某款發動機VVT相位故障問題解析與改進

陳麗霞，趙乃博，胡廣，喬彥超

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引言

正時系統是發動機五大系統之一，配氣正時系統由正時系統和配氣機構共同組成，其功能為保障發動機正常順暢的呼吸。VVT在正時系統中起著關鍵作用，在不同工況下調節凸輪相位來控制燃燒室內的進氣量，對燃燒進行調節，從而調節發動機的功率和轉矩[1]。

1 問題描述

某車輛在行駛中故障燈點亮，診斷儀檢測后得到發動機相位故障碼，通過統計市場發生的47例VVT相位故障發現，55%故障集中在30 000 km以內，86%集中在45 000 km以內，20 000～30 000 km為故障高發區間。

2 原因分析

2.1 故障排查[2]

1）對故障車輛故障碼進行讀取，VVT相位故障車的故障碼為P034100，故障解讀為進氣側相位傳感器信號不合理。

2）對OCV閥接插件進行排查，插件無異常，重新插拔安裝，故障碼依舊復現，因此確定插件無異常。

3）更換新OCV閥，故障碼依舊復現，因此確定OCV閥無異常。

4）更換相位傳感器，故障碼依舊復現，因此確定相位傳感器無異常。

5）測量凸輪軸信號盤與相位傳感器的距離為1.5 mm，因此確定相位傳感器與信號盤距離無異常（如圖1）。

圖1 相位傳感器

6）一缸盤至壓縮上止點位置，評價凸輪軸相位信號盤的角度，信號盤安裝無異常。

7）更換進氣側VVT，車輛故障消除。故障跟隨進氣VVT；拆解后進行故障確認，發現進氣VVT鎖銷表面異常磨損（如圖2），轉子（如圖3）和定子（如圖4）均存在磨損問題。

圖2 VVT鎖銷

圖3 轉子

圖4 定子

根據以上分析可知，進氣VVT鎖銷異常磨損造成鎖銷間隙增大，轉子和定子嚴重磨損，導致VVT相位故障問題。

2.2 故障分析

對零部件單體質量及設計尺寸進行排查[3]。

1）鎖銷全尺寸檢測，鎖銷直徑、高度及倒角等尺寸滿足圖樣要求，無異常。

2）鎖銷金相檢測。檢測結果為回火馬氏體組織，滿足圖樣要求。

3）鎖銷硬度分析。要求為38～43 HRC，實測為39～41 HRC，合格。

4）蓋板密度檢測。密度要求為6.8～7.2 g/cm3，實測為6.9～7.2 g/cm3，密度合格。

5）蓋板平面度評價。要求為0.05 mm，實測為0.003～0.020 mm，平面度合格且保證水平較好。

6）蓋板粗糙度評價。粗糙度要求為Ra3.2 μm，實測為Ra0.67～1.90 μm，檢測合格。

7）彈簧座全尺寸檢測。長度、寬度、變形角及輸出轉矩等滿足圖樣要求，無異常。

8）對標分析（如表1）。通過對比標桿機型，標桿機型的鎖銷和蓋板的材料硬度高于故障機的材料硬度，鎖銷頂部的倒角偏小（如圖5）。

圖5 鎖銷頭部圓角對比

表1 零部件尺寸對比

9）VVT起落銷試驗。180萬次起落銷，鎖銷和蓋板表面存在異常磨損（如圖6）。

圖6 蓋板+鎖銷磨損圖片

根據以上分析可知，通過起落銷單體耐久驗證，故障原因為鎖銷和蓋板的材質硬度偏低且鎖銷頂部的倒角偏小，結合故障大多發生在長里程范圍的情況，可判定鎖銷長時間運動過程中易產生異常磨損，造成配合失效，導致故障發生。

3 整改對策

對于鎖銷，調質處理改為淬火處理，硬度由38～43 HRC提升到53～58 HRC，鎖銷頭部圓角由R0.6 mm 更改為R0.8 mm，對VVT鎖銷頭部進行拋光處理[4]。

對于蓋板鎖銷孔，淬火位置由蓋板鎖銷孔改為鋼套結構（蓋板鎖銷槽更改前如圖7所示，更改后如圖8所示），材料由粉末冶金改為40Cr，硬度由35～45 HRC提升到48～53 HRC。

圖7 蓋板鎖銷孔

圖8 蓋板鎖銷孔壓裝鋼套

4 效果驗證

對優化后的VVT開展性能試驗驗證，性能均滿足要求，整改有效。

1）整車VVT跟隨性、臺架VVT跟隨性、NVH、VVT起落銷、耐臟油落銷試驗，驗證均滿足要求。

2）VVT整車跟隨性試驗。穩態偏差≤2 CA，目標與實際相位偏差＞4 CA時間小于1 s。

3）VVT臺架跟隨性試驗（如圖9）。響應時間≤0.6 s，調節時間≤1 s，穩態偏差≤1.5 CA，超調≤3 CA[5]。

圖9 VVT臺架跟隨性試驗

4）NVH 試驗。2POT，3WOT，IDLE冷啟動，對比NVH，無敲擊噪聲，相比原狀態無惡化（如圖10）[6]。

圖10 NVH試驗

5）VVT起落銷試驗。VVT帶動鏈條起落銷，鏈條力為600 N，頻率為1 Hz，試驗500 h（180萬次起落銷），鎖銷無異常磨損（如圖11）[7]。

圖11 試驗后鎖銷狀態

6）耐臟油落銷試驗。油溫為（100±5）℃，油壓為（500±20）kPa，OCV閥外接控制VVT 工作，頻率為1 Hz，每隔10 min檢查鎖銷復位情況，檢查50次。鎖銷可正常落銷。

7）臺架及整車試驗鎖銷磨損對比。整車10 萬km綜合耐久驗證，整改前VVT鎖銷磨損量為0.55 mm（如圖12），整改后磨損量為0.012 mm（如圖13），整改有效。

圖12 整改前鎖銷

圖13 整改后鎖銷

對整改后樣件完成整車VVT跟隨性、臺架VVT跟隨性、NVH、VVT起落銷、耐臟油落銷試驗及耐久試驗，均通過試驗，整改有效。

5 結語

本次針對VVT相位故障問題進行了全面的解析，從故障現象開始對相關零部件進行尺寸檢測、硬度檢測、金相檢測及單體耐久分析，對故障零部件金相進行全面剖析，并對標桿機進行對標，分析耐久性強的機型相關結構及相關零部件的技術參數，針對差異點進行剖析論證，結合故障失效原因確定零部件整改對策，整改后對零部件單體進行全面的可靠性驗證。優化了鎖銷的硬度和倒角，優化了蓋板鎖銷孔結構并提高硬度以改善銷孔的耐磨性能，從而解決了鎖銷和銷孔異常磨損帶來的VVT相位故障問題。