发动机耐久性试验的研究与分析.doc

【】发动机耐久性试验的研究与分析郝佳胜( 奇瑞汽车股份有限公司 发动机工程研究院试验开发部，安徽 芜湖241009)摘要: 本文主要对发动机耐久性试验进行研究，分析可靠性与耐久性的关系，详细分析了发动机整个耐久性试验的过程及发动机耐久性试验的制定过程。同时也在发动机耐久性试验 的开发方面提出了一些思路。关键词: 发动机; 可靠性; 耐久性; 试验中图分类号: u464 文献标志码: a 文章编号: 1673 6397( 2012) 05 0049 03research and analysis on engine durability testhao jia sheng( engine engineering research institute engine test department chery international of chery automobile co ，ltd ，wuhu 241009，china)abstract: this article discussed the principle of engine durability test，the relationship betweenthe durability and reliability and the process of durability test and also analyzed how the test was es- tablished，meanwhile，proposed the concept on development of the engine durability testkey words: engine; reliability; durability; test过各种耐久性试验方法验证、发现设计中存在的问题，为发动机设计、开发提供方向。同时提出试验过 程中存在的不足及改进方案，为更好的实现发动机 耐久性验证提供思路。引言随着科技的不断进步，汽车发动机发生了重大的变化，各方面新技术都有了显著的发展，在发动机控制系统越来越全面，越来越精确的同时发动机也 变的越来越复杂，其各系统的耐久性也越来越成为 人们关注 的 重 点。发动机作为功能原件的动力装 置，起着极为关键的作用。在投入到市场之前都需 要进行严格的验证，充分验证发动机各系统，各零件 的功能及耐久性。其中发动机的耐久性验证最为关 键，是发动机开发过程中最重要的验证环节，然而耐 久性试验通常需要长时间的投入，消耗巨大的成本， 合理控制好耐久性试验的过程，可以为发动机设计 提供优化方向，避免不必要的成本浪费。本文主要对发动机耐久性系统进行分类，重点 对发动机开发过程中的各耐久性试验进行分析，从 台架试验的角度对耐久性系统进行研究、分解。通1耐久性试验简介1 1耐久性试验与可靠性试验可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。由可靠性的定义可知，产品的可靠性并非是一个定值，它随规定条件( 环境、使用 及维护 等 条 件) 、规 定 时 间 ( 时间起点和时 间 间 隔 等) 、规定功能的不同而具有不同的数值。产 品 的 可靠性是产品的一种内在属性，它是在产品的设计、产生和使用过程中通过一系列保障措施和手段得来的。发动机的 可 靠性标准常用平均故障间隔时间 ( mtbf) 表示，即发动机的寿命单位总数与故障总 次数之比。作者简介: 郝佳胜( 1984 ) ，男，黑龙江牡丹江市人，大学本科，助理工程师，主要从事发动机试验工作。收稿日期: 2012 08 0650内燃机与动力装置2012 年 10 月耐久性的定义为“产品在规定的使用和维修条件下，其使用寿命的一种度量”。也就是说，产品 使用性能在规定的使用维修保障条件下能够维持多 久，即产品的寿命单位。对于发动机而言，可靠性是指故障间隔时间，耐久性是指发动机的大修期或 报废期。发动机的耐久性可以认为是可靠性的一种 特殊情况。通过可靠性与耐久性的定义可以确定其试验方法的不同，可靠性试验要求试验工况尽量接近实际 使用工况，而耐久性试验更注重考核零部件寿命，试 验工况则通过分析零部件实际使用情况，以达到加 速老化为目的而确定的。耐久性试验的时间一般都长于可靠性试验，通过耐久性试验，可以找出产品设 计制造中哪些零件耐久性方面存在的问题，以此为 依据进行设计优化，同时通过测量主要件的磨损量 变化，可以计算出发动机的使用寿命。在耐久性试验的过程中也需要记录分析零部件故障情况，故而， 在完成发动机的耐久性试验过程中，也可以很好的 判断发动机的可靠性情况。1 2 耐久性试验目的发动机耐久性试验有以下 3 个主要目的:( 1) 发现发动 机 在 设 计、材料及加工工艺中存 在的各种缺陷，为设计提供整改意见;( 2) 提高发动 机 的 可 靠 性，初步确定发动机使 用寿命;( 3) 确认发动机是否符合耐久性定量要求。发动机进行耐久性试验，不单纯是为了判断发 动机寿命是否合格，更重要的目的是通过对发动机进行耐久性试验，发现发动机在实际应用过程中可能存在的耐久性问题，采取有效的措施予以纠正，使 发动机的耐久性得到提升。工程中进行的耐久性试验主要目的在于发现产 品的可靠性缺陷并采取纠正措施加以排除，在试验 过程中如果零部件出现故障应及时予以更换，修复 后继续进行耐久性试验，对故障原因进行分析，采取针对性措施予以纠正，进而提高发动机的可靠性。1 3 发动机耐久性研究的复杂性针对发动机的耐久性研究比较复杂，主要表现 在以下几个方面:( 1) 发动机零部件故障形式多、功能多，零部件与故障之间的关系复杂，且多数零件具备多种功能， 零件故障与功能很难找到明确的对应关系，具有一定模糊性;( 2) 发动机零部件的工作环境复杂，不同工况的 变化及驾驶习惯都会对零部件的耐久性造成影响;( 3) 发动机零部件的品种规格多，更新换代快，故障数据分散，耐久性试验的数据也有一定的局限性;( 4) 大部分耐久性试验周期长，测试设备、试验 环境及试验工况都会对试验结果造成一定的影响， 分析较为困难;( 5) 发动机技术不断更新，各种新系统的加入， 如缸内直喷系统，涡轮增压系统，egr 系统，vvt 系 统等，发动机的整体耐久性的考核会更加复杂，试验 方法也需要进行不断的更新，对耐久性试验的研究 产生新的挑战。通过以上提及的发动机耐久性研究的复杂性可以看出，发动机的耐久性试验需要明确的思路及方 法，认真对待每一个试验环节才能把发动机耐久性 试验做的更加有效。1 4耐久性试验项目简介目前发动机耐久性试验根据其不同用途，不同排量，都有较完备的考核项目，在国家标准中也有一定的要求，目前大部分使用的标准是国标与 avl 公 司标准，主要试验项目有额定功率耐久性试验、冷热 冲击试验、循环负荷试验、交变负荷试验等。主要目的就是通过不同的运行工况来考核发动机不同方面 的性能。本文主要是通过某款发动机的开发过程来 具体研究每一个耐久性试验的意义，同时也对试验 中的一些问题进行分析，提出相应的解决思路。2试验方法研究2 1 耐久性试验方法制定耐久性试验主要是根据考核发动机可能存在的 失效形式和发动机使用环境的特殊要求制定的。发动机主要存在的失效形式有强度疲劳失效、热变形失效、化学腐蚀失效、磨损失效、汽蚀及沉积 构成的失效等。针对不同失效形式的特点进行耐久 性试验，用以考核发动机的耐久性，同时一种耐久性 试验可以考核多种失效形式，如额定功率试验，发动 机在额定功率点连续运行，主要考核发动机的强度、 热变形、磨损等性能，又如冷热冲击试验，发动机在 冷热交替的运行，考核发动机的热变形、化学腐蚀、磨损、气蚀等性能。所以发动机耐久性考核的一方 面是发动机在各种临界工况下的抗失效能力，此类 耐久性试验主要是通过分析耐久性试验后各零部件 的状态情况来评价耐久性是否通过。同时要求发动 机在试验过程中不可以出现严重的故障，如连杆断 裂、曲轴断裂等。发动机耐久性试验的另一方面也是依据发动机 在整车上的实际应用情况制定的，与可靠性试验一512012 年第 5 期郝佳胜: 发动机耐久性试验的研究与分析致，例如冷起动试验，主要是模拟发动机在冬天使用的时候，考核发动机在低温情况下的工作情况。又 如起停试验，主 要模拟发动机在城市路况，不 断 起 动，停机工况下的耐久性能。一般评价此类试验的 要求和考核发动机的抗失效能力也有所不同，此类 耐久性试验主要的评价标准更注重试验过程的完成 情况。2 2 耐久性试验时间制定发动机大部分零件为往复、旋转运 动 机 械，其 承力件受交变负荷作用，应力为循环应力。因循环 应力引起的失效现象称为疲劳失效。所以发动机旋 转运动零件耐久性试验的试验时间要考虑到材料的 疲劳强度。一般疲劳曲线如图 1 所示，纵坐标表示 应力( 幅) ，横坐标表示失效循环数 n。图中段在 低频( 104 次) 时出现，可从 1 /4 循环开始，此时 失效强度近似于静载极限强度，曲线斜率不大; 段斜率较大，呈疲劳过程特征; 段是水平线，相 应的应力( 幅) 为疲劳极限。材料在疲劳极限以下 的应力工作时，将不发生疲劳断裂。发生故障。进一步可以理解为产品进入失效的初始时刻。用 b10 寿命可以更准确的判断产品寿命，耐 久性试验时间便可以根据 b10 寿命时间制定，更有 助于分析零件失效是处于早期失效、偶然失效还是 损耗失效期内，进而对设计提供针对性的整改方向。2 3耐久性试验开发目前发动机耐久性试验所做项目基本固定，随着发动机技术的进步及发动机所搭载整车的要求提升，目前所做的耐久性试验是否可以完全达到发动 机验证的目的是一个值得思考的问题，同时发动机 在使用过程中出现的很多故障，存在很多的可靠性 问题，耐久性试验的开发应该充分考虑到可靠性方 面存在的问题，将两者尽量接合在一起。通过分析 可靠性问题中发生的故障原因来寻找耐久性试验的 提升方向便可以做到有的放矢，更有效的提升耐久 性试验的效率。针对于目前新增加的发动机技术，需要进行相 应的耐久性试验开发，例如目前较流行的灵活燃料 试验，由于燃料性质不同，在发动机运行的过程中可 能出现异常化学腐蚀的情况，通过分析化学腐蚀的 发生工况，制定相应的耐久性试验，以确定零部件耐 腐蚀能力 是 否 满 足 实 际 要 求。类似的项目还有很 多，要完成试验开发需要大量的数据积累及相应的 材料、设计、运动原理方面的知识，是一项很必要，很 有意义的工作。3总结通过对发动机耐久性系统的分类及耐久性试验过程的分析，详细说明了耐久性试验的过程及耐久 性试验开发的方法，同时提出了一些耐久性试验的 不足及改善思路。发动机的耐久性试验至今已经开 发的较完善了，但是随着技术的不断提升，耐久性试 验依然面临着很多需要改善的方面。以后还需要对 发动机的耐久性试验进行更细致的开发与研究，达 到节省试验资源的同时验证更加充分的目的。图 1 发动机零件材料疲劳曲线往复、旋转运动零件一般采用 107 次不破坏的 最大应力作为材料的“条 件 疲 劳 极 限”或 称“疲 劳 强度”，因为此循环数再增加，零件的强度也不会有 太明显的变化，更会增加浪费。试验时间 h 初步可 以计算为:h 60 n 107n: 最低转速。运行试验 h 107 / ( 60 n) 300h发动机属于整车的核心部件，所以试验时间应 当适当延长，国标要求乘用车用发动机试验时间不 小于 500 小时