 能超过 4 000 r/ min 。 探伤和显微结构研究显示 , 凸轮轴存在裂纹 , 低升程凸轮硬度不够 。 关键词 :可变气门发动机 ;凸轮轴 ;滚子摇臂 ;失效分析 ;配气 机构
VVA 发动机的凸轮轴是一个气门对应两种凸 轮 ———低升程凸轮在两高升程凸轮之间 。 凸轮轴选 用中碳钢, 材料成分见表 1 , 表面中频感应淬火处 理 , 并采用适当的热处理工艺参数 。
表 1 凸轮轴材料成分
成分
C
Si
Mn
P
S
质量分数/ % ≥0 .5 0 .25 0 .5 0 .025 0 .035
低升程凸轮淬硬深度检测(见图 13)发现 , 关闭 段缺乏有效的淬硬深度 , 淬硬深度几乎为 0 , 且硬度 小于 14H RC , 但 桃 尖 和 开 启 段 的 硬 度 均 大 于 57H RC , 淬硬深度大于 1 .4 m m 。金相分析发现 , 低 升程关闭段的组织主要是韧性好强度低的铁素体构 成(见图 14)。因此 , 低升程凸轮关闭段的抗压应力 的能力不足 , 且低升程凸轮与 RRA 的接触 应力高 达 1 050 MP a , 这可导致凸轮变形和严重磨损[ 3] 。
图 15 V V A 控制策略
轴和 RRA 失效的主要原因有两方面 : a)VVA 使用不当 当低升程凸轮起主要作用时 , 发动机转速可能
大于 3 800 r/ min ;VVA 动作时 , 可能未在相邻两缸 对应凸轮的基圆段完成切换 。
b)凸轮轴材料和热处理工艺不适应 淬火引凸轮轴产生应力集中和裂纹 ;特殊的凸 轮轴结构导致低升程凸轮淬火硬度不够 ;淬火可能 导致产生裂纹 。 针对上述问题 , 本研究提出以下建议 : a)使用方面 发动机运行时 , 必须对发动机进行超速保护 , 同 时优化配气机构 的控制策略 ;不能手动控 制 VVA 切换 , 同时检查切换点的凸轮相位 。 b)材料和热处理工艺方面 可通过优化凸轮轴材料的化学成分和热处理工 艺来解决 ;样件开发阶段可采用 20CrM n 和把中频 淬火工艺改 为渗 碳 , 使 低升 程凸轮 淬硬 深度 大于 1 .5 m m , 硬度达到 57H RC 以上 ;凸轮轴使 用前应 100 %探伤检验 , 核实凸轮轴设计图样和技术文件 。
图 4 失效的凸轮 轴 图 5 失效的 RRA
3 配气系统 CAE 分析
基于 AV L tycon5 .1 软件建立了 VVA 发动机 阀系一维分析模型(见图 6), 重点研究阀系的运动 学和动力学参数 。 气门升程型线见图 7 , 模 型中还 要考虑气门弹簧的频率 、阀系的当量质量等参数 。 3 .1 分析输入条件
≤0 .02
≤0 .018
970 0 ～ 900
≤0 .02
≤0 .012
2010 年 12 月 林 灵 , 等 :可变气门发动机凸轮轴及滚子摇臂失效分析 · 69 ·
图 8 高升程超速应力分析(6 600 r/ min)
图 11 磁性粒子探 伤(轴颈)
参考文献 :
Co ntro l Valve)同时控制相邻两缸 , 其控制策略见图 15 。 根据失效发动机的运行情况描述 , 发现运行时 对 VVA 系统进行手动控制 , 未实现图 15 的控制策 略 , 若在图 16 所示的时刻进行 高升程至低升 程切 换 , 则凸轮和 RRA 出现 飞脱 , RRA 与小凸轮 发生 撞击 , 导致系统损坏 。
第 6 期(总第 191 期) 2010 年 12 月
车 用 发 动 机 V EH ICLE ENG IN E
N o .6(Se rial N o .191) Dec .2010
可变气门发动机凸轮轴及滚子摇臂失效分析
林 灵1 , 詹樟松1 , 成卫国1 , 闵 龙1 , 蓝 军1 , 张晓宇1 , 魏远文2 , 毛 俊3 , 王茂辉1 , 朱玉明1
图 3 VV A 发动机采用的 RRA 结构
2 凸轮轴及 RRA 失效
2 .1 发动机运行情况 凸轮轴及 RRA 失效 前共运行了 63 h , 分 4 个
收稿日期 :2010-07-16 ;修回日期 :2010-11-10 基金项目 :国家高技术研究发展计划(“ 八六三” 计划)资助项目(2008A A 11A 114) 作者简介 :林 灵(1978 —), 男, 工程师 , 硕士 , 研究方向为新技术应用 、配气机构及气道研发 ;li nling1978 @126 .com 。
根据失效的 凸轮轴和 RRA 的表征 , 认为阀系 可能在某个时 段出现了飞脱和接触应 力超过安全 值 。因此 , 基于 VVA 发动机阀系模型 , 重点考察凸 轮与 RRA 的受力及运动情况 。
CAE 分析 结果显 示(见 表 2), 高 升程凸 轮与 RRA 的最大接触应力 770 M Pa(0 r/ min), 低升程 凸轮与 RRA 的 最 大接 触 应 力 1 050 M Pa (0 r/ min), 落座速度和加速度在允许值范围内 。高升程 是滑动摩擦 , 系统设计的安全值为 700 M Pa , 但是由 于 VVA 发动机起动时始终是低升程状态 , 而低升 程状态允 许的 接触 应力是 1 350 M Pa , 故凸 轮与 RRA 的接触应力在安全值内 , 不是引起系统失效的 因素 。 当高升程转速为 6 600 r/ min 时 , 低升程转速 为 4 000 r/ min 时 , 气门关闭段的接触应力迅速振 荡 , 有出现飞脱的点存在(见图 8 和图 9), 因此在高 升程下运行时 , 转速应该小于 6 000 r/ min , 低升程 下运行时 , 转速应该小于 3 800 r/ min , 否则将在关 闭段出现飞脱 , 系统产生脉冲载荷 , 故发动机未进行 超速保护可能是导致失效的原因之一 。
图 9 低升程超速应力分析(4 000 r/ min)
4 失效部件的检验分析
对失效零部件进行探伤 、硬度和金相检测 , 研究 凸轮轴及 RRA 失效的内部因素 。 4 .1 凸轮轴检验
凸轮轴探伤检测时发现高升程凸轮存在淬火引 起的裂纹 , 见图 10 和图 11 。 对凸轮轴不同 部位进 行切片化学成分分析 , 发现各部位的化学成分不均 匀 ;金相分析发现 , 失效部位的微观组织结构间晶粒 间隙较大 , 晶粒粗大 , 属于易脆组织(见图 12)。 因 此 , 如高升程凸轮遇到脉冲载荷和剪切应力时容易 断裂和破损 , 并且裂纹会导致摩擦副磨损严重 , 从而 导致系统失效[ 2] 。
与发动机 2 缸第 4 气门匹配的 高升程凸轮有 金属脱落 , 受损程度严重 , 其余 气门匹配的高升程 凸轮有不同 程度划 伤 , 所 有低 升程凸 轮的关 闭段 有明显撞击痕迹(见图 4)。 与 2 缸第 4 气门凸轮 配合 的 RRA 外 摇 臂 表 面 破 损 , 涂 层 DLC (Diam ond-like-carbon)脱落(见图 5)。 RRA 的 内 摇臂 滚轮能灵活转动 , 左右间隙在设计值范围 内 , 高低 升程切换锁 销能灵 活实现 锁止和 脱销 , 回位 弹簧 工作正常 。
· 68 · 车 用 发 动 机 2010 年第 6 期
不同的阶段进行 :第一阶段(0 ～ 5 h), 试车 、磨合 ;第 二阶段(5 ～ 20 h), 发动机在 1 000 ～ 5 000 r/ min 运 行 , 中等负荷 , 手动控制 VVA 切换 ;第三阶段(20 ～ 30 h), 发动机在 1 500 ～ 3 500 r/ min 运行 , 负荷逐 步增加 , 完 成模块标 定和软 件 VVA 控制 测试 ;第 四阶段(30 ～ 63 h), 发动机在 1 500 ～ 3 500 r/m in 时全负荷运行 , 完成各子系统的功能实现 。 以上各 阶段运行均未实施超速保护 。 2 .2 失效零件描述
公差
ຫໍສະໝຸດ Baidu
±0.03 ±0 .03 ±0 .04 +0 .005 +0 .005
VVA 发动机的滚子摇臂(RRA)采用图 3 所示 的结构 :内摇臂滚动摩擦 , 与小升程凸轮匹配 ;外摇 臂滑动摩擦 , 与两高升程凸轮匹配 。 该产品可实现 气门升程两级可变 。
图 1 VVA 发动机缸盖系统 图 2 VVA 发动机的配气系统
1 VVA 发动机的开发及结构
从布 置 、性能 、可靠 性三 方面 出发 , 进 行轿 车 VVA 发 动 机 的 研 制 , 包 括 全 新 的 缸 盖 设 计 (见 图 1)、配气结构布置设计(见图 2)、优化的进排气系 统设计(含外部 EGR)、发动机强化水冷系统及润滑 系统的优化 、附件驱动设计等 。
图 10 磁性粒子探伤(凸轮)
图 12 失效部位的微观结构
图 13 低升程凸轮的淬硬深度检测
图 14 低升程凸轮关闭段微观结构
4 .2 RRA 检验 RRA 外摇臂的硬度 是 67H RC , 外摇臂摩擦表
面的 DL C(Di am ond-like-carbo n)覆盖层 没有 出现 龟裂和分层 , 因此 DLC 覆盖层黏着良好 , 不会在冲 击载荷下脱落和破损 。 4 .3 配气机构控制策略分析
表 2 阀系分析结果
转速/ r · min -1
接触应力/
MPa
高 升 程
落座速度/ mm ·(°)-1
加速度/
mm ·(°)-2
接触应力/
低 升 程
MPa
落座速度/ mm ·(°)-1
加速度/
mm ·(°)-2
0 770
1 050
3 800
4 000 650
6 000 6 600 630 0 ～ 750
VVA 发动机的 EM S 与传统发动机不同 , 增加 了配气机构的控制策略 , VVA 系统动作时 , 必须在 凸轮的 基 圆 段完 成 , 且 该 发 动 机 一 个 OCV (Oil
· 70 · 车 用 发 动 机 2010 年第 6 期
中碳钢凸轮轴采用中频感应淬火处理后的硬度 在 57H RC 以上 , RRA 采用优质合金钢和轴承钢 ,
图 6 V V A 发动机配气机构分析模型
图 7 气门升程型线
摩擦表面采用先进的 DLC 镀层处理技术 , 表面粗糙 度可达到 Ra0 .05 , 硬度可达到 67H RC 以上 。摩擦 系数 0 .3 , 标定转速高升程为 6 000 r/ min , 低升程为 3 800 r/ min 。 3 .2 CAE 分析结果
日益严峻的能源安全和环境保护两大问题使全 球公众对发动机新技术的关注持续升温 , 可同时控 制配气 相 位和 气 门升 程 的 VVA (V ariable Valve A ct uation)发动机[ 1] 以其优异的性能表现而倍受关 注 。 VVA 发动机对 缸盖系统 、配气系统和 润滑系 统(缸盖部分)都有特殊要求 , 特别是对凸轮轴的材 料 、热处理工艺和表 面粗糙度的要 求更高 。 因此 , VVA 发动机的配 气机构失效是常 见的技术问题 , 也是技术难点 。
(1.重庆长安汽车股份公司汽车工程研究院 , 重庆 401120;2.西华大学交通与汽车工程学院 , 四川 成都 610039 ; 3 .四川职业技术学院 , 四川 遂宁 629000)
摘要 :针对可变气门 (V ariable V alve A ctua tion , V V A)发动机开发 过程中发 生的凸轮 轴及滚 子摇臂( Ro cke r Roller A rm , RRA)失效 , 描 述了失效发生的背景 , 并借助 CA E 分析和先进检测技术对失效系统进行了研究 。 CA E 分析结果显示 :高升程凸轮与 RRA 的最大接触应力超过了设 计安全值 ;低升 程凸轮 起主要 作用时 , 发动 机转速 不 能超过 4 000 r/ min 。 探伤和显微结构研究显示 , 凸轮轴存在裂纹 , 低升程凸轮硬度不够 。 关键词 :可变气门发动机 ;凸轮轴 ;滚子摇臂 ;失效分析 ;配气 机构
VVA 发动机的凸轮轴是一个气门对应两种凸 轮 ———低升程凸轮在两高升程凸轮之间 。 凸轮轴选 用中碳钢, 材料成分见表 1 , 表面中频感应淬火处 理 , 并采用适当的热处理工艺参数 。
表 1 凸轮轴材料成分
成分
C
Si
Mn
P
S
质量分数/ % ≥0 .5 0 .25 0 .5 0 .025 0 .035
低升程凸轮淬硬深度检测(见图 13)发现 , 关闭 段缺乏有效的淬硬深度 , 淬硬深度几乎为 0 , 且硬度 小于 14H RC , 但 桃 尖 和 开 启 段 的 硬 度 均 大 于 57H RC , 淬硬深度大于 1 .4 m m 。金相分析发现 , 低 升程关闭段的组织主要是韧性好强度低的铁素体构 成(见图 14)。因此 , 低升程凸轮关闭段的抗压应力 的能力不足 , 且低升程凸轮与 RRA 的接触 应力高 达 1 050 MP a , 这可导致凸轮变形和严重磨损[ 3] 。
图 15 V V A 控制策略
轴和 RRA 失效的主要原因有两方面 : a)VVA 使用不当 当低升程凸轮起主要作用时 , 发动机转速可能
大于 3 800 r/ min ;VVA 动作时 , 可能未在相邻两缸 对应凸轮的基圆段完成切换 。
b)凸轮轴材料和热处理工艺不适应 淬火引凸轮轴产生应力集中和裂纹 ;特殊的凸 轮轴结构导致低升程凸轮淬火硬度不够 ;淬火可能 导致产生裂纹 。 针对上述问题 , 本研究提出以下建议 : a)使用方面 发动机运行时 , 必须对发动机进行超速保护 , 同 时优化配气机构 的控制策略 ;不能手动控 制 VVA 切换 , 同时检查切换点的凸轮相位 。 b)材料和热处理工艺方面 可通过优化凸轮轴材料的化学成分和热处理工 艺来解决 ;样件开发阶段可采用 20CrM n 和把中频 淬火工艺改 为渗 碳 , 使 低升 程凸轮 淬硬 深度 大于 1 .5 m m , 硬度达到 57H RC 以上 ;凸轮轴使 用前应 100 %探伤检验 , 核实凸轮轴设计图样和技术文件 。
图 4 失效的凸轮 轴 图 5 失效的 RRA
3 配气系统 CAE 分析
基于 AV L tycon5 .1 软件建立了 VVA 发动机 阀系一维分析模型(见图 6), 重点研究阀系的运动 学和动力学参数 。 气门升程型线见图 7 , 模 型中还 要考虑气门弹簧的频率 、阀系的当量质量等参数 。 3 .1 分析输入条件
≤0 .02
≤0 .018
970 0 ～ 900
≤0 .02
≤0 .012
2010 年 12 月 林 灵 , 等 :可变气门发动机凸轮轴及滚子摇臂失效分析 · 69 ·
图 8 高升程超速应力分析(6 600 r/ min)
图 11 磁性粒子探 伤(轴颈)
参考文献 :
Co ntro l Valve)同时控制相邻两缸 , 其控制策略见图 15 。 根据失效发动机的运行情况描述 , 发现运行时 对 VVA 系统进行手动控制 , 未实现图 15 的控制策 略 , 若在图 16 所示的时刻进行 高升程至低升 程切 换 , 则凸轮和 RRA 出现 飞脱 , RRA 与小凸轮 发生 撞击 , 导致系统损坏 。
第 6 期(总第 191 期) 2010 年 12 月
车 用 发 动 机 V EH ICLE ENG IN E
N o .6(Se rial N o .191) Dec .2010
可变气门发动机凸轮轴及滚子摇臂失效分析
林 灵1 , 詹樟松1 , 成卫国1 , 闵 龙1 , 蓝 军1 , 张晓宇1 , 魏远文2 , 毛 俊3 , 王茂辉1 , 朱玉明1
图 3 VV A 发动机采用的 RRA 结构
2 凸轮轴及 RRA 失效
2 .1 发动机运行情况 凸轮轴及 RRA 失效 前共运行了 63 h , 分 4 个
收稿日期 :2010-07-16 ;修回日期 :2010-11-10 基金项目 :国家高技术研究发展计划(“ 八六三” 计划)资助项目(2008A A 11A 114) 作者简介 :林 灵(1978 —), 男, 工程师 , 硕士 , 研究方向为新技术应用 、配气机构及气道研发 ;li nling1978 @126 .com 。
根据失效的 凸轮轴和 RRA 的表征 , 认为阀系 可能在某个时 段出现了飞脱和接触应 力超过安全 值 。因此 , 基于 VVA 发动机阀系模型 , 重点考察凸 轮与 RRA 的受力及运动情况 。
CAE 分析 结果显 示(见 表 2), 高 升程凸 轮与 RRA 的最大接触应力 770 M Pa(0 r/ min), 低升程 凸轮与 RRA 的 最 大接 触 应 力 1 050 M Pa (0 r/ min), 落座速度和加速度在允许值范围内 。高升程 是滑动摩擦 , 系统设计的安全值为 700 M Pa , 但是由 于 VVA 发动机起动时始终是低升程状态 , 而低升 程状态允 许的 接触 应力是 1 350 M Pa , 故凸 轮与 RRA 的接触应力在安全值内 , 不是引起系统失效的 因素 。 当高升程转速为 6 600 r/ min 时 , 低升程转速 为 4 000 r/ min 时 , 气门关闭段的接触应力迅速振 荡 , 有出现飞脱的点存在(见图 8 和图 9), 因此在高 升程下运行时 , 转速应该小于 6 000 r/ min , 低升程 下运行时 , 转速应该小于 3 800 r/ min , 否则将在关 闭段出现飞脱 , 系统产生脉冲载荷 , 故发动机未进行 超速保护可能是导致失效的原因之一 。
图 9 低升程超速应力分析(4 000 r/ min)
4 失效部件的检验分析
对失效零部件进行探伤 、硬度和金相检测 , 研究 凸轮轴及 RRA 失效的内部因素 。 4 .1 凸轮轴检验
凸轮轴探伤检测时发现高升程凸轮存在淬火引 起的裂纹 , 见图 10 和图 11 。 对凸轮轴不同 部位进 行切片化学成分分析 , 发现各部位的化学成分不均 匀 ;金相分析发现 , 失效部位的微观组织结构间晶粒 间隙较大 , 晶粒粗大 , 属于易脆组织(见图 12)。 因 此 , 如高升程凸轮遇到脉冲载荷和剪切应力时容易 断裂和破损 , 并且裂纹会导致摩擦副磨损严重 , 从而 导致系统失效[ 2] 。
与发动机 2 缸第 4 气门匹配的 高升程凸轮有 金属脱落 , 受损程度严重 , 其余 气门匹配的高升程 凸轮有不同 程度划 伤 , 所 有低 升程凸 轮的关 闭段 有明显撞击痕迹(见图 4)。 与 2 缸第 4 气门凸轮 配合 的 RRA 外 摇 臂 表 面 破 损 , 涂 层 DLC (Diam ond-like-carbon)脱落(见图 5)。 RRA 的 内 摇臂 滚轮能灵活转动 , 左右间隙在设计值范围 内 , 高低 升程切换锁 销能灵 活实现 锁止和 脱销 , 回位 弹簧 工作正常 。
· 68 · 车 用 发 动 机 2010 年第 6 期
不同的阶段进行 :第一阶段(0 ～ 5 h), 试车 、磨合 ;第 二阶段(5 ～ 20 h), 发动机在 1 000 ～ 5 000 r/ min 运 行 , 中等负荷 , 手动控制 VVA 切换 ;第三阶段(20 ～ 30 h), 发动机在 1 500 ～ 3 500 r/ min 运行 , 负荷逐 步增加 , 完 成模块标 定和软 件 VVA 控制 测试 ;第 四阶段(30 ～ 63 h), 发动机在 1 500 ～ 3 500 r/m in 时全负荷运行 , 完成各子系统的功能实现 。 以上各 阶段运行均未实施超速保护 。 2 .2 失效零件描述
公差
ຫໍສະໝຸດ Baidu
±0.03 ±0 .03 ±0 .04 +0 .005 +0 .005
VVA 发动机的滚子摇臂(RRA)采用图 3 所示 的结构 :内摇臂滚动摩擦 , 与小升程凸轮匹配 ;外摇 臂滑动摩擦 , 与两高升程凸轮匹配 。 该产品可实现 气门升程两级可变 。
图 1 VVA 发动机缸盖系统 图 2 VVA 发动机的配气系统
1 VVA 发动机的开发及结构
从布 置 、性能 、可靠 性三 方面 出发 , 进 行轿 车 VVA 发 动 机 的 研 制 , 包 括 全 新 的 缸 盖 设 计 (见 图 1)、配气结构布置设计(见图 2)、优化的进排气系 统设计(含外部 EGR)、发动机强化水冷系统及润滑 系统的优化 、附件驱动设计等 。
图 10 磁性粒子探伤(凸轮)
图 12 失效部位的微观结构
图 13 低升程凸轮的淬硬深度检测
图 14 低升程凸轮关闭段微观结构
4 .2 RRA 检验 RRA 外摇臂的硬度 是 67H RC , 外摇臂摩擦表
面的 DL C(Di am ond-like-carbo n)覆盖层 没有 出现 龟裂和分层 , 因此 DLC 覆盖层黏着良好 , 不会在冲 击载荷下脱落和破损 。 4 .3 配气机构控制策略分析
表 2 阀系分析结果
转速/ r · min -1
接触应力/
MPa
高 升 程
落座速度/ mm ·(°)-1
加速度/
mm ·(°)-2
接触应力/
低 升 程
MPa
落座速度/ mm ·(°)-1
加速度/
mm ·(°)-2
0 770
1 050
3 800
4 000 650
6 000 6 600 630 0 ～ 750
VVA 发动机的 EM S 与传统发动机不同 , 增加 了配气机构的控制策略 , VVA 系统动作时 , 必须在 凸轮的 基 圆 段完 成 , 且 该 发 动 机 一 个 OCV (Oil
· 70 · 车 用 发 动 机 2010 年第 6 期
中碳钢凸轮轴采用中频感应淬火处理后的硬度 在 57H RC 以上 , RRA 采用优质合金钢和轴承钢 ,
图 6 V V A 发动机配气机构分析模型
图 7 气门升程型线
摩擦表面采用先进的 DLC 镀层处理技术 , 表面粗糙 度可达到 Ra0 .05 , 硬度可达到 67H RC 以上 。摩擦 系数 0 .3 , 标定转速高升程为 6 000 r/ min , 低升程为 3 800 r/ min 。 3 .2 CAE 分析结果