汽油機凸輪軸軸承失效問題的研究

劉川，路和林，趙波，羅秋萍，劉勝強

(寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336)

0 前言

凸輪軸是發動機配氣機構的主要零部件，通過各缸配氣凸輪驅動氣門按一定的相位開閉，保證氣門升程。凸輪軸軸承磨損會對發動機產生不利影響，引起噪聲和振動，影響正時相位，導致發動機工作異常。本文通過研究某汽油機凸輪軸軸承失效問題，分析潛在失效模式和原因，提出優化方案，為汽油機機型的開發提供設計思路。

1 凸輪軸軸承失效現象

M1汽油機的工程樣機在臺架試驗時，發現存在性能波動并伴有異常噪聲。為解決該問題，拆解發動機，發現進氣凸輪軸球軸承損壞，如圖1所示。

圖1 凸輪軸軸承損壞

在進一步的拆解中，發現缸蓋凸輪軸軸承孔表面存在整圈滑動痕跡，表明軸承外圈與軸承孔之間存在相對運動(理論上兩者為過盈配合，可能存在微動腐蝕，但不應出現整圈滑動痕跡)；缸蓋軸承孔、缸蓋及油底殼中存在大量鐵質雜質，推斷為鋼球及滾道異常磨損剝落所致，如圖2所示。

圖2 軸承孔內存在磨痕及鐵屑

2 軸承失效原因

2.1 原因分析

軸承失效模式為凸輪軸軸承磨損，使用故障樹分析法(FTA)分析其失效原因，并根據分析結果進一步排查，如圖3所示。

圖3 軸承失效原因分析

2.2 原因排查

正時皮帶張緊器對正時皮帶有導向和張緊作用。一方面，可防止在發動機高速運轉中發生皮帶跳齒；另一方面，可改變皮帶包角，調節皮帶的有效接觸面積。張緊器的張力過大會增加正時皮帶動態張力，使軸承所受的徑向力加大。

復測正時皮帶張緊器的張緊力，結果如表1所示。由表1可知，該發動機所搭載的張緊器張緊力為3 N·m，滿足設計要求，不是軸承失效的原因。

表1 張緊器張力復測結果

額定承載能力要求為：軸承動態載荷>21 000 N；軸承靜態載荷>8 000 N。凸輪軸軸承的受力分解如圖4所示。通過正時系統動態測試，采集發動機運行工況下正時皮帶的動態張力數據，見表2。由表2可知，軸承設計承載能力滿足正時皮帶動態張緊力要求。

表2 皮帶動態張力

圖4 軸承受力分解

與發動機正常運行工況相比，發動機啟動、停機時，其凸輪軸轉速的最大加速度相對較小。在啟停工況下，軸承動態載荷的計算結果小于軸承額定動態載荷。

綜上可知，軸承設計承載能力滿足發動機使用要求，不是軸承失效的原因。

發動機供油不足，軸承潤滑不良，軸承內的鋼珠與軸承內圈、外圈直接接觸并產生摩擦，會導致軸承升溫過熱，軸承失效。

該機型采用中置凸輪正時機油控制閥(OCV)布置方案，軸承無可變正時驅動器(VVT)的回油輔助潤滑，軸承潤滑方式為飛濺潤滑，如圖5所示。

圖5 軸承潤滑布置

該布置方案搭載多款發動機機型，經過臺架試驗及市場檢驗，結果合格，為成熟的設計結構。

拆機時，在其進、排氣凸輪軸承孔及軸承上發現有較多殘留機油，表明軸承潤滑良好，不是導致軸承失效的原因。

如果雜質進入軸承，會使得摩擦副潤滑不足，鋼珠及滾道表面出現壓痕、拉傷等缺陷，加速軸承磨損。

檢測軸承清潔度，結果合格，軸承返廠拆解也未檢測出硬質異物，因此不是導致軸承失效的原因。

如果軸承本身存在缺陷，在發動機運行過程中也會發生失效。查閱供應商生產信息，確認故障軸承出廠，確定徑向游隙滿足圖紙設計規定，軸承組件及其子零件(包括內圈、鋼球、保持架和外圈)的材料、尺寸和性能均滿足圖紙規定，且軸承熱處理和壓裝過程均無異常。

鋼球表面可見材料剝落痕跡，如圖6所示。軸承外圈滾道內可見局部剝落痕跡，非承載區可見輕微運行痕跡；軸承內圈滾道上明顯可見局部剝落痕跡和黏著痕跡。

圖6 鋼球表面剝落痕跡

電鏡分析顯示，軸承內圈、外圈滾道內可見表面起始的疲勞剝落特征，如圖7所示。

圖7 軸承內外圈存在表面起始的疲勞剝落特征

金相分析結果顯示，進氣內圈、外圈滾道均有二次硬化及回火區，表明滾道表面有潤滑不良和過熱現象；滾道表面未發現黑色腐蝕區，表明軸承無過載情況。因此，可排除零部件自身缺陷導致軸承損壞的情況。

軸承與凸輪軸、缸蓋的配合方式為過盈配合，軸承裝配后軸承游隙會被壓縮，經尺寸鏈校核，被壓縮后的游隙仍符合要求。

經檢測，凸輪軸外徑、圓度、圓跳動等尺寸結果均符合要求。

復檢缸蓋凸輪軸軸孔的尺寸時，發現與A-E基準的圓跳動相比，凸輪軸軸承孔(見圖8)的圓跳動超差，見表3。

圖8 凸輪軸軸承孔及軸頸滑動軸承孔

表3 缸蓋軸承孔圓跳動值

繪制各缸凸輪軸軸孔尺寸的矢量圖，如圖9所示。由圖可知，進氣凸輪軸軸承孔跳動超差的方向與凸輪軸受皮帶拉力的方向(圖4)基本一致。

圖9 缸蓋凸輪軸各軸承孔尺寸矢量圖

使用凸輪軸及缸蓋的尺寸進行尺寸鏈計算，發現軸承孔位置公差與凸輪軸軸頸孔位置公差之和大于軸承徑向游隙與滑動軸承間隙之和，不符合要求。

為確定軸承失效的真正原因，挑選軸承孔(軸頸孔)跳動為0.015 mm的缸蓋，使用同批次的軸承再次試驗。試驗合格，軸承未失效。

2.3 原因總結

跳動公差設計較大，疊加實物超差，導致安裝孔位置公差大于軸承間隙。在發動機運行過程中，凸輪軸及軸承偏斜，出現軸承內鋼球偏離正常滾道、工作游隙出現異常等現象，引起軸承卡滯，使軸承摩擦力矩增大；同時，軸承摩擦副無法得到有效潤滑和冷卻，出現鋼珠及內圈、外圈表面疲勞剝落的現象，最終造成軸承失效。

3 措施及驗證

缸蓋圖紙上，軸承孔圓跳動公差為0.05 mm，不符合實際軸承使用要求。為解決跳動超差的問題，重新分配公差，將缸蓋軸承孔跳動公差優化為0.02 mm。

為驗證整改措施是否有效，挑選裝配極限間隙特殊樣機進行耐久試驗。使用軸承孔內徑和跳動分別接近下限和上限的缸蓋，外徑和跳動接近上限的凸輪軸，以及徑向游隙靠近下限的軸承，搭載臺架耐久及整車耐久完成測試。試驗結果表明，該優化方案有效且可靠。

4 結語

通過對張緊器張力、軸承載荷、潤滑邊界、清潔度、制造缺陷、設計缺陷等方面的研究，探索軸承磨損失效的真正原因，通過測試，確定軸承孔圓跳動過大是造成軸承失效的主要原因。采取針對性措施后，可有效地解決了凸輪軸軸承失效問題。

同時，完成了對潛在失效模式及其原因的識別與歸納，并針對失效原因制定相應的預防措施，為后續產品的設計及應用提供經驗和參考。