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瀏覽·│▩│↟:- 釋出日期·│▩│↟:2021-09-18 10:34:24【

胡 鵬,江仲佶,祁學軍

(神龍汽車有限公司,武漢 430056)

    摘 要:某汽油發動機氣門彈簧在臺架試驗中發生了早期斷裂失效.採用斷口觀察和分析▩·、化學成分分析▩·、金相檢驗▩·、硬度測試等方法,對氣門彈簧斷裂的原因進行了分析.結果表明:氣門彈簧斷裂的性質為疲勞斷裂,氣門彈簧斷裂的原因為表面存在磨損,導致彈簧的疲勞強度和疲勞壽命下降.

關鍵詞:氣門彈簧;磨損;疲勞斷裂

中圖分類號:TG115.2 文獻標誌碼:B 文章編號:1001G4012(2017)07G0507G03


FractureFailureAnalysisofaValveSpringoftheGasolineEngine

HUPeng,JIANGZhongji,QIXuejun

(DongfengPeugeotCitroenAutomobileCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

       Abstract:TheearlyfracturefailureoccurredtoavalvespringofthegasolineengineduringthebenchtestThefailurereasonsofthevalvespring•↟₪✘◕。 wereanalyzedbymeansoffractureobservationandanalysis,chemicalcompositionanalysis,metallographicexamination and hardnesstesting.Theresultsshow that:thefracture•↟₪✘◕。

mechanismofthevalvespringwasfatiguefracture;thefracturereasonofthevalvespringwasthattheabrasionexistedonthesurfaceandreducedthefatiguestrengthandthefatiguelifeofthevalvespring.

    Keywords:valvespring;abrasion;fatiguefracture


    氣門彈簧是發動機配氣系統中的一個關鍵零件,其作用是保證氣門座與氣門的氣密性,吸收氣門在開啟和關閉過程中傳動零件所產生的慣性力.因此,氣門彈簧的效能直接影響著發動機的執行安全及效率[1].

    山東 某 公 司 生 產 的 發 動 機 氣 門 彈 簧 材 料 為OTEVA75超純淨彈簧鋼,經過繞簧▩·、熱處理▩·、磨簧▩·、噴丸等工藝處理後,裝入發動機進行臺架試驗.試驗進行到第468h時(要求進行500h耐久試驗),發動機功率下降,重啟後怠速抖動,停止試驗拆機後發現4缸第2個彈簧斷裂,其他零件無異常.故障件實物形貌如圖1所示.該氣門彈簧為兩端變節距氣門彈簧,彈簧兩端並頭並磨平,經過一圈均勻過渡到等節距.為了確定其斷裂原 因 ,筆 者 對 其 進 行 了 斷 口 形 貌 觀 察 和分析▩·、化學成分分析▩·、金相檢驗和硬度測試.

圖1 斷裂氣門彈簧宏觀形貌



1 理化檢驗

1.1 斷口宏觀觀察

    該氣 門 彈 簧 斷 裂 位 置 在 第 2~3 個 彈 簧 圈處,將斷口 放 在 掃 描 電 鏡 下 進 行 觀 察,發 現 其 斷裂源處於 磨 損 帶 處,磨 損 帶 上 有 一 些 小 凹 坑,如圖2~5所 示,且 有 些 凹 坑 附 近 可 以 看 見 一 些 細小裂 紋 (圖 5 箭 頭 所 示 ),磨 損 帶 在 彈 簧 的 接 觸圈處.

圖5 斷裂源附近磨損帶中微裂紋形貌


1.2 斷口微觀觀察

    彈簧斷口經超聲波清洗後,在 FEIG650型掃描電子顯微鏡上進行觀察.斷口截面的整體形貌如圖6所示,斷裂源位於彈簧接觸表面的磨損帶處;B區為疲勞擴充套件區,該區域較為平坦,疲勞輝紋明顯,如圖7所示;C區為最終瞬斷區,起伏較大,為韌窩形貌,如圖8所示.

圖8 斷口韌窩形貌


1.3 化學成分分析

    使用SPECTRO ARCOSICP型等離子體發射光譜儀對斷裂氣門彈簧的化學成分進行分析,如表1所示,可見氣門彈簧的化學成分符合供貨雙方簽訂的技術協議要求.

表1 氣門彈簧的化學成分分析結果(質量分數)


1.4 金相檢驗

    對氣門彈簧斷口附近的橫縱截面分別取樣,鑲嵌後研磨▩·、拋光.觀察縱截面試樣,其夾雜物含量較低,鋼材較純淨.採用4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕橫 截 面 試 樣,可 見 其 顯 微 組 織 為 回 火 屈 氏體[2](圖9),表面無脫碳或滲碳現象(圖10).

圖9 氣門彈簧的顯微組織形貌


1.5 硬度測試

    依照 GB/T4340.1-2009中的測試方法,使用Wilson432SVD型顯微維氏硬度計對該氣門彈簧進行硬度測試.結果顯示其基體顯微硬度實測值為590,596,592HV,平均硬度為593HV,根據 DINENISO18265-2004轉換成洛氏硬度為54.8HRC,符合技術協議中硬度為52~56HRC的要求.

2 分析與討論

    斷裂是氣門彈簧常見的損壞形式,總結氣門彈計出現問題造成強度不夠,裂紋源一般在彈簧的內側.失效彈簧兩端並緊磨平,該結構在第1~3圈處承受的彎曲應力及扭轉應力最大,工作時在此處發生斷裂的機率也最大.同時因為在1~3個彈簧圈處先承受衝擊載荷,又不能迅速有效地將載荷傳遞給其他圈彈簧,吸收的衝擊能量最多[4],因此相對於其他圈的壓縮量要更大.力學效能▩·、微觀組織及化學成分的分析結果顯示,該氣門彈簧的硬度▩·、化學成分均符合要求,顯微組織為正常的回火屈氏體,內部夾雜物也無異常.斷口的微觀形貌分析發現,該氣門彈簧斷裂是由於在彈簧表面存在磨損帶,受應力作用下在該處發生疲勞開裂.彈簧受應力集中的作用在擦傷磨損處產生微裂紋,彈簧工作時不斷地週期性往復變形,裂紋在應力迴圈作用下逐漸擴充套件,形成了圖6所示的疲勞擴充套件區 B,因此該區域較為平坦.失效氣門彈簧斷裂源處的磨損帶呈直線分佈,

    說明彈簧磨損帶是在斷裂之前形成的,同時彈簧內表面與外表面的受力分析表明,該氣門彈簧斷裂屬於異常疲勞斷裂.在掃描電鏡下觀察,疲勞斷裂源在彈簧表面磨損帶處,顯示接觸面擦傷對該氣門彈簧的斷裂有影響.

    在耐久試驗過程中,氣門彈簧第2圈與第3圈不斷接觸,表面產生磨損帶.工作中氣門彈簧不停地往復運動,伴隨著應力的不斷迴圈,磨損帶處形成疲勞斷裂源,受力的同時裂紋不斷擴充套件.當彈簧所剩有效截面不能承受外界載荷時,就會造成該氣門彈簧早期斷裂失效[5].

3 結論及建議

    該氣門彈簧斷裂屬於早期疲勞斷裂,斷裂失效的主要原因是由於在彈簧第2~3圈處有較嚴重的磨損帶,導致彈簧疲勞強度和疲勞壽命下降.建議生產廠家最佳化噴丸工藝,提高氣門彈簧表面的疲勞強度,同時在滿足裝配的情況下,增加第2~3圈彈簧 間 距,盡 量 避 免 或 減 少 彈 簧 第 2 圈 與第3圈接觸.簧斷裂失效的原因主要有以下幾個方面:①氣門彈簧表面有缺陷,即使用或裝配過程中操作不規範,損壞了彈簧表面;②過載斷裂,即彈簧工作時受力超過材料本身所能承受的強度;③材料內部微觀組織異常或含超標非金屬夾雜物.該斷裂失效的氣門彈簧屬圓柱壓縮螺旋彈簧,兩端並緊磨平.該型別彈簧在軸嚮應力的作用下,任意橫截面所受到的切應力在彈簧的內徑受力最大,外徑受力最小[3].如果選擇材料不合適或者設計出現問題造成強度不夠,裂紋源一般在彈簧的內側.失效彈簧兩端並緊磨平,該結構在第1~3圈處承受的彎曲應力及扭轉應力最大,工作時在此處發生斷裂的機率也最大.同時因為在1~3個彈簧圈處先承受衝擊載荷,又不能迅速有效地將載荷傳遞給其他圈彈簧,吸收的衝擊能量最多[4],因此相對於其他圈的壓縮量要更大.

力學效能▩·、微觀組織及化學成分的分析結果顯示,該氣門彈簧的硬度▩·、化學成分均符合要求,顯微組織為正常的回火屈氏體,內部夾雜物也無異常.斷口的微觀形貌分析發現,該氣門彈簧斷裂是由於在彈簧表面存在磨損帶,受應力作用下在該處

    發生疲勞開裂.彈簧受應力集中的作用在擦傷磨損處產生微裂紋,彈簧工作時不斷地週期性往復變形,裂紋在應力迴圈作用下逐漸擴充套件,形成了圖6所示的疲勞擴充套件區 B,因此該區域較為平坦.

失效氣門彈簧斷裂源處的磨損帶呈直線分佈,說明彈簧磨損帶是在斷裂之前形成的,同時彈簧內表面與外表面的受力分析表明,該氣門彈簧斷裂屬於異常疲勞斷裂.在掃描電鏡下觀察,疲勞斷裂源在彈簧表面磨損帶處,顯示接觸面擦傷對該氣門彈簧的斷裂有影響.

    在耐久試驗過程中,氣門彈簧第2圈與第3圈不斷接觸,表面產生磨損帶.工作中氣門彈簧不停地往復運動,伴隨著應力的不斷迴圈,磨損帶處形成疲勞斷裂源,受力的同時裂紋不斷擴充套件.當彈簧所剩有效截面不能承受外界載荷時,就會造成該氣門彈簧早期斷裂失效[5].

3 結論及建議

該氣門彈簧斷裂屬於早期疲勞斷裂,斷裂失效的主要原因是由於在彈簧第2~3圈處有較嚴重的磨損帶,導致彈簧疲勞強度和疲勞壽命下降.建議生產廠家最佳化噴丸工藝,提高氣門彈簧表面的疲勞強度,同時在滿足裝配的情況下,增加第2~3圈彈簧 間 距,盡 量 避 免 或 減 少 彈 簧 第 2 圈 與第3圈接觸.


1.3 支架受力與結構分析

支架除了受到裝配和連線總管的彎扭應力外,主要承受發動機工作時的振動應力,銷軸與支架採用點焊方式連線,易產生應力集中.從多起銷軸脫落和焊接區出現的裂紋特徵來看,焊接點是支架中承力最薄弱的區域.

2 分析與討論

銷軸與支架連線的焊點在發動機工作的振動應力作用下產生疲勞裂紋,進而斷裂引起銷軸脫落.該支架作為發動機總管的支架,在飛機飛行時承受振動應力,除飛機起飛和降落時,飛機正常飛行時振動應力很小.但出現了多起銷軸脫落和連線焊點疲勞裂紋,其原因應有支架的結構形式▩·、焊接的連線方式▩·、焊接強度等因素.在支架元件中,銷軸起到固定杆的作用,與支架採用開口管狀連線和點焊接方式,其支架與銷軸間的間隙很難保證,銷軸和支架焊縫結合線處存在尖銳夾角,在工藝上也難以徹底消除.因此,改進支架整體結構和連線方式,消除振動的區域性集中點,是解決該故障的根本措施.故障件中焊接的熔化深度和有效焊接厚度都很小,這也是造成零件強度低,產生疲勞開裂的主要原因之一[8].對該故障件進行了焊接工藝改進研究,改進了焊接工藝引數和方法,使焊接的熔化深度▩·、有效焊接厚度有了很大提高,改進後樣件焊點的微觀形貌見圖9.

透過以上分析,可以得出該型發動機發生多起銷軸脫落和銷軸與支架開裂的主要原因是支架元件的設計結構▩·、連線工藝不合理和焊接強度低.

3 結論

(1)該銷軸脫落是由於銷軸與支架連線點焊縫在發動機工作時產生疲勞開裂所引起的.

(2)銷軸脫落和銷軸與支架產生裂紋的主要原因是支架元件的設計結構▩·、連線工藝不合理和焊接

強度低.

圖9 改進後樣件焊點的微觀形貌


(文章來源·│▩│↟:材料與測試網-理化檢驗-物理分冊 > 2017年 > 7期 > pp.507

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