液压挺杆异响成因分析及解决方法.pdf

２ ０ １ ４年 ２月 第 ４ ２卷 第 ４期 机床与液压 Ｍ Ａ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ ＥＴ Ｏ Ｏ Ｌ＆Ｈ Ｙ Ｄ Ｒ Ａ Ｕ Ｌ Ｉ Ｃ Ｓ Ｆ ｅ ｂ  ２ ０ １ ４ Ｖ ｏ ｌ  ４ ２Ｎ ｏ  ４ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ  ｉ ｓ ｓ ｎ  １ ０ ０ １－ ３ ８ ８ １  ２ ０ １ ４  ０ ４  ０ ４ ０ 收稿日期２ ０ １ ３－ ０ １－ １ ７ 作者简介李蓉 （ １ ９ ７ ９ ） ，硕士，讲师，研究方向为汽车营销。Ｅ－ ｍ ａ ｉ ｌ ９ ８ ０ ０ ６ ９ ９ ４ ５ ＠ｑ ｑ  ｃ ｏ ｍ 。 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 ４ ３ ０ ０ ５ ６ ； ２ 神龙汽车有限公司质量部，湖北武汉 ４ ３ ０ ０ ５ ６ ） 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Ｕ ４ ７ ２ 文献标识码Ｂ 文章编号１ ０ ０ １－ ３ ８ ８ １（ ２ ０ １ ４ ）４－ １ ２ ２－ 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  ２ ５～ ０  ３ｍ ｍ ，排气侧的气门 间隙是 ０  ３～ ０  ３ ５ｍ ｍ ，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  ４ ５～３ｓ ，选择的沉降配合为 ５～９μ ｍ 。 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  ５μ ｍ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 （ ２ １ 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 ７ ０ ０μ ｍ的颗粒不允许 有，而 １ ５ ０μ ｍ以下的颗粒必须在 ９ ５ ％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 １ ０ ０ ％检测；在单向阀装配完后也要对 其气密性和开启性进行 １ ０ ０ ％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 （ ７ ０４ ） ｍ ｍ ２／ 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～ ８ｍ ｉ ｎ ，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 －３ ０℃严冬使用 ５ Ｗ３ ０ 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 ０ Ｗ４ ０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  ５Ｍ Ｐ ａ ；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 】Ｘ Ｉ Ｏ Ｎ ＧＹＦ ， Ｌ Ｅ Ｑ Ｕ Ｏ ＣＳ ． Ａ ｄ ａ ｐ ｔ ｉ ｖ ｅＣ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ａＳ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｉ  ｚ ｉ ｎ ｇＳ ｅ ｒ ｖ ｏ  ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ［ Ｒ ］ ． Ｓ Ａ ＥＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｐ ａ ｐ ｅ ｒ Ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ， １ ９ ９ ２ 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， ２ ０ ０ ９ （ １ ０ ） １ １－ １ ４ ． 【 ３ 】张海山． 液压挺杆异响故障两例［ Ｊ ］ ． 汽车维护与修理， ２ ０ ０ ０ （ １ ０ ） ２ ９ ． 【 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， ２ ０ ０ ８ （ １ ） ５ ６－ ５ ８ ． 【 ５ 】钱人一． 德国 Ｉ Ｎ Ａ （ 依纳） 公司的低噪声液压挺杆（ 二） ［ Ｊ ］ ． 汽车与配件， ２ ０ ０ ２ （ １ ５ ） ３ ３ ． （ 上接第 １ ２ １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 １ ０ｍ ｍ 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地选择材 料，针对不同的材料采用相应的热处理工艺及优化的 加工工艺，可以提高模具的制造精度和使用寿命，避 免模具发生早期失效。 参考文献 【 １ 】李应明． 线切割加工中模具的变形与开裂机理研究 ［ Ｊ ］ ． 现代制造工程， ２ ０ ０ ６ （ １ ０ ） ６ ５－ ６ ７ ． 【 ２ 】赵昌盛， 居建村． 模具电火花线切割加工断裂失效分析 ［ Ｊ ］ ． 金属热处理， ２ ０ ０ ４ ， ２ ９ （ ８ ） ７ ６－ ７ ７ ． 【 ３ 】周敬恩． 模具材料选用、 热处理与使用寿命［ Ｊ ］ ． 金属热 处理， １ ９ ９ ９ （ ５ ） １－ ９ ． 【 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