赵 波 孟祥斌 姚君韦 郭 强 侯思佳 刘胜强

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波315336 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

可变气门正时技术（Variable Valve Timing，VVT）是目前在发动机上应用较多的一项技术，可以调节发动机进排气门的开启与关闭时刻，保证了充气系数，达到最优的配气正时相位，可以降低油耗与排放，是发动机非常关键的技术[1]。而VVT 的跟随响应性则影响着发动机的性能，当相位调节角度偏差大时，则会引发VVT 报相位故障码。其中OCV（oil control valve）是VVT 系统的关键零件。OCV 为VVT 组件提供机油并进行机油过滤，是接收ECU 命令改变油压驱动相位器的液压控制阀[2]。OCV 阀前端进油P 口处的滤网是较为常用的一种过滤部件，但不同的发动机在此处主油道的压力不同，且运行过程中油压有波动，对滤网的结构设计及材料选择就有较高的要求。本文就某发动机OCV 阀滤网断裂问题进行了分析，并制定了相应的优化方案和解决措施。

1 问题来源

在发动机设计验证开发阶段，发动机进行台架耐久试验的过程中，发生几起报凸轮轴相位偏差不合理故障。故障现象基本都是在台架耐久后期阶段出现，发动机拆解后发现OCV 滤网断裂。

2 原因分析

如图1 所示，OCV 阀的P 口处滤网为常规设计结构。P 口滤网采用钢丝编织结构，编织结合点处有挤压，滤网注塑到塑料底座内。

图1 OCV 阀滤网

发现此问题后先进行滤网断裂机理分析：

1）机油油压冲击：P 口滤网受到发动机机油压力的波动和OCV 阀工作状态转换的影响，时刻受到一个非对称、应力幅值和频率都在改变的流体内部压力；

2）杂质堆积冲击：机油内毛刺，铝屑和油泥等杂质堆积到滤网表面，导致滤网此处应力集中，对滤网抗冲击强度是严峻考验，如图2 所示。

图2 OCV 阀滤网结构

机理分析完成后需对可能产生的原因进行详细梳理，此处运用了鱼骨刺图法，如图3 所示。

图3 OCV 滤网断裂鱼骨刺图

对于此问题的分析，需从以下几方面入手：

1）发动机边界对OCV 阀滤网断裂的影响；

2）零部件质量，包括加工尺寸、断口分析、机械性能及装配成型工艺；

3）设计方面，包括配合尺寸及零部件材料强度选择等。

2.1 发动机边界影响排查

本文前面提到的发动机油压及机油清洁度等发动机的边界因素会对OCV 阀的使用环境产生影响，固对此进行详细排查，主要排查项目见表1。

表1 边界影响因素排查

根据排查可知，发动机的边界对OCV 滤网断裂问题的影响可以排除。

2.2 零部件质量问题的排查

零部件质量问题首先需要查看零部件的生产批次，如都是同一批次，排查共性点并需要评估是否会产生批量问题。然后根据问题的性质梳理出强相关的尺寸，材料性能及成型工艺。

因滤网已经断裂，只能取同批次的滤网进行检测。尺寸检测结果见表2，其机械性能检测结果见表3。

表2 滤网尺寸检测记录

表3 机械性能检测记录

根据表2 可知滤网的关键尺寸检测满足设计要求；根据表3 的检测结果可知断裂滤网材料的机械性能无问题。接着需要对断裂滤网进行断口电镜扫描分析，排查是否原材质有异常夹渣并确认断裂形式。此故障件上有两处断裂源，分别进行电镜扫描，具体分析如图4、图5、图6。

图4 断裂形貌

图5 第1 处韧性断裂

图6 第2 处疲劳断裂

根据分析可知滤网断裂形貌为疲劳断裂和韧性断裂；微观形貌可见疲劳断裂后，在编织网钢丝节点处有明显分层现象，这会使得此处应力相对集中，加大断裂风险。

进一步需要排查钢丝节点的分层及应力集中产生的原因，这些与滤网座的成型工艺强相关。经过对成型工艺进行审核排查，发现存在以下问题。

1）滤网钢丝节点变形挤压严重，如图7 所示。

图7 滤网节点变形

2）滤网表面看起来比较“光亮”，很明显是在注塑时挤压过度造成的，如图8 所示。

图8 滤网表面

在排查供应商的成型工艺后发现滤网座注塑时，上模和下模间隙控制较小（控制间隙由滤网厚度决定）。导致滤网受到挤压，导致钢丝变形，厚度变薄，钢丝节点受到损伤，此处应力集中，易产生断裂。具体注塑模具工艺见图9。

图9 注塑模具

根据以上排查结果进行分析，零部件单品质量方面并不存在问题。而滤网座成型工艺出现的应力集中问题则是由滤网厚度尺寸决定的，由此滤网的断裂原因需要从滤网结构尺寸设计上进行对标排查。

2.3 零部件的设计对标排查

零部件设计方面，根据前面的鱼骨刺图梳理需要从滤网钢丝直径设计、滤网厚度、滤网材料选择、滤网支撑梁设计等方面逐一对标排查。排查数据见表4。

表4 结构设计对标

根据设计排查可发现以下几个问题：

1）滤网钢丝直径设计过小

故障件的滤网钢丝直径较细，相比其它厂家滤网更易断裂。

2）滤网厚度设计过小

此滤网是由钢丝上下编制而成，故障件的厚度最小且远低于钢丝直径的两倍，因为注塑上模和下模间隙控制过小，滤网受到挤压，导致应力集中，易产生断裂。

3）滤网材质选择不合适

故障件抗拉强度实测都在700 MPa 以下，屈服强度都在300 MPa 以下。而对标件选用的材料经过相应热处理后实测其机械性能：抗拉强度大于1 200 MPa，屈服强度大于900 MPa[3]。

植物的益生菌发酵，不仅能使其中活性成分、风味、质地得到改善，而且能去除部分有害成分，增强益生功能[11]。目前，尚没有益生菌发酵荷叶，增强其生物学功能的相关报道。为此，本文拟采用肠球菌WEHI01或WEFA23发酵荷叶，从抑菌和抗氧化方面对发酵荷叶上清进行比较研究，从体外和细胞水平考查其抗氧化性和抗氧化酶活的变化规律。

为验证两种材质的性能差异，我们进行了滤网强度验证对标测试：图10 为测试设备，使用1 个特制的冲头对滤网进行加载，记录两种不同材质滤网破坏时的压力峰值，见图11。

图10 滤网测试台架

图11 断裂压力测试结果

我们总共做了5 组对比试验，对断裂后的滤网也进行了分析，发现故障件滤网在加载到20～40 N 时，非冲头区域钢丝已先行断裂。而对标件滤网：断裂区域与冲头几乎重合，而其它位置都完好，如图12 所示。

图12 滤网断裂形貌验证对比

由此可以推断出故障件选用的材料强度低，易发生断裂。

4）滤网支撑梁设计不合理

故障件为一字形设计，其它对标件均为十字架结构，增加了滤网整体强度，能更好地抵抗机油压力冲击及运行过程中的机油压力波动，如图13 所示。

图13 支撑横梁结构对比

经过以上分析，可知OCV 滤网断裂的主要原因有以下几种：

1）滤网钢丝直径设计不合理；

2）滤网厚度设计不合理；

3）滤网材质选择不合理，材料强度偏低；

4）滤网座注塑成型工艺设置不合理；

5）滤网支撑横梁设计不合理。

3 解决措施

针对以上分析的几点原因，可以制定有针对性的解决措施。

3.1 滤网钢丝直径及厚度优化设计

在前面的分析中，已经明确现有直径及厚度都过小。经过调查，目前市场上的发动机上使用的OCV阀的滤网直径主要有0.06、0.08 mm、1.0 mm、1.2 mm四种规格，且还需考虑OCV 阀的目数，供应商恰好有适合此规格的滤网钢丝直径，因此我们暂时选择了此规格产品。

对于此规格的钢丝直径，根据滤网注塑成型工艺要求，滤网厚度最好能接近钢丝直径的两倍。但同时需要考虑滤网和滤网座的粘接强度，需要有一定的过盈量，因此我们在设计上定义滤网厚度为需接近钢丝直径的两倍。

3.2 滤网材质重新选择，增加滤网强度

关于滤网强度的增加可以从两方面入手：一方面经过对标分析可以选择抗拉强度和弯曲强度都较高的SUS304；另一个方面在滤网结构上做设计改动，将一字形设计的支撑横梁更改为十字架结构。同时需要注意钢丝与横梁的角度，由90°改为45°，如图14 所示。

图14 更改前后的支撑梁设计对比

3.3 更改滤网座注塑成型工艺参数

前面已经论证，上模和下模间隙如果控制较小，会导致滤网受到挤压，导致钢丝变形，厚度变薄。因此控制此间隙非常重要，分别设计了三组不同间隙值进行滤网座的注塑成型工艺调试，最后发现采用接近两倍钢丝直径的间隙能调试出滤网厚度接近两倍钢丝直径规格的合格产品。

4 改进措施验证

根据以上措施实施改进，我们设计了一项可模拟发动机真实运行环境的机油压力脉冲试验，可以让OCV 在特殊的试验工况条件下进行单品验证。分别选取了整改前后6 组测试件，进行了机油压力冲击试验。结果显示：测试6 件，整改前滤网断裂5 件，整改后断裂0 件。

根据试验结果初步可判断整改有效，但需要进一步的发动机台架耐久试验来验证。接着我们搭载装机了6 轮台架耐久试验，试验验证结果见表5。

表5 试验验证结果

通过单品及台架耐久试验验证结果可知，所采取的优化措施是有效的，即OCV 滤网断裂问题得到有效解决。

5 结论

影响滤网断裂的因素有很多，需要排查外界环境对零部件本身的影响，然后分析故障件的断口，最后从零部件的质量、装配、成型工艺、材料选择及设计做逐一排查。其中更需要考虑的是如果是连续发生此问题，需要同步排查零部件的批次问题。因本文中分析的问题都在耐久台架后期发生，基本可以锁定的是零部件的材料强度有问题。所以需要重点检查材料的选择，尺寸的设计配合，最终形成有效的优化方案。

找到问题原因后，对标也是一种有效解决问题的方式。在解决滤网断裂的问题过程中，我们对标发现目前市场上常见的滤网类型有四种平面钢丝编织型滤网、平面钢板蚀刻型滤网、圆柱钢丝编织型滤网、圆柱钢板蚀刻型滤网。采用其他类型结构的滤网也有可能解决此问题，但是受限于项目生产或者生产时间及供应商的设计开发资源，一般会选择最合适、样件制作整改周期最短的方案进行验证，同时可以把其他方案作为备选方案储备。

总之只要明确了OCV 滤网断裂的真因，并依据具体的原因制定相应的解决措施，问题就可以得到有效解决。