四缸柴油發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，質量小，高速性等優點[2]。

鏈條傳動布置現已廣泛用于4 缸小排量柴油發動機，鏈條代替齒輪傳動進行配氣機構驅動，使發動機在工作循環和發火順序下及時關閉或開啟氣門。如果鏈條出現斷裂，發動機就會立刻停止工作，甚至出現氣門打頂，打爛活塞等嚴重故障。組織檢測在不同凸輪軸軸蓋螺栓力矩下凸輪軸回轉力矩、凸輪軸軸蓋孔內徑等數值變化，結果發現，當凸輪軸軸蓋螺栓擰緊力矩過大時，凸輪軸轉動不靈活，回轉力矩增大，造成凸輪軸卡滯，進而導致鏈條斷裂、鏈輪崩齒等故障。

以上研究表明，發動機設計開發時，對于凸輪軸回轉運動件，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 缸柴油發動機在綜合路況可靠性試驗時出現鏈條斷裂為例，分析故障原因，提出改進方案，并對方案進行可靠性試驗。

1 故障現象

某型號4 缸柴油發動機在襄陽試驗場進行綜合路況可靠性試驗，當試驗進行到423km 時，發現發動機無法啟動。拆檢發動機，發現正時鏈條組件斷裂，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。對出現斷裂故障的正時鏈條組件進行理化分析發現，2 個外鏈板斷裂形成4個斷口（圖5），分別標志為斷口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。本次發動機各缸進排氣門出現不同程度打活塞頂的痕跡。分析認為，這可能與試驗過程排氣制動有關。在氣門打活塞頂的情況下，鏈條承受額外的異常載荷，增大鏈條斷裂風險。

推斷本次故障發生過程為：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生斷裂，之后，同一件外鏈板的另一處、同一鏈節中的另一件外鏈板和鏈輪，相繼發生斷裂，從而造成凸輪軸停止轉動，部分氣門與活塞嚴重打頂，致使搖臂體斷裂。

（2）惰齒輪組件鏈輪斷裂。對出現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，裂紋源區位于輪齒受載一側齒面，斷口表面比較粗糙，未發現明顯的材料缺陷，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現，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，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外兩側，都存在多道裂紋（圖8）。搖臂體出現多道裂紋，推斷與活塞打頂使搖臂體承受異常沖擊載荷關聯大，屬于受累件。

圖8 搖臂體斷口

理化分析結論顯示,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。搖臂體出現多道裂紋，推斷與活塞打頂使搖臂體承受異常沖擊載荷關聯大，應為正時鏈條斷裂后，凸輪軸停止轉動，致使部分氣門與活塞嚴重打頂，同屬于受累件。

2.2 受力異常點分析

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

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致進、排氣側凸輪軸卡滯抱死。凸輪軸軸蓋變形量，調查發現制造工藝按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、回轉力矩、凸輪軸止推檔痕跡等進行核實。

根據表1 檢測數據，可以表明凸輪軸軸蓋螺栓按13±2 N·m 擰緊工藝進行擰緊，凸輪軸軸蓋孔結構發生變形，軸孔直徑變小，不滿足設計要求。

表1 凸輪軸軸蓋擰緊力矩對軸孔直徑的影響

表2 檢測數據表明，進、排氣側凸輪軸回轉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，回轉力矩達到6 N·m，也說明凸輪軸軸蓋已經發生嚴重變形。

表2 凸輪軸回轉力矩值

凸輪軸回轉力矩增加，摩擦阻力增大，當兩個不正常的摩擦副放出的熱量燒熔摩擦表面的金屬，在發動機停機后，兩個摩擦副融化的金屬攪合在一起冷卻，出現凸輪軸抱死凸輪軸蓋的情況。

3 改進方案及驗證

調整凸輪軸軸蓋擰緊工藝，根據前期工藝驗證，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力矩增加大的情況。

分析抽檢數據，發現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，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3000 臺以上，均無凸輪軸抱死故障反饋。

4 結語

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