四缸柴油發(fā)動機鏈條斷裂故障分析

劉顯宏

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

發(fā)動機凸輪軸布置形式是有下置、中置、頂置三種方式，其中下置、中置凸輪軸布置形式，多采用齒輪傳動，頂置凸輪軸布置形式多采用齒帶傳動和鏈條傳動[1]。與下置、中置凸輪軸相比，頂置凸輪軸具有零件少，質(zhì)量小，高速性等優(yōu)點[2]。

鏈條傳動布置現(xiàn)已廣泛用于4 缸小排量柴油發(fā)動機，鏈條代替齒輪傳動進行配氣機構(gòu)驅(qū)動，使發(fā)動機在工作循環(huán)和發(fā)火順序下及時關(guān)閉或開啟氣門。如果鏈條出現(xiàn)斷裂，發(fā)動機就會立刻停止工作，甚至出現(xiàn)氣門打頂，打爛活塞等嚴(yán)重故障。組織檢測在不同凸輪軸軸蓋螺栓力矩下凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩、凸輪軸軸蓋孔內(nèi)徑等數(shù)值變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩過大時，凸輪軸轉(zhuǎn)動不靈活，回轉(zhuǎn)力矩增大，造成凸輪軸卡滯，進而導(dǎo)致鏈條斷裂、鏈輪崩齒等故障。

以上研究表明，發(fā)動機設(shè)計開發(fā)時，對于凸輪軸回轉(zhuǎn)運動件，需要考慮零件安裝邊界的影響，不同的凸輪軸軸蓋擰緊力矩會引起凸輪軸軸蓋變形。在選擇凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩時，既要保證凸輪軸軸蓋緊固性（通過CAE 仿真分析手段進行確認最小凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩要求），又不能引起凸輪軸軸蓋變形過大導(dǎo)致凸輪軸徑向間隙過小卡滯，凸輪軸軸蓋變形情況通過采用不同凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩進行擰緊，來驗證凸輪軸轉(zhuǎn)動靈活情況，來評估出較為合理的擰緊力矩范圍。以某型號4 缸柴油發(fā)動機在綜合路況可靠性試驗時出現(xiàn)鏈條斷裂為例，分析故障原因，提出改進方案，并對方案進行可靠性試驗。

1 故障現(xiàn)象

某型號4 缸柴油發(fā)動機在襄陽試驗場進行綜合路況可靠性試驗，當(dāng)試驗進行到423km 時，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機無法啟動。拆檢發(fā)動機，發(fā)現(xiàn)正時鏈條組件斷裂，惰齒輪組件鏈輪一處鏈齒崩齒，第2、3、4 缸的排氣門側(cè)滾輪搖臂部件斷裂，凸輪軸卡死的痕跡。詳如圖1～4所示。

圖1 正時鏈條組件斷裂

圖2 惰齒輪組件鏈輪斷裂

圖3 滾輪搖臂部件斷裂

圖4 進氣側(cè)凸輪軸止推檔抱死

2 故障分析

2.1 理化分析

（1）正時鏈條組件斷裂。對出現(xiàn)斷裂故障的正時鏈條組件進行理化分析發(fā)現(xiàn)，2 個外鏈板斷裂形成4個斷口（圖5），分別標(biāo)志為斷口1～4。斷口1 相對較平坦，推斷其斷裂時所承受載荷相對較小；而斷口2～斷口4 相對較粗糙，推斷其斷裂時所承受載荷相對較大，由此判斷斷口1 為最先形成的斷口。

圖5 外鏈板斷口局部

正時鏈條外鏈板斷裂，其中斷口1 相對較平坦，推斷其斷裂時所承受載荷相對較小，為最先形成的斷口。其它斷口相對較粗糙，所承受載荷相對較大，為后來斷裂斷口。本次發(fā)動機各缸進排氣門出現(xiàn)不同程度打活塞頂?shù)暮圹E。分析認為，這可能與試驗過程排氣制動有關(guān)。在氣門打活塞頂?shù)那闆r下，鏈條承受額外的異常載荷，增大鏈條斷裂風(fēng)險。

推斷本次故障發(fā)生過程為：試驗過程中，氣門打活塞頂，造成鏈條承受額外的異常載荷，正時鏈條外鏈板其中一處先發(fā)生斷裂，之后，同一件外鏈板的另一處、同一鏈節(jié)中的另一件外鏈板和鏈輪，相繼發(fā)生斷裂，從而造成凸輪軸停止轉(zhuǎn)動，部分氣門與活塞嚴(yán)重打頂，致使搖臂體斷裂。

（2）惰齒輪組件鏈輪斷裂。對出現(xiàn)崩齒故障的惰齒輪組件進行理化分析，使用立體顯微鏡對崩齒斷裂面進行觀察。斷口形貌如圖6 所示，裂紋源區(qū)位于輪齒受載一側(cè)齒面，斷口表面比較粗糙，未發(fā)現(xiàn)明顯的材料缺陷，推斷輪齒斷裂時所承受的載荷較大，為過載斷裂。

圖6 鏈輪崩齒斷口形貌

惰齒輪組件的鏈輪所檢項目符合圖定技術(shù)要求，鏈輪崩齒斷口表面比較粗糙，屬過載斷裂，推斷輪齒所承受的載荷較大，為受累件。

（3）滾輪搖臂部件斷裂。組織對斷裂的滾輪搖臂部件進行理化分析發(fā)現(xiàn)，2 件斷裂滾輪搖臂部件，形成4 個斷口，使用立體顯微鏡分別對斷口進行觀察，斷口及匹配斷口形貌如圖7 所示，其斷口形貌都相似，由多個裂紋面組成，心部為最后斷裂區(qū)，斷口表面比較粗糙。

圖7 搖臂體斷口及匹配斷口

每個斷口附近搖臂體內(nèi)外兩側(cè)，都存在多道裂紋（圖8）。搖臂體出現(xiàn)多道裂紋，推斷與活塞打頂使搖臂體承受異常沖擊載荷關(guān)聯(lián)大，屬于受累件。

圖8 搖臂體斷口

理化分析結(jié)論顯示,滾輪搖臂材料符合圖定要求，硬度、有效硬化層深度及金相組織未見異常。搖臂體出現(xiàn)多道裂紋，推斷與活塞打頂使搖臂體承受異常沖擊載荷關(guān)聯(lián)大，應(yīng)為正時鏈條斷裂后，凸輪軸停止轉(zhuǎn)動，致使部分氣門與活塞嚴(yán)重打頂，同屬于受累件。

2.2 受力異常點分析

該4 缸柴油發(fā)動機的傳動系統(tǒng)采用傳動后置結(jié)構(gòu)，齒輪+鏈條傳動方式，通過曲軸正時齒輪帶動惰齒輪，惰齒輪集成鏈輪結(jié)構(gòu)，惰齒輪鏈輪通過鏈條帶動凸輪軸鏈輪，進而驅(qū)動雙頂置的進、排氣側(cè)凸輪軸。

采用FTA 故障樹分析法和5WHY 分析方法開展受力異常點分析后，初步鎖定故障直接原因為凸輪軸軸蓋變形導(dǎo)致進、排氣側(cè)凸輪軸卡滯抱死。凸輪軸軸蓋變形量，調(diào)查發(fā)現(xiàn)制造工藝按13±2 N·m 進行螺栓擰緊，存在凸輪軸軸蓋變形的情況。

組織對采用13±2 N·m 擰緊工藝進行核查，主要從凸輪軸軸蓋擰緊后的軸蓋凸輪軸孔直徑、回轉(zhuǎn)力矩、凸輪軸止推檔痕跡等進行核實。

根據(jù)表1 檢測數(shù)據(jù)，可以表明凸輪軸軸蓋螺栓按13±2 N·m 擰緊工藝進行擰緊，凸輪軸軸蓋孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，軸孔直徑變小，不滿足設(shè)計要求。

表1 凸輪軸軸蓋擰緊力矩對軸孔直徑的影響

表2 檢測數(shù)據(jù)表明，進、排氣側(cè)凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩隨著凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩加大而增加，特別是擰緊力矩達到15 N·m 時，回轉(zhuǎn)力矩達到6 N·m，也說明凸輪軸軸蓋已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形。

表2 凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩值

凸輪軸回轉(zhuǎn)力矩增加，摩擦阻力增大，當(dāng)兩個不正常的摩擦副放出的熱量燒熔摩擦表面的金屬，在發(fā)動機停機后，兩個摩擦副融化的金屬攪合在一起冷卻，出現(xiàn)凸輪軸抱死凸輪軸蓋的情況。

3 改進方案及驗證

調(diào)整凸輪軸軸蓋擰緊工藝，根據(jù)前期工藝驗證，凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩在8±2 N·m 時，凸輪軸軸蓋不存在變形和回轉(zhuǎn)力矩增加大的情況。

分析抽檢數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩在8±2 N·m 時，凸輪軸軸蓋孔直徑尺寸滿足設(shè)計要求。

組織2 輪500 h 可靠性試驗。拆檢時無凸輪軸抱死故障出現(xiàn)，整改方案通過驗證。切換凸輪軸軸蓋擰緊工藝后，跟蹤裝機數(shù)3000 臺以上，均無凸輪軸抱死故障反饋。

4 結(jié)語

從發(fā)動機鏈條斷裂故障情況來看，屬于較重大的運動件故障，組織分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的原因在于凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩不合理，引發(fā)凸輪軸運轉(zhuǎn)時卡滯抱死，進而拉斷鏈條。發(fā)動機開發(fā)過程中，對于螺栓擰緊工藝驗證也是非常重要的，不應(yīng)該僅僅限于主軸承蓋螺栓、缸蓋螺栓等。