第三届连接技术研讨会
智数汽车大数据锦湖日丽原材料麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 28|回复: 0

[分享] 某商用车发动机气门桥失效分析

[复制链接]
发表于 2020-3-2 09:17:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
本帖最后由 fawmat 于 2020-3-2 09:19 编辑

某商用车发动机气门桥失效分析

裕莉莉 刘瑶 柴之龙 李琨 王吉洋
(中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春 130011)
【中国汽车材料网】摘要:某商用车发动机气门桥在用户使用过程中陆续发生多起断裂事故,为此对其断裂和接触损伤模式及内在质量进行了相关的检验分析。该气门桥的材料和热处理质量符合图纸技术要求;通过失效模式分析认为气门桥属脆性弯曲断裂,与发动机转速过高,配气系统运行不稳定而发生的机械干涉有关。
关键词:发动机 气门桥 脆性断裂 机械干涉

1 失效概述

发动机配气系统的相关结构件相互之间贴合性无间隙配合,在两端的凸轮轴和气门弹簧的相互反向制约下做定向和复位运动。气门桥用于双气门结构,自身的结构为简支梁形式,上下分别于摇臂象脚和气门顶端接合,工作中起到同步推动双进气门或双排气门作用。结构见图1。

74014c58cd322fe3925c053a34e3eeb8.jpg
图1 双气门及气门桥结构

某商用车发动机气门桥在用户使用过程中陆续发生多起断裂现象,涉及到系列发动机的多款型号,总体的频次表现出了大功率的发动机多一些,而且从反馈的信息中获知进、排气门桥均出现此问题,相关数据见表1所示。气门桥断裂均发生在桥拱的变截面圆角的根部部位,见图2。

表1 气门桥断裂情况
2d5f30cfcc595da56803eddfea823a2e.jpg

089b17f77f52265281895e41bcee584d.jpg
图2 气门桥断裂情况

该气门桥技术要求中规定材料为20 Cr,碳氮共渗热处理,表面硬度为58~62 HRC,心部硬度为25~45 HRC,总硬化层深度最小0.6 mm(550HV1)。


2 失效模式分析
2.1 断裂位置

气门桥的断裂均发生在梯形胯裆的棱角边缘处,如图3所示。开裂形态为简支梁结构的弯曲脆性断裂断口,断口粗糙。裂纹源起源于桥拱内凹面过渡圆角处,非单源性的开裂,如图4所示。

90dd428751ee62f66f3cd324b37ccd16.jpg
图3 气门桥断裂部位

85400ecd7ceda93d149564a61f9ee94e.jpg

图4 气门桥脆性断口

2.2 微观断口特征

将气门桥断口用丙酮超声清洗后,用ZEISS MERLIN Compact扫描电子显微镜对断口的各个区域进行分析。断口的起始区域和边缘部位为沿晶或带有沿晶倾向的断口,这与零件边缘的高强度的渗层组织特性有关,如图5所示;其它区域是解理为主或解理加韧窝形态的断口,这与基体组织有良好的塑韧性有关,如图6所示。

7131efb4e704f3eedf6f4dae8a34689b.jpg
图5 沿晶倾向的断口
c3238a4e2ee2aae2742a30127ae1e3f9.jpg

图6 解理加韧窝形态断口

2.3 气门桥的异常接触问题

气门桥在传递配气系统的运动中,分别以不同的结构与摇臂象脚和气门端头滑动摩擦性接触,断裂的气门桥则在这两个接触部位有着不同的接触性损伤,具体如下。

a.气门桥与摇臂象脚为平面式滑动接触。但在气门桥接触面上存在一个有大量近于“同心圆”式的弧形沟痕划伤带,如图7所示。高倍下观察可见有较多的弧形表面裂纹(如图8所示)。这种弧形划伤沟痕的形成被认为是与象脚的棱边干涉或碰撞而形成的,又在后续的工作中被敲击或碾平呈弧形裂纹形态。从这种损伤可以认为配气系统可能有阶段性的运行不平稳的情况,这里主要指气门桥可能会有倾斜的情况发生,而且此种情况发生在奇门桥与象脚脱离的状态下,当然也不排除象脚的不平稳而发生轴线偏离的情况。

cea569d81ec9eb38e44b827f84536f62.jpg
图7 接触面弧形损伤条带
bf5bc19bd95487e57ffdc72a537d27d0.jpg

图8 接触面的弧形裂纹

b.气门桥与两个气门端头接触结构是凹槽的形式,其中一个圆孔,另一个为长圆孔。在长圆孔凹槽一侧,槽口边缘处有异常的接触和撞击损伤痕迹,分别见图9和图10所示。

这种情况同样也被认为与配气系统机械运动的不平稳有关,即认为运行过程中气门端头有起跳、越出凹槽并与槽口干涉碰撞的情况,而且这种异常的接触情况在与其配合气门端头边缘处同样可以看到。

aca7cc445e5a842a0684c45467479cbd.jpg
图9 长圆孔凹槽边缘异常磨损宏观形态
1fc4c3825f46cacbe0290694ee3cde27.jpg

图10 长圆孔凹槽边缘异常磨损微观形态

3 理化检验3.1 化学成分分析

在失效的气门桥上取样,根据GB/T 20066-2006进行化学成分检验,结果见表2。结果表明,失效气门桥的化学成分符合技术要求。

表2 化学成分检验 %
b86289dcfb5913d3f85be77ffdbd3ad3.jpg


3.2 机械性能检验分析

在气门桥上取样进行机械性能的检验分析,结果见表3。检验结果表明,气门桥的表面硬度、心部硬度、有效硬化层深度均符合技术要求。

表3 机械性能检验
3a8c035f981ffe88688d63e08fe1bb9a.jpg

2110443bd98116a79583529c4188a267.jpg
图11 表面马氏体组织
f6fdc6275113f68db97e7ab89df023a2.jpg

图12 心部低碳马氏体组织

4 讨论分析

a.气门桥上下两个不同部位、不同接触损伤情况看,它们都指向了一个共同的问题,配气系统在运行过程中会发生阶段性的不平顺现象,表现为气门桥工作状态的不稳定性。实际上是指系统运行的各接触点可能会发生脱离和非正常接触现象,而气门桥与上下双侧的接触均有脱离的现象。但并不排除整个配气机械系统的其它接触点也有脱离的现象,致使摇臂的两个接触点更容易发生干涉的现象。

b.从摇臂与象脚的异常接触弧形沟痕的分布方向看,摇臂的倾斜不稳在各个方向都存在,但在长度方向稳定性略差,这里指两个气门的回位会有不同步的情况,而且长圆孔凹槽一侧的气门回位要更差一些。

c.关于系统内接合部件的脱离问题,一般认为是在发动机工作转速处于异常高的情况下发生的。高速运转条件下机械运动的随动性、或是气门弹簧的回位速度跟不上所导致。这种情况下,较大的跳动、局部点的异常接触和顶死,导致了系统内承受了异常载荷,并在薄弱环节发生机械损伤和断裂;而且非正常的接触或导致各相关零部件的顶死、冲击等现象,即指气门与活塞可能发生碰撞。这些情况应该是气门桥承受异常载荷而弯曲断裂的原因。


5 结论

a.气门桥的材料和热处理质量符合图纸技术要求;

b.气门桥的断裂属于在异常载荷作用下的弯曲脆性断裂;

c.从气门桥上的几个异常接触损伤的模式可以判定,该配气机械系统在发动机某种特定的工作条件下,系统内会因为相关零件回位不及时和不到位的跳动情况,而气门桥的相关接触结构特性使得其可能发生结构干涉、占位的情况;

d.这种干涉和运行体系上的尺寸占位问题,将会导致气门与活塞的机械干涉和碰撞,使得整个系统内受到不同程度的冲击载荷,发生各种的机械损伤问题。气门桥弯曲脆断则是在异常冲击载荷作用下,发生在系统内薄弱环节的一种损伤模式。


您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则