發動機冷激鑄鐵挺柱底面剝落分析與改進

摘要：發動機冷激鑄鐵挺柱在可靠性試驗中出現的高頻次底面疲勞剝落問題，從摩擦副磨損機理出發，對負荷和潤滑等進行模擬分析，結合臺架試驗提出了冷激球鐵凸輪與冷激合金鑄鐵挺柱的許用工作條件，改進后有效地解決了挺柱底面的疲勞剝落問題。

關鍵詞：冷激球鐵；凸輪；冷激鑄鐵；挺柱；疲勞剝落

中圖分類號：U464.234 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）02-0085-04

Analysis and the Improvement of the Spalling Problem on Heat Treated

Chilled Cast Iron Tappets

LI Fang， ZHOU Ming-biao

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：Spalling problem on heat treated chilled cast iron tappets was frequently found in the reliability tests of a new engine. After the study on wear mechanism of friction， load and lubrication simulation， combined with bench tests， we have propounded the allowable working conditions for the match of chilled ductile iron cam and chilled cast iron tappet， and also solved the problem finally with effective improvement.

Key words：chilled ductile iron； cam； heat treated chilled cast iron； tappet；fatigue spalling

1 4H柴油機挺柱底面的疲勞剝落

4H柴油機挺柱為平底桶形結構，冷激合金鑄鐵材料，冷激區基體組織為萊氏體（珠光體與滲碳體），表面最低硬度54HRC；凸輪表面母線為微鼓形，冷激球鐵材料，冷激區基體組織為細珠光體和馬氏體，表面硬度40HRC。挺柱中心與凸輪中線偏心量4 mm，以保證挺柱自轉。

在發動機臺架500 h轉速沖擊和1 000 h磨損試驗中，部分挺柱出了不同程度的剝落（見表1），頻次很高（總頻次14/32），問題亟需解決。

2 剝落的機理分析

發動機運轉時，挺柱底面受交變應力作用會產生疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展引起材料表層的脫落。輕微時摩擦面有麻點狀的小坑—“點蝕”， 小坑發展嚴重后形成大面積的剝落坑。這種疲勞剝落的形成與很多因素有關，如摩擦副的材料與金相結構，結構與潤滑，硬度與應力狀況等。

冷激球鐵凸輪與冷激鑄鐵挺柱配對具有良好的抗粘著磨損的特性，因為表面形成的滲碳體具有很高的硬度和較低的摩擦系數，它們之間不容易發生粘著現象。然而，冷激鑄鐵挺柱底表面附近的珠光體與滲碳體會在冷激作用下生長成垂直于底面的長柱狀晶體，使之抗疲勞剝落的能力相對較低，這種組織形態產生輕微剝落的機理有兩種。

（1）在剪應力作用下挺柱底面表層組織發生明顯的塑性流動，由此產生的位錯運動在晶體界面處受阻而形成塞積，當塞積處應力超過滲碳體的斷裂應力時，裂紋便產生，并從次表面開始平行于表面擴展，最后常沿著珠光體與滲碳體的界面發生斷裂（見圖1）。

圖1 裂紋平行于表面擴展機理示意圖

（2） 由于挺柱冷激區表面難以避免存在某些薄弱點（如鑄造缺陷），在最大剪應力及拉應力作用下，裂紋從表面開始，傾斜穿晶擴展（見圖2）。

圖2 裂紋傾斜穿晶擴展機理示意圖

這兩種輕微剝落的機理可歸結為：第一種輕微剝落形式為材料本身金相內在特性導致，另一種則為批量零件制造中不可避免的缺陷導致，兩種因素的綜合效應使冷激鑄鐵挺柱本身具有產生剝落的內在動因。

4H柴油機挺柱底面失效形式符合該特定材料摩擦副抗表面剝落能力相對較弱（抗粘著能力較強）的一般理論規律。基本可確定失效原因為零部件工作狀態超出了材料許用工作條件，零件本身特性導致特定模式的剝落發生。

3 零件工作狀態校核

根據以上失效機理分析結果，通過對零件接觸應力、相對滑移速度以及潤滑三個方面的校核，確定哪些因素超出了零件許用工作條件臨界點，以找出解除失效的對策方案。

3.1 單缸凸輪—挺柱接觸應力校核

建立4H柴油機配氣單閥系機構的動力學模型，對零件的工作負荷進行復算，與AVL推薦的許用動態接觸應力做比較，以校核挺柱工作負荷。

500 h轉速沖擊和1 000 h磨損試驗主要工況下凸輪—挺柱接觸應力計算結果見圖3和表2。

表2主要工況下凸輪—挺柱最大接觸應力MPa

圖3 凸輪—挺柱接觸應力

由計算結果可見（見表3），4H柴油機進氣側凸輪挺柱最大接觸應力為510 MPa，排氣側為680 MPa，均低于AVL對冷激鑄鐵凸輪和冷激鑄鐵平底挺柱的動態接觸應力748 MPa的推薦限值。

3.2 考慮傳動及各缸相互影響的應力校核

考慮到凸輪軸的傳動、支承結構、工作負荷，以及工作轉速等因素可能使凸輪軸這個彈性體在工作中產生強烈的振動，可能造成凸輪桃與挺柱間的接觸應力異常增大，故在軟件中對4H柴油機配氣機構的整個系統搭建模型進行模擬，計算在發動機整個轉速范圍內各缸凸輪與挺柱的最大接觸應力，結果見圖4。

圖4 各個轉速下各缸凸輪—挺柱最大接觸應力結果

由計算結果可見，在考慮軸系綜合影響的情況下，4H柴油機進排氣各缸凸輪—挺柱最大接觸應力在全轉速范圍內確有一些差異，但進氣最大接觸應力不超過520 MPa，排氣最大接觸應力不大于680 MPa，但是沒有超出AVL推薦的限值748 MPa。

3.3 摩擦面相對滑動速度校核

凸輪與挺柱底面為滑動摩擦，工作過程中挺柱底面承受交變剪切應力，凸輪軸轉速越高，挺柱承受的交變剪切應力的頻率也越高，發動機高速高負荷時挺柱更易發生剝落。

4H柴油機額定轉速為2400 r/min，最高轉速2750 r/min，屬于中速發動機，故凸輪軸旋轉對挺柱底面交變剪切應力頻率的影響應屬于目前發動機設計的一般水平。

在挺柱不轉和自轉兩種情況下，挺柱底面某點承受的剪切應力如表3所示。

表3 挺柱底面剪切應力

挺柱自轉使挺柱承受的最大和最小剪切力負荷之差增大，過高的挺柱自轉速度會加劇其底面的疲勞負荷；不轉或自轉速度過小的挺柱所承受的熱負荷較大，零件容易產生粘著磨損。4H柴油機可靠性試驗后挺柱桿部的摩擦痕跡均勻，挺柱底面與凸輪表面無擦傷，可見4H柴油機挺柱在工作過程中存在一定程度的連續自轉，能較好的避免粘著磨損的發生；4H挺柱相對凸輪中心的偏移量為4 mm，與同類機型相近，其自轉速度也與同類機型相近。

3.4 潤滑狀況校核

根據Dowson’s and Higginson’s潤滑經驗公式，可以用潤滑系數來表征凸輪與挺柱之間的潤滑情況（潤滑系數的定義為凸輪曲率半徑與凸輪極坐標半徑之商），并作為潤滑狀態的評價依據：若在凸輪桃尖±30°以內，凸輪潤滑系數計算值在0.15～0.35之間，則可認為凸輪挺柱潤滑狀態良好，并在潤滑系數取0.25時為最佳。

圖5為4H柴油機進排氣凸輪的潤滑系數，可見，在凸輪桃尖±30°以內，凸輪的潤滑系數均在理想值0.25附近，故可認為凸輪挺柱的潤滑狀態良好。

圖5 4H柴油機進排氣凸輪潤滑系數

通過以上的分析，4H柴油機凸輪軸轉速處于發動機設計的一般水平，挺柱自轉連續，凸輪潤滑系數符合理論設計要求。參照AVL的748 MPa推薦限值，進氣側凸輪挺柱最大接觸應力為510 MPa，排氣側為680 MPa，不應該出現挺柱底面的剝落問題，然而這與發動機臺架試驗的結果相矛盾。

根據失效機理分析的結論，4H柴油機挺柱的工作狀況超出了零件材料許用工作條件的臨界點。凸輪挺柱的接觸應力、相對滑移速度、潤滑等因素共同組成了它們的工作環境，其許用工作條件應該由一個綜合指標來體現，只知道AVL的推薦限值，不了解其它實際狀況，只能僅供參考。

根據4H柴油機可靠性試驗結果，結合零件失效的機理分析和零件工作狀態的校核數據，可以得出結論：4H（或與之類似）柴油機，使用CF-4級柴油機機油，冷激鑄鐵平面挺柱與冷激球鐵凸輪配對，底面的許用接觸應力在500 MPa比較合適，當大于這一應力時，挺柱底面將存在著疲勞剝落的風險。

4 改進措施及效果

根據以上分析結論，消除4H柴油機冷激鑄鐵挺柱底面剝落問題有兩個方向：

改變挺柱材料金相組織以提高其內在的抗剝落特性和改善挺柱工作環境使其滿足材料的許用工作條件。

針對以上這兩個改進方向，分別進行了以下改進：

方案1：冷激鑄鐵挺柱進行整體淬火，底面硬度增加至60HRC左右， 使冷激區萊氏體基體組織轉化為馬氏體基體。馬氏體組織的主要特性為高硬度，而硬度的本質就是抵抗塑性變形的能力，故馬氏體組織具有很強的抵抗塑性變形的能力，從本質上可以消除冷激鑄鐵挺柱次表層因塑性變形而形成裂紋源造成剝落的可能性；

方案2：冷激鑄鐵挺柱進行整體淬火，并在配氣機構總體零件基本尺寸不變的前提下，將進排氣凸輪半徑在原基礎上各加大1 mm，這樣挺柱凸輪最大接觸應力減少將近10%，接觸過程中的最小油膜也得到增加。

采用第一種改進方案的挺柱共搭載了2輪1 000h磨損試驗，1次500h冷熱沖擊試驗，以及1次250h超速試驗，采用第二種改進方案的挺柱搭載了1次500h轉速沖擊試驗和1次1 000 h磨損試驗。

在這些試驗中，挺柱底面均未發生剝落問題，摩擦表面也沒有粘著的痕跡；且采用第二種改進方案的挺柱和凸輪，其工作面磨損量較小（見圖6）。

圖6 改進挺柱 1 000 h磨損試驗后的底面狀況。

5 結論

1、4H（或與之類似）柴油機，使用CF-4級柴油機機油，采用與冷激球鐵凸輪配對的冷激鑄鐵挺柱，底面的許用接觸應力在500 MPa比較合適，當大于這一應力時，挺柱底面將存在著疲勞剝落的風險。

2、馬氏體基體、底面硬度合適的冷激鑄鐵挺柱與冷激球鐵凸輪配對，通過大量的發動機臺架可靠性耐久性試驗考核，解決了其底面的疲勞剝落問題，也沒有發生粘著磨損。

參考文獻:

［1］ 嚴立，余憲海. 內燃機磨損及可靠性技術［M］.北京：人民交通出版社，1992.

［2］ 克拉蓋爾斯基．摩擦磨損計算原理［M］．汪一麟譯．北京：機械工業出版社，1982.

［3］ 王成燾，姚振強. 汽車摩擦學［M］.上海：上海交通大學出版社，1992.

［4］ 大連工學院. 金屬學及熱處理［M］.北京：科學出版社，1975.