液压挺杆异响成因分析及解决方法

２０１４年２月第４２卷第４期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＦｅｂ２０１４Ｖｏｌ４２Ｎｏ４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０４０４０收稿日期：２０１３－０１－１７作者简介：李蓉（１９７９—），硕士，讲师，研究方向为汽车营销。Ｅ－ｍａｉｌ：９８００６９９４５＠ｑｑｃｏｍ。液压挺杆异响成因分析及解决方法李蓉１，孟庆新２（１武汉软件工程职业技术学院汽车运用系，湖北武汉４３００５６；２神龙汽车有限公司质量部，湖北武汉４３００５６）摘要：从分析液压挺杆的工作原理入手，着重分析了沉降值的检测方式和成因，提出了液压挺杆异响的几种形成因素，并结合实际的工作经验提出了几种解决方法。关键词：汽车；液压挺杆；异响中图分类号：Ｕ４７２　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１４）４－１２２－３　　全球汽车行业随着人均收入的提高而得到了大幅的增长，汽车行业中内燃机技术的发展更是突飞猛进。液压挺杆在汽车（尤其是进口汽车和国产新型汽车）中应用十分广泛，它能弥补凸轮轴和气门在运转过程中热效应导致的间隙（即气门间隙。发动机不同零件温度不一致；不同零件所用的材料也不一样，当温度升高时，其热膨胀率不一样；发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和做功行程中漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易起动），并且减小运转中产生的冲击，进而降低运行时的撞击噪声。然而液压挺杆在汽车发动机运行过程中常常会出现异响，需要工作人员找到原因，这有时是很费周折的。作者结合自己的工作经历，对此进行深入的讨论和研究，希望对汽车质量工作提供帮助。１　噪声产生的原因在凸轮轴实际的压缩过程中，由于机油的可压缩性，导致气门升程曲线将会发生变化，造成气门升程损失。如果气门关闭后，气门间隙超过了气门关闭缓冲段高度，这就意味着气门关闭过早，气门关闭时液压挺杆跟凸轮的接触点尚未到达凸轮型线上的气门关闭缓冲段，气门对气门座和气缸盖的冲击明显增强，由此引起的振动和噪声加剧。气门间隙包含两部分：气门与气门座圈的间隙及液压挺杆与凸轮轴之间的间隙液压挺杆起作用即是弥补气门与凸轮轴之间间隙的变差，故气门间隙也就是两者的间隙。通过分析大量的发动机试验数据得到：冷态下，进气侧的气门间隙是０２５～０３ｍｍ，排气侧的气门间隙是０３～０３５ｍｍ，可以看作是发生噪声的临界值。也就是说发动机在怠速状态下，如出现大于限值的间隙损失就会出现行程噪声；补充理解就是在怠速状态下各缸的气门间隙不能有超差的情况。产生噪声的原因已经明确了，如何在液压挺杆工作过程中消除或减小这个噪声呢？首先需要了解液压挺杆的工作原理。２　液压挺杆的工作原理２１　压缩过程凸轮轴凸轮型线的升程部分与液压挺杆接触，凸轮通过液压挺杆的外壳将柱塞往下压，在气门弹簧弹力的反作用下，高压腔压力升高，单向阀关闭，高压腔被封闭，得不到机油补充。在不考虑泄漏的情况下，高压腔里的机油可以看作刚体，因而凸轮的力得以通过液压挺杆的外壳、柱塞、高压腔里的机油和挺柱体传递到气门杆，使得气门开启。注意此时液压挺杆的进油槽跟气缸盖油道之间的联系被切断。但实际上，液压挺杆在凸轮压缩最高点受力来自发动机气门弹簧力和惯性力。在两个力的作用下，柱塞和挺柱体之间的轴向距离缩短，高压腔的机油从泄油间隙中被挤出。当气门运行到开启行程的终点时，由于高压腔中油被挤到低压腔中，低压腔被密封，低压油不得不被间隙挤出。２２　补偿过程凸轮型线的基圆部分与液压挺杆接触，液压挺杆的高压腔从发动机的润滑系统得到机油补充。机油在机油泵的作用下从气缸盖的油道，通过液压挺杆的进油槽、低压腔、单向阀进入高压腔。此时，低压腔的机油压力会超过高压腔的压力和单向阀开启压力（单向阀开启压力就是刚好能够克服单向阀弹簧力的油压）之和，单向阀开启，机油流入高压腔。回位弹簧的弹力将柱塞和挺住体分别向上和向下作用，达到气门间隙液压补偿（气门间隙液压补偿技术：利用发动机润滑油调整液压补偿组件自身的长度，以补偿气门传动链中由于热膨胀、磨损和制造公差等因素引起的零部件长度变化，达到将气门间隙降低到最低限度的目的）。最终当高压腔压力升高到单向阀开启压力之和等于低压腔压力时，止回阀关闭。此时高压腔的机油压力和回位弹簧的压力之和还不足以克服气门弹簧的力，所以气门仍保持关闭。液压挺杆所能补偿的气门传动链长度的变化量是有限度的，它取决于柱塞底部圆环面和挺柱体内测台阶之间的距离，即液压行程。为了能够在发动机运转过程中减小噪声，就需要通过液压挺杆的液压调节来弥补，即沉降特性的符合（沉降特性反映到产品特性上即为沉降值）。３　沉降值的测量方式现在工业化生产中有两种检测方式：（１）整体式测量。将零件装配完成后，在挺柱体上施加一定的力，测量沉降时间。（２）高压腔单独测量。将高压腔装配后，在挺住体上施加一定的力，测量沉降时间。　　　图１　沉降值整体式测量示意图　　　图２　沉降值高压腔单独测量示意图这两种测量方式各有自己的优缺点，它们的对比见表１。表１　两种测量方式的对比设备加工精度分组配装要求测量准确程度返修复检辅助设备返修损失成本方法一高高准确无高方法二较高较高较准确有低注：测量环境和测量高度一致的情况下两种测量结果会有所差别４　影响沉降值的原因分析沉降值是影响噪声的关键因素之一。讨论影响沉降值的原因，主要来自两个方面：４１　正常环境下受机械加工影响（１）配合间隙的选择。配合间隙的选择直接会导致沉降值的偏差。多数合资公司使用的液压挺杆的沉降值为０４５～３ｓ，选择的沉降配合为５～９μｍ。但仅仅直径间隙差是不够的，还要考虑柱塞和挺柱体的直线度和圆度的影响，因为流量取决于配合截面的最小间隙，这就要求两者的直线度和圆度也要得到控制，在多数的液压挺杆中直线度和圆度必须控制在１５μｍ以内，这样才能确保零件的配合。由于零件要求精度较高，这就要求相配合的零件一定要在相同温度下进行测量和装配，多数主机厂要求零件必须在（２１±２）℃的环境中保温２ｈ以上，这样才能保证零件之间不存在由于温度变化导致的沉降值变化。（２）清洁度。即便配合间隙达到了要求，清洁度不好，在运转过程中随着机油在高压腔内的流动很容易在间隙处形成堆积，从而导致沉降值变大或不能有效压缩。这就要求整个油道足够清洁，并且对于液压挺杆要求更加严格，大于７００μｍ的颗粒不允许有，而１５０μｍ以下的颗粒必须在９５％以上，这样才能够有效地防止柱塞和挺柱体相互卡死，造成沉降值超差。这就给清洗和装配环境提出了高的要求。清洗过程中可以通过机械清洗、高压清洗和超声波清洗相互结合的方法控制机械加工后的清洁度；装配过程中要注重装配环境，不能让金属颗粒掉入零件和机油中，导致随装配后聚集到零件中；更加不能允许非金属絮状杂质混入机油中缠绕到弹簧，导致单向阀无法关闭，从而影响沉降值。（３）单向阀弹簧放置位置的影响。单向阀弹簧直径由于太小易缠绕，在分离时会造成弹簧变形，在装机后单向阀处于高频运动状态下，钢球受液压冲击力会进入变形较大的弹簧内，导致单向阀关闭不严，沉降值不满足要求。这就要求控制弹簧在生产过程中收簧时要向内卷，不能形成大的喇叭口；并且在装配过程中尽量使用弹簧分离器，这样可以保证在弹簧分离时不被相互扯动导致口部形成喇叭口。（４）单向阀密封性的保证。单向阀密封的好坏直接影响高压腔是否能够起到高压的作用，即如果高压腔形成不了高压，沉降值就无法确保。影响单向阀密封性最直接的因素就是柱塞钢球孔与钢球的配合关系。在两个配合件加工过程中，既要控制孔倒角的均匀性，也要控制好钢球的精度。并且在装配过程中，对孔倒角进行１００％检测；在单向阀装配完后也要对其气密性和开启性进行１００％检测。（５）夹套相对于底面的垂直度。高压腔中柱塞和挺柱体之间为间隙配合，如垂直度超过标准，就会导致机油在间隙中的流动减少，从而导致沉降值增加。这就给生产过程提出了要求。由于夹套和壳体存在两种加工工艺：焊接和压装，焊接前首先要保证夹套完全压装到位，焊接时保证两部件不能因为两者的膨胀率不同导致变形影响垂直度。可以在焊接前提高两者的温度，从而减少在焊接过程中由温差大导致的形变。４２　发动机本身对沉降值的影响（１）机油压力、含气量、黏度的影响·３２１·第４期李蓉等：液压挺杆异响成因分析及解决方法　　　机油压力是保证液压挺杆高压腔能够有充足压力的基础：如果压力过小，高压腔的可压缩性增强，相反则减弱，最终导致沉降值将变化。机油中空气含量也是尤为重要的因素。因为气体的可压缩性强与高压腔内机油的含气量愈大，同样会使得沉降值变化，从而导致气门损失愈大。机油的黏度对于在微米级配合的配合间隙影响非常大：如黏度小，机油能轻松从配合间隙中流出，相反黏度大了，就很难流出，最终会导致沉降值变化。对于零件正常测试，机油黏度要求为（７０±４）ｍｍ２／ｓ；但温度变化对黏度影响非常大。（２）装配过程对液压挺杆的影响多数发动机厂在液压挺杆装配到发动机里面后由于种种原因（如调整正时等），会将凸轮轴旋转几圈，这个过程就会导致高压腔中的油压出，但此时机油并没有及时补充到液压挺杆中，就会造成沉降值变化。这就要求发动机厂在初始运转时至少要运转５～８ｍｉｎ，使得机油能够补充到高压腔中，这时噪声才会消失。但对于个别主机厂来说，为了满足产量要求无法保证，这就不能在发动机下线时要求一定要无气门噪声，除非能够保证液压挺杆高压腔中充满机油。（３）车辆使用频次的影响①发动机停止工作时部分挺杆处于承压状态，时间长了高压腔的油会泄漏，挺杆变短。发动机启动后，变短的挺杆一时间因故不能及时完全补充到油，达不到弥补气门间隙的长度。充油的快慢，取决于机油油压、冷态机油黏度、油道和挺杆内部的清洁程度、机油滤清器等。显然，黏度小（即低温流动性好），充油会更快。②严寒天气的影响。在－３０℃严冬使用５Ｗ３０机油，由于此机油在寒冷时黏度非常大，导致高压腔内保油效果非常好，造成启动时沉降值变得非常大，异响随即产生，也就是冷机出现异响是正常的。最好在严冷的冬天更换０Ｗ４０机油，这样可以有效地改善流动性，从而可以改善冷机的异响情况。５　结束语鉴于以上分析，要降低液压挺杆的异响，不仅需要加强液压挺杆零部件生产和装配时的控制，还要优化液压挺杆的机油供油系统，确保进液压挺杆油道的机油油压不得低于０５ＭＰａ；更要确保进入供油系统的机油含气量是合格的；最后也要保证车辆的正常使用和发动机的定期保养。参考文献：【１】ＸＩＯＮＧＹＦ，ＬＥＱＵＯＣＳ．ＡｄａｐｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆａＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇＳｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ［Ｒ］．ＳＡＥＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒＳｅｒｉｅｓ，１９９２：１－５．【２】潘书业，赵磊．液压系统实用诊断技术［Ｊ］．液压气动与密封，２００９（１０）：１１－１４．【３】张海山．液压挺杆异响故障两例［Ｊ］．汽车维护与修理，２０００（１０）：２９．【４】张瓒．液压气门挺杆常见故障及原因分析［Ｊ］．内燃机与动力装置，２００８（１）：５６－５８．【５】钱人一．德国ＩＮＡ（依纳）公司的低噪声液压挺杆（二）［Ｊ］．汽车与配件，２００２（１５）：３３．（上接第１２１页）割，工件与夹持部分分离安排在最后。由于工件热处理时加热冷却速度不均，工件外角处残余应力集中严重，因此切割凸模时，其轮廓向内让出１０ｍｍ以上。２５２　切割工艺在淬火前预加工凸凹模型孔，使之应力场改变较小，可以减小模具变形开裂。切割凸模时，用电打孔机在淬硬板上做穿丝孔，可避免从工件外侧切入及穿丝孔变形带来的误差。切割含有高熔点碳化物材料时，需要切割脉冲能量较大，但能量太大意味着产生的表面裂纹严重，且小能量精修也不能消除大能量产生的裂纹。故粗加工时采用中脉宽、大峰值电流、大喷流压力，严格控制微裂纹深度；精修时采用低脉宽、中峰值电流、小喷流压力，保证加工精度。线切割后进行补充回火［４］，可以消除线切割成型过程中产生的附加应力，提高模具寿命。３　结语实践证明，模具质量的提高必须合理