可變長度進氣歧管的失效分析

黃振霞， 張帆， 韋家良

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；3.廣西康明斯工業動力有限公司，廣西柳州545112）

可變長度進氣歧管的失效分析

黃振霞1，2， 張帆2， 韋家良3

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；3.廣西康明斯工業動力有限公司，廣西柳州545112）

在某款發動機臺架耐久試驗中，可變進氣歧管的VGIS卡死無法動作，導致發動機扭矩突然下降。通過拆解分析、振動測試、振動試驗故障重現等方法分析VGIS卡死原因。結果表明：在發動機振動作用下，VGIS執行機構驅動柄與限位塊相對運動摩擦過大，滿足摩擦焊接的機制造成粘連，導致VGIS卡死。分析優化方案，優選成本低、周期短的改進方案——將接觸面改為塑料與金屬接觸，避免塑料粘連。改進后的可變進氣歧管通過發動機臺架耐久試驗和整車耐久試驗驗證，VGIS卡死問題圓滿解決，并為其他可變進氣歧管的設計提供借鑒。

發動機；可變長度進氣歧管；VGIS執行機構；驅動柄；摩擦焊接

0 引言

車用汽油發動機對動力性和經濟性要求越來越高，而普通自然吸氣發動機進氣歧管難以兼顧整個轉速范圍內的動力和經濟特性。可變長度進氣歧管利用發動機進氣的諧振效應提高發動機的充氣效率，同時兼顧高低速轉速范圍內的動力特性和經濟特性。然而可變長度進氣歧管結構較復雜、零部件較多且存在運動部件，故失效模式增多、失效概率增大［1－2］。

1 可變長度進氣歧管失效模式

在某款汽油發動機臺架耐久試驗中，出現數例發動機扭矩突然下降的現象。檢查發現，在需要可變進氣歧管切換長短氣道的時候，可變長度進氣歧管的VGIS（Variable Geometric In?take System）執行機構沒有動作。停機檢查可變進氣歧管，發現其中1個可變進氣歧管的VGIS執行機構停留在長氣道狀態、4個停留在短氣道狀態。用手扳動VGIS執行機構，執行機構卡死不能動作。

2 VGIS執行機構介紹

如圖1所示，該可變進氣歧管的可變機構軸端固定有驅動柄，驅動柄與真空執行器的驅動拉桿相連。執行器下殼體上有上下兩個限位塊，限制驅動柄的運動范圍。執行器下殼體通過螺栓固定在進氣歧管殼體上。真空執行器在真空膜杯兩端的壓力差作用下推動驅動拉桿運動，使VGIS執行機構切換到短氣道狀態。當需要回到長氣道狀態時，執行器拉桿在執行器彈簧力作用下推動執行機構復位。

3 可變進氣歧管失效原因分析

對故障進氣歧管進行拆解分析，發現VGIS執行機構的驅動柄與限位擋塊的接觸面存在熔融和壓潰現象。將驅動桿從中間鋸斷，轉動VGIS執行機構，執行機構轉動自如，如圖2所示。由此可以斷定，由于驅動桿與限位擋塊發生粘連，導致執行機構卡死。

可變進氣歧管默認長氣道狀態，此時驅動柄在下限位置時，驅動柄與下限位塊間的力為VGIS執行器中的彈簧力F1（初始位置彈簧力17 N）；在發動機轉速大于4 400 r／min時切換到短氣道，執行機構驅動柄處于上限位置，驅動柄與下限位塊間的力F2為執行器兩腔壓差力減去彈簧力。上限位置時壓縮彈簧力為23 N，正常工作時執行器真空端的壓力p1為30～66 kPa；當地大氣壓p0為101 kPa；驅動拉桿有效受力面積S為1 590 mm2。故，F2＝（p0－p1）·S≈56～113 N。

進氣歧管的振動來源于發動機振動。該故障進氣歧管所配發動機為某型4缸汽油機，額定發動機轉速為5 600 r／min， VGIS切換轉速為4 400 r／min。運用式 （1）可估算得到發動機的激振頻率ω范圍為0～200 Hz。

式中：N為發動機氣缸數；

n為發動機轉速［4］。

用閃頻儀觀察VGIS執行機構的振動情況，可看到執行機構有明顯的軸向 （亦即發動機曲軸軸線方向）竄動，即驅動柄與擋塊在執行機構軸線方向來回摩擦。

在發動機臺架上，節氣門全開發動機從怠速在2 min內勻速增速至額定轉速，監測進氣歧管VGIS執行機構處的振動如圖3所示。

Y軸平行于曲軸中心線指向發動機飛輪端；

Z軸平行于氣缸線，指向缸蓋；

X軸根據右手定則確定，應與氣缸中心線所在的中心面垂直，指向排氣側。

可見，VGIS執行機構軸向的振動較大，且在4 750 r／min后振動加速度增長較快。

接觸、振動、壓力、位移 （振幅），振動摩擦焊需要的幾個條件都存在，VGIS執行機構驅動柄與限位塊的粘連可以理解為振動摩擦焊接。

振動摩擦焊接是一種利用兩焊件相對振動引起界面摩擦產生的熱量實現焊接的技術，焊件被放置在規定的裝置上，在一定的壓力下，在接觸面上進行振動而發生摩擦，直到界面開始熔化，然后停止振動，繼續保壓直至固化，從而達到焊接目的［3］。

在發動機振動作用下，可變進氣歧管的VGIS執行機構發生軸向竄動，執行機構的驅動柄與執行器下殼體上的限位擋塊相對運動，并在執行器拉桿的壓力作用下相互摩擦產生熱量，溫度升高，接觸面熔化發生粘連。

上限位置時，執行器彈簧的壓縮彈簧力為23 N，執行機構的靜摩擦力約為15 N。當可變進氣歧管需要回到長管狀態時，執行器彈簧克服執行機構的摩擦力，將執行機構推回初始位置（驅動柄處于下限位置）。在短管狀態，驅動柄與限位擋塊間壓力為56～113 N，執行機構處的振動隨著轉速的增加急劇增大，故摩擦更加劇烈，接觸面更易熔化粘連。即使還沒有完全冷卻固化，只要粘連造成的運動阻力大于 （23－15＝8 N）8 N，執行機構將不能回到初始狀態。當發動機轉速降低或停機，環境溫度降低，熔化部分固化，VGIS執行機構徹底卡死。

發動機轉速小于4 400 r／min時，可變進氣歧管都處于長管狀態。驅動柄與下限位擋塊間一直存在17 N的執行器彈簧力。低轉速時振動較小，但是運行時間長。雖然接觸面的熔化程度不如短管狀態的嚴重，但接觸面間一直存在17 N的壓力，發動機停機后自然固化至VGIS執行機構卡死。

4 問題解決措施與效果

要避免VGIS執行機構驅動柄與限位擋塊粘連，需要從振動摩擦焊需要的幾個條件入手。

減小振動，不現實。首先降低發動機本身的振動難以實現；增加進氣歧管的結構強度以減小傳遞到VGIS執行機構的振動，但需要更改歧管結構和生產模具，由于歧管結構變更，歧管驗證的大部分試驗需要重做，更改的成本高、周期長，無法滿足項目要求。減小接觸面的壓力一樣無法實現，一味減小執行器彈簧力，VGIS系統的穩定性將難以保證。

為此，作者選擇改變接觸面來避免粘連的現象。在注塑執行器下殼體時，直接在限位塊表面嵌入金屬片，使接觸面變成了塑料與金屬接觸，避免塑料粘連現象。

更改后，可變進氣歧管通過了發動機臺架試驗中和整車試驗驗證，均無類似VGIS卡死的故障發生。

5 結束語

可變進氣歧管結構相對復雜、零部件多，還存在運動機構，故相對于普通進氣歧管更易失效，且多為可變系統／機構的失效。在做可變進氣歧管的設計時，更要注重歧管的結構強度。應盡量減小可變系統／機構的振動，尤其是執行機構軸向的竄動，避免驅動柄與限位擋塊粘連。

【1】王東榮，顏平濤，楊陳，等.基于AVL BOOST的汽油機兩級可變進氣系統研究［J］.小型內燃機與摩托車，2014（6）：7－10.

【2】李明，許敏，趙金星，等.基于GT?Power仿真的2.0 L汽油機動力性能分析與優化［J］.汽車技術，2011（3）：5－11.

【3】劉勇，李朝暉，朱彩萍.塑料紅外預加熱振動摩擦焊接技術研究［J］.工程塑料應用，2012（9）：53－56.

【4】王正，王增全，郭凱，等.渦輪增壓器旁通放氣閥桿疲勞斷裂研究［J］.車用發動機，2012（1）：77－80.

Failure Analysis of Variable Intake Manifold

HUANG Zhenxia1，2，ZHANG Fan2，WEIJialiang3
（1.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China；3.Guangxi Cummins Industrial Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi545112，China）

Intakemanifold VGIS is locked in engine endurance test，leading to engine torque drop unexpectedly.The failure cause of VGISwas analyzed by teardown analysis，engine vibrationmeasurementand vibration test fault recurrence.The result shows that the friction be?tween VGIS driver dog and its stop block is large，and meets fiction welding conditions，driver dog sticks on stop block，and leads to VGIS lock.Several optimization schemes were analyzed，the low costand simplestschemewas selected in which a steel slicewas inserted on the con?tact surface，making driver dog contactwith steel avoid plastic sticking.The optimized variable intakemanifold has passed the engine rig test and vehicle endurance test.VGIS failure problem is solved successfully and it provides a reference for other variable intakemanifold design.

Engine；Variable intakemanifold；VGIS actuator；Driver dog；Friction welding

2015－04－07

黃振霞 （1984—），女，學士，工程師，主要研究發動機進氣系統。E?mail：zhenxia.huang＠sgmw.com.cn。