黄振霞， 张帆， 韦家良

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；3.广西康明斯工业动力有限公司，广西柳州545112）

可变长度进气歧管的失效分析

黄振霞1，2， 张帆2， 韦家良3

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；3.广西康明斯工业动力有限公司，广西柳州545112）

在某款发动机台架耐久试验中，可变进气歧管的VGIS卡死无法动作，导致发动机扭矩突然下降。通过拆解分析、振动测试、振动试验故障重现等方法分析VGIS卡死原因。结果表明：在发动机振动作用下，VGIS执行机构驱动柄与限位块相对运动摩擦过大，满足摩擦焊接的机制造成粘连，导致VGIS卡死。分析优化方案，优选成本低、周期短的改进方案——将接触面改为塑料与金属接触，避免塑料粘连。改进后的可变进气歧管通过发动机台架耐久试验和整车耐久试验验证，VGIS卡死问题圆满解决，并为其他可变进气歧管的设计提供借鉴。

发动机；可变长度进气歧管；VGIS执行机构；驱动柄；摩擦焊接

0 引言

车用汽油发动机对动力性和经济性要求越来越高，而普通自然吸气发动机进气歧管难以兼顾整个转速范围内的动力和经济特性。可变长度进气歧管利用发动机进气的谐振效应提高发动机的充气效率，同时兼顾高低速转速范围内的动力特性和经济特性。然而可变长度进气歧管结构较复杂、零部件较多且存在运动部件，故失效模式增多、失效概率增大［1－2］。

1 可变长度进气歧管失效模式

在某款汽油发动机台架耐久试验中，出现数例发动机扭矩突然下降的现象。检查发现，在需要可变进气歧管切换长短气道的时候，可变长度进气歧管的VGIS（Variable Geometric In⁃take System）执行机构没有动作。停机检查可变进气歧管，发现其中1个可变进气歧管的VGIS执行机构停留在长气道状态、4个停留在短气道状态。用手扳动VGIS执行机构，执行机构卡死不能动作。

2 VGIS执行机构介绍

如图1所示，该可变进气歧管的可变机构轴端固定有驱动柄，驱动柄与真空执行器的驱动拉杆相连。执行器下壳体上有上下两个限位块，限制驱动柄的运动范围。执行器下壳体通过螺栓固定在进气歧管壳体上。真空执行器在真空膜杯两端的压力差作用下推动驱动拉杆运动，使VGIS执行机构切换到短气道状态。当需要回到长气道状态时，执行器拉杆在执行器弹簧力作用下推动执行机构复位。

3 可变进气歧管失效原因分析

对故障进气歧管进行拆解分析，发现VGIS执行机构的驱动柄与限位挡块的接触面存在熔融和压溃现象。将驱动杆从中间锯断，转动VGIS执行机构，执行机构转动自如，如图2所示。由此可以断定，由于驱动杆与限位挡块发生粘连，导致执行机构卡死。

可变进气歧管默认长气道状态，此时驱动柄在下限位置时，驱动柄与下限位块间的力为VGIS执行器中的弹簧力F1（初始位置弹簧力17 N）；在发动机转速大于4 400 r／min时切换到短气道，执行机构驱动柄处于上限位置，驱动柄与下限位块间的力F2为执行器两腔压差力减去弹簧力。上限位置时压缩弹簧力为23 N，正常工作时执行器真空端的压力p1为30～66 kPa；当地大气压p0为101 kPa；驱动拉杆有效受力面积S为1 590 mm2。故，F2＝（p0－p1）·S≈56～113 N。

进气歧管的振动来源于发动机振动。该故障进气歧管所配发动机为某型4缸汽油机，额定发动机转速为5 600 r／min， VGIS切换转速为4 400 r／min。运用式 （1）可估算得到发动机的激振频率ω范围为0～200 Hz。

式中：N为发动机气缸数；

n为发动机转速［4］。

用闪频仪观察VGIS执行机构的振动情况，可看到执行机构有明显的轴向 （亦即发动机曲轴轴线方向）窜动，即驱动柄与挡块在执行机构轴线方向来回摩擦。

在发动机台架上，节气门全开发动机从怠速在2 min内匀速增速至额定转速，监测进气歧管VGIS执行机构处的振动如图3所示。

Y轴平行于曲轴中心线指向发动机飞轮端；

Z轴平行于气缸线，指向缸盖；

X轴根据右手定则确定，应与气缸中心线所在的中心面垂直，指向排气侧。

可见，VGIS执行机构轴向的振动较大，且在4 750 r／min后振动加速度增长较快。

接触、振动、压力、位移 （振幅），振动摩擦焊需要的几个条件都存在，VGIS执行机构驱动柄与限位块的粘连可以理解为振动摩擦焊接。

振动摩擦焊接是一种利用两焊件相对振动引起界面摩擦产生的热量实现焊接的技术，焊件被放置在规定的装置上，在一定的压力下，在接触面上进行振动而发生摩擦，直到界面开始熔化，然后停止振动，继续保压直至固化，从而达到焊接目的［3］。

在发动机振动作用下，可变进气歧管的VGIS执行机构发生轴向窜动，执行机构的驱动柄与执行器下壳体上的限位挡块相对运动，并在执行器拉杆的压力作用下相互摩擦产生热量，温度升高，接触面熔化发生粘连。

上限位置时，执行器弹簧的压缩弹簧力为23 N，执行机构的静摩擦力约为15 N。当可变进气歧管需要回到长管状态时，执行器弹簧克服执行机构的摩擦力，将执行机构推回初始位置（驱动柄处于下限位置）。在短管状态，驱动柄与限位挡块间压力为56～113 N，执行机构处的振动随着转速的增加急剧增大，故摩擦更加剧烈，接触面更易熔化粘连。即使还没有完全冷却固化，只要粘连造成的运动阻力大于 （23－15＝8 N）8 N，执行机构将不能回到初始状态。当发动机转速降低或停机，环境温度降低，熔化部分固化，VGIS执行机构彻底卡死。

发动机转速小于4 400 r／min时，可变进气歧管都处于长管状态。驱动柄与下限位挡块间一直存在17 N的执行器弹簧力。低转速时振动较小，但是运行时间长。虽然接触面的熔化程度不如短管状态的严重，但接触面间一直存在17 N的压力，发动机停机后自然固化至VGIS执行机构卡死。

4 问题解决措施与效果

要避免VGIS执行机构驱动柄与限位挡块粘连，需要从振动摩擦焊需要的几个条件入手。

减小振动，不现实。首先降低发动机本身的振动难以实现；增加进气歧管的结构强度以减小传递到VGIS执行机构的振动，但需要更改歧管结构和生产模具，由于歧管结构变更，歧管验证的大部分试验需要重做，更改的成本高、周期长，无法满足项目要求。减小接触面的压力一样无法实现，一味减小执行器弹簧力，VGIS系统的稳定性将难以保证。

为此，作者选择改变接触面来避免粘连的现象。在注塑执行器下壳体时，直接在限位块表面嵌入金属片，使接触面变成了塑料与金属接触，避免塑料粘连现象。

更改后，可变进气歧管通过了发动机台架试验中和整车试验验证，均无类似VGIS卡死的故障发生。

5 结束语

可变进气歧管结构相对复杂、零部件多，还存在运动机构，故相对于普通进气歧管更易失效，且多为可变系统／机构的失效。在做可变进气歧管的设计时，更要注重歧管的结构强度。应尽量减小可变系统／机构的振动，尤其是执行机构轴向的窜动，避免驱动柄与限位挡块粘连。

【1】王东荣，颜平涛，杨陈，等.基于AVL BOOST的汽油机两级可变进气系统研究［J］.小型内燃机与摩托车，2014（6）：7－10.

【2】李明，许敏，赵金星，等.基于GT⁃Power仿真的2.0 L汽油机动力性能分析与优化［J］.汽车技术，2011（3）：5－11.

【3】刘勇，李朝晖，朱彩萍.塑料红外预加热振动摩擦焊接技术研究［J］.工程塑料应用，2012（9）：53－56.

【4】王正，王增全，郭凯，等.涡轮增压器旁通放气阀杆疲劳断裂研究［J］.车用发动机，2012（1）：77－80.

Failure Analysis of Variable Intake Manifold

HUANG Zhenxia1，2，ZHANG Fan2，WEIJialiang3
（1.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China；3.Guangxi Cummins Industrial Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi545112，China）

Intakemanifold VGIS is locked in engine endurance test，leading to engine torque drop unexpectedly.The failure cause of VGISwas analyzed by teardown analysis，engine vibrationmeasurementand vibration test fault recurrence.The result shows that the friction be⁃tween VGIS driver dog and its stop block is large，and meets fiction welding conditions，driver dog sticks on stop block，and leads to VGIS lock.Several optimization schemes were analyzed，the low costand simplestschemewas selected in which a steel slicewas inserted on the con⁃tact surface，making driver dog contactwith steel avoid plastic sticking.The optimized variable intakemanifold has passed the engine rig test and vehicle endurance test.VGIS failure problem is solved successfully and it provides a reference for other variable intakemanifold design.

Engine；Variable intakemanifold；VGIS actuator；Driver dog；Friction welding

2015－04－07

黄振霞 （1984—），女，学士，工程师，主要研究发动机进气系统。E⁃mail：zhenxia.huang＠sgmw.com.cn。