摘要：在某发动机的可靠性试验中，多次发生多台发动机进气门及进气门弹簧断裂以及阀座磨损等，并且气门弹簧断裂位置基本相同。建市了阀系零件的故障树分析，从气门落座速度、活塞气门间最小距离、气门温度、气门零件之间的同轴度误差及问隙、气门弹簧的断口、金相及硬度等进行了分析，最终确认：由于供应商提供的气门弹簧零件与设计需求有偏差，刚度非线性度不满足设汁需求，导致气门弹簧工作时振动幅度较大，造成气门弹簧早期疲劳断裂。最后进行了气门弹簧刚度非线性度对气门弹簧力的敏感度分析，重新设计了气门弹簧，最终通过了发动机各项可靠性试验。
　　关键词：气门弹簧;失效分析;故障树;刚度非线性度;阀系动力学;敏感度分析
　　1引言
　　在发动机运行的过程中，进排气门的上作环境非常恶劣：进排气门的头部是燃烧室的一部分工作时承受很高的冲击性交变动载荷，当气门有跳动以及气门间隙变大时，冲击交变载荷还将显著增大，排气门在工作中还受到高温有腐蚀性废气的高速冲刷其工作条件更加恶劣^田。为了使气门弹簧配合凸轮型线以及阀系零件的质量合理高效的工作，气门弹簧应该具有合适的弹簧力、刚度及抗疲劳性能。为了避免共振，对弹簧的固有频率有如下要求：对于线性气门弹簧，弹簧的同有频率应大于凸轮轴转速的10～12倍，对于非线性气门弹簧，固有频率应大于凸轮轴转速的8～lO倍。当气门弹簧的工作频率与其自身振动频率相等或成某一倍数时，将会发牛共振。强烈的共振将破坏气门的正常工作：气门反跳、落座冲击，并可使弹簧折断。为了防止共振和颤振现象，气门弹簧越来越多地选用非线性螺旋弹簧，即变刚度弹簧，能有效的防止气门弹簧共振的发生生^[2]。
　　本文建立了阀系零件失效的故障树，从气门落座速度、活塞气门间最小距离、气门温度、气门零件之间的同轴度误差及间隙、气门及弹簧的断口等进行了分析，确认了失效原因，重新进行了气门弹簧设计，并通过了可靠性试验。
　　2问题的提出
　　2.1故障描述
　　在发动机可靠性试验巾，进行到300小时时发生，其中一台发生在额定转速全负荷工况，另外两台发生在图1所示耐久性测试循环中。三个弹簧的失效模式基本相同，断裂位置均在活动圈与死圈连接的部位。
　　2.2故障树分析
　　由于气门弹簧断裂故障伴随气门的断裂及气门座的塌陷等共同发生，因此以气门为中心进行阀系零件的故障树分析。经过统计分析，阀系零件故障主要发生的原因有三点：气门头部掉块、气门头部与杆部网弧过渡处断裂，气门杆锁夹槽部位失效^[3]。据此，展丌故障树如图3所示：
　　2.2.1断口分析、金相组织及硬度排查
　　对失效的进气门弹簧进行宏观观察，断口附近的表面质量良好，未发现明显的划伤、裂纹、麻坑等缺陷存在，两弹簧端面无异常磨损。通过显微镜观察断口，如图4可观察到疲劳源及裂纹扩展方向。
　　对断裂进气门弹簧进行金相组织分析，所检零件为回火马氏体，表面无脱碳且可见喷丸变形层（图5）。断口截面硬度分布如图6所示，均满足设计要求。
　　发动机配气机构动态特性的好坏对整机的可靠性有着很大的影响，其中气门落座特性的影响尤其显著，它直接关系到气门机构的可靠性、耐久性及工作的柔和性。气门是配气机构以凸轮开始的整个运动链中的末端零件，气门的设计必须从整个配气结构来考虑，避免气门落座时承受过大冲击和振动，冈为这些机械负荷是造成气门及气门座磨损的原因之一，但是气门落座冲击过小，又不利于碾碎气门锥面的积碳，从而影响密封性能，因此气门落座特性的考虑要综合动力性与动态性能来综合考虑。通常在设计过程中采用落座速度与落座力来对落座冲击进行评价。图7为6500rpm落座速度及落座力。最大落座速度0.61m/s，，最大落座力约780N，小于6倍气门弹簧预紧力，满足设计要求。
　　2.2.3气门与活塞间最小间隙排查
　　由于活塞顶部有撞击痕迹，首先要排除是否是由于设计或者加工精度问题造成气门与活塞运动干涉，从而导致失效。从设计的角度检查气门与活塞问的最小问隙，考虑了凸轮型线、冲程、连杆长度、上死点时关闭的气门与活塞间的最小距离（气缸方向）、气门轴线与气缸中心线夹角、气门间隙、热膨胀量等，对于VVT，考虑了其实际工作极限角度，即排气最滞后，进气最提前，并计入了VVT公差，并考虑了正时链条传递精度、链条磨损造成的滞后等。从检查结果来看，活塞与进气门之间的最小间隙满足