某2.0L柴油機噴油器壓板斷裂故障分析與改進(jìn)

解亮，林園園

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 前言

噴油器壓板為噴油器壓緊機構(gòu)的重要一環(huán)，起到對噴油器與缸蓋間密封作用，防止缸內(nèi)高壓高溫燃?xì)庑孤惺芨變?nèi)超高爆壓的脈沖沖擊，工作環(huán)境十分惡劣。柴油機噴油器壓緊機構(gòu)包括噴油器壓板，壓板螺栓及支撐墊塊，支撐墊塊為固定在缸蓋上的支點，利用杠桿原理，壓板螺栓將壓板向下壓緊，壓板將力傳遞到噴油器壓緊位置（肩部），使噴油器銅墊片發(fā)生塑性變形，以實現(xiàn)對噴油器的固定和密封。

本文針對某 2.0L柴油機臺架試驗中出現(xiàn)的噴油器壓板斷裂故障，從壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、制作工藝和外部因素等方面進(jìn)行失效原因分析，最終找到主要故障原因，并提出改進(jìn)措施。

2 故障現(xiàn)象描述

某2.0L柴油機進(jìn)行臺架磨合試驗時，2#缸和4#缸噴油器壓板突然發(fā)生斷裂，噴油器飛出缸蓋并損壞、發(fā)動機熄火、燃油管破裂噴油、試驗終止。從故障件可以看出，斷裂位于壓板螺栓孔中間，斷口較均勻。該壓板采用精密鑄造工藝制作，材料選用高合金鋼42CrMo，要求硬度HRC30～HRC35，表面鍍鋅處理。

3 故障原因分析

3.1 鑄造工藝不合格

對斷裂的噴油器壓板進(jìn)行了理化試驗分析，分析顯示壓板宏觀斷口呈嚴(yán)重的凹凸不平狀，顏色灰暗，無金屬光澤，無塑性變形區(qū)，無明顯裂紋源，目視即可見有枝晶狀結(jié)晶平臺，如圖2 所示，總體判斷為脆性斷裂。

圖1 噴油器壓板斷裂

圖2 噴油器壓板端口

在洛氏硬度計上檢測顯微組織試樣的中心位置，任測二點，檢測結(jié)果為：38.5/39.2HRC，如圖3所示，硬度值處于材料（42CrMo）要求上限，經(jīng)驗表明，高硬度的合金鋼在電鍍時如未進(jìn)行較好的去氫工藝，極易發(fā)生“氫脆”，即氫存在于金屬材質(zhì)中，造成應(yīng)力集中，超過材質(zhì)強度極限后形成細(xì)小裂紋。

圖3 壓板試樣硬度檢測

另外，在斷口周邊發(fā)現(xiàn)有鑄造孔洞類缺陷，如圖4所示，這些裂紋極易引起脆性斷裂。由該壓板的制作工藝可知，壓板鑄造采用重力澆注，螺栓孔兩側(cè)為澆注通道，然而該處通道較窄，易在此處形成鑄造疏松。

圖4 壓板斷口試樣高倍放大分析

由上述分析可知，鑄造工藝不合格造成材質(zhì)內(nèi)部存在空洞類缺陷，是發(fā)生斷裂故障的主要原因之一。壓板在鍍鋅處理時未做有效的去氫工藝，也會加速發(fā)生脆性斷裂。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

對壓板進(jìn)行了設(shè)計檢查，三維帶入CAE計算極限應(yīng)力。根據(jù)設(shè)計要求噴油器壓板螺栓打緊力矩為 40Nm，計算出作用于壓板的螺栓軸向力約為22kN，確定支點和噴油器空間位置后，對壓板進(jìn)行了極限應(yīng)力計算。

由計算結(jié)果可知，螺栓孔下邊緣直角端部最大應(yīng)力為875MPa，如圖5所示，接近材料評價限值880MPa。螺栓打緊力由噴油器壓緊力要求決定，經(jīng)校核40Nm力矩符合要求。在此力矩下，壓板螺栓孔出出現(xiàn)應(yīng)力集中，證明壓板設(shè)計存在缺陷，這也是導(dǎo)致壓板斷裂的主要原因之一。

圖5 噴油器壓板極限應(yīng)力計算

分析設(shè)計可知，噴油器壓板厚度較薄，僅 12.8mm，低于經(jīng)驗設(shè)計值，另外，螺栓孔下邊緣無倒角過度設(shè)計，易造成應(yīng)力集成。

4 改進(jìn)措施及驗證

4.1 改進(jìn)壓板制作工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計

將壓板鑄造工藝改為鍛造工藝，鍛造工藝對于部件結(jié)構(gòu)要求較低，可以消除鑄造缺陷。并在鍍鋅過程中加入去氫工藝，消除氫脆影響。

針對壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，增加壓板厚度，提高整體強度，厚度由12.8mm增加到17mm。螺栓孔下沿增加C1倒角，消除銳邊。

設(shè)計改進(jìn)后的CAE計算結(jié)果顯示，原設(shè)計螺栓孔處最大應(yīng)力降低到541MPa，如圖6所示，小于材料屈服極限。

圖6 設(shè)計改進(jìn)后壓板的極限應(yīng)力計算結(jié)果

對整改后的噴油器壓板（工藝改進(jìn)和設(shè)計改進(jìn)）進(jìn)行了發(fā)動機臺架試驗4臺次，如表1 所示，未發(fā)生壓板斷裂故障。

表1 改進(jìn)方案驗證試驗項目

圖7 發(fā)動機臺架試驗

5 結(jié)論

本文針對某2.0L柴油機噴油器壓板斷裂故障，對斷裂壓板進(jìn)行理化分析和CAE分析，并判斷出鑄造工藝不合格和結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理兩個故障原因，根據(jù)故障原因制定了整改措施，并進(jìn)行了充分的試驗驗證，證明分析原因合理，整改措施有效，徹底解決了噴油器壓板斷裂故障。