分析丰田花冠1ZZ-FE发动机凸轮轴VVT螺栓断裂

   一辆行驶里程超27万km的2004年丰田花冠轿车。该车发动机型号1ZZ-FE。1ZZ-FE发动机的进气系统装有VVT-1可变配气正时机构。

    该车辆在高速公路行驶中突然感觉车身有明显震动，随后车辆加速无反应，发动机熄火车辆被迫停车，再反复启动发动机均不能着车。故障发生的前一日曾经在行驶中听到车辆前部有几声有异响并有轻微震动，当时以为是旁边行驶的大型货车产生的噪音，而且车辆很快就没有继续使用，所以没有留意车辆的异常情况。

    故障诊断：检查发现水箱侧的下水管已经脱开，冷却系统内基本没有冷却液，发动机曾经是工作在高温状态。测量蓄电池启动电压正常，启动发动机无着车征兆，感觉发动机阻力很小而转速较高。测量发动机汽缸压力发现4个汽缸的缸压全部为零，可以确定发动机需要分解拆检。

    初步的感觉是发动机没有冷却液导致水温高，发动机在高温状态下影响到汽缸压力，汽缸压力有异常且发动机不能启动。那么发动机工作在高温状态时的温度变化究竟会对汽缸压力产生多大的影响呢？影响汽缸压力减小有3个可变因素：气门的密封、活塞环的密封和汽缸垫的密封。

    气门的密封取决于气门和气门座圈紧密贴合，不能紧密贴合的原因有以下几点：气门或者座圈的接合面有积炭等杂物使贴合产生小缝隙，气门或者座圈的接合面由于磨损和烧蚀等原因产生部分缺失变形，气门和座圈两者的接合面不平行，气门弹簧故障没有足够的弹力使气门与座圈贴合，气门在往复运动中没有足够的行程与座圈接触和贴合。能受到温度升高影响产生漏气的是气门烧蚀和气门间隙。气门烧蚀多发生在排气门，主要是由于点火正时过迟引起，需要有一定的过程而不会突然在较短的时间内达到漏气的程度。气门间隙过小基本是持续存在一般不会有突然发生的概率。除去气门间隙过小使气门不能关闭而受温度影响的因素还有气门杆在气门导管中运动受阻，多数是由于燃油品质产生有胶质性的积炭受温度影响使气门卡滞在打开状态。

    活塞环的密封性能是靠活塞环与缸壁的紧密贴合来决定，活塞环与缸壁在往复的摩擦中要保持一定的密封性能还要有机油作为介质。通常随着发动机的工作时间增多活塞环的密封性能下降，这是一个长期的过程。活塞环密封性能骤然的降低，所说的汽缸窜气突然增大主要的条件有两个，一是活塞环没有与缸壁贴合，二是没有机油来润滑和密封。活塞环断裂失去扩张弹性和活塞环卡死在环槽中的结果都是不能紧密贴合，活塞环断裂后不一定都卡死，第一道环由于积炭较多即使不断裂有时也会卡死，这是由燃油和机油的品质决定的。即使活塞上的三道活塞环都卡死，但对机油还可以起到一定的密封性。汽缸压力虽然有降低但通常都可以启动着车，如果没有机油，那么即使活塞环状态良好有时也会无法启动着车，曾经就有车辆在停放很久后需要往汽缸内注入机油才能着车的情况发生。发动机高温运转中汽缸窜气变大，发动机的温度变化使活塞环的密封性快速降低，通常在拉缸时会产生，发动机温度异常增高会使活塞直径变大缸壁间隙变小，活塞在缸筒内的运动阻力增加后活塞由于摩擦增大而发热，结果是缸筒和活塞的摩擦面都会划伤，在拉缸后一般活塞环会卡死损伤，但有一点拉缸不会导致汽缸压力为零。

汽缸垫的密封性能在发动机正常工作中是不会发生改变，多发生在发动机温度高时山于缸盖和缸体的受热变形使汽缸垫局部位置的夹紧力降低，发动机作功冲程时的爆发压力和燃烧的温度使汽缸垫失去密封性能。缸体和缸盖的变形大小主要由材料的差别、温度、时间、铸造件内部应力等因素决定。汽缸垫不良的主要故障表现是压缩或者爆发的气体冲入相邻汽缸、冷却水套和汽缸外部，但是使所有汽缸的压力都消失几乎是不能实现的。

    分解发动机拆开气门室盖看到进气凸轮轴VVT执行器的安装螺栓断裂，VVT执行器从进气凸轮轴上脱离，如图1所示。拆下汽缸盖后检查看到，8个进气门全部关闭不严，如图2所示。检查活塞顶部有撞击的痕迹，4个活塞撞击的痕迹基本相同，如图3所示。汽缸垫没有明显的损伤痕迹，测量缸体和缸盖的结合面平面度均在0.05mm以内。摇转曲轴检查活塞都可以升到汽缸顶部，4个汽缸无明显差异，可以说明连杆没有弯曲变形。检查4个缸筒均没有拉伤痕迹，发动机中缸部分可以说没有受到损伤。

 

    VVT安装螺栓断裂带来的思考：
    检查发动机的时规盖没有拆卸过的痕迹，凸轮轴链轮和链条部分没有拆装过，断裂的VVT螺栓没有被拆装过，所以螺栓不存在安装不当引起的受力损伤。VVT螺栓断裂的原因就只能有两个：一是车辆使用时间较长该螺栓金属疲劳白然断裂；二是该螺栓在断裂前的一段时间内是受到某些破坏性因素的影响而被迫断裂。第一种原因发生的几率是很小的，并且该螺栓配件从厂家都无法订货，该螺栓是特殊材质的高强度螺栓，丰田厂家不提供螺栓零件，说明更换这个螺栓的几率几乎是为零的。那么第二种原因就是关注的重点了，如果不能确定这个螺栓断裂的原因，那么修复的发动机将会存在隐患，重复的故障可能会再次发生。图4是螺栓的断裂面，从断裂面来分析真的是很难准确的来判定是扭力拉伤或者是疲劳损伤等断裂原因。敲击凸轮轴剩余的断螺栓很紧，说明在断裂时螺栓是没有松动的。

进气门部分受到严重损伤而排气门音体分没有任何异常，这说明排气门在配气正时不正常的时候没有和活塞的运动发生干涉。排气门没有VVT来调节气门正时，当活塞向下快接近到下止点前的46°时排气门开始打开，如果有VVT调节的话理论上就会最大提前至51°，活塞在下方无论怎样调节都不会与气门发生接触。当活塞向上运动到上止点时如果有VVT调节那么排气门已经在上止点前的1°就已经关闭。1ZZ发动机排气没有VVT调节，排气门是在上止点后的4°完成关闭。活塞在上止点位置时排气门已经基本关闭，而且排气门头部的直径比进气门小，气门在倾斜的位置开启的升程相同，那么气门头直径小的气门距离活塞也越远，综合来看排气门与活塞是很难接触到的。如图5所示，排气凸轮轴正时齿轮的齿牙没有明显的磨损痕迹，也说明了松动的链条在齿轮上很少发生跳动。

    检查VVT齿轮有明显的磨损，如图6所示。齿轮齿牙的顶部磨损过半，整个齿轮有一半的齿牙磨损，一半的齿牙几乎就没有磨损，磨损齿牙呈间隔状分布很有特点。如图7所示，把链条套在VVT齿轮上就可以看出为什么磨损的会这么有规律了，间隔的齿牙会被磨尖说明链条是在上下跳动的状态工作，这证明链条的张紧度有问题。

 

     如图8所示，检查张紧器的壳体已经裂开，这样会导致张紧器阀芯的配合间隙增大，张紧器工作的机油压力会泄压，使链条不能保持一个合适的张紧度。链条张紧器在正常工作状态下很少会出现问题，其工作油压最高也就是500kPa的机油压力，这个机油压力远远小于张紧器工作时壳体所能承受的最大液压张力，车辆使用了8年的时间基本上也排除了张紧器有生产缺陷的可能。

如图9所示，检查张紧器有拆装过的痕迹，1 ZZ-FE发动机时规盖漏油的故障会有发生，尤其是张紧器安装的部位漏油比较明显。看到张紧器在安装时被打了很多的密封胶，张紧器损伤的原因就可以解释了。过多的密封胶影响了张紧器的油压供应，张紧器工作油压不足使阀芯伸缩频率很大。在正常油压状态时阀芯运动的频率不高，阀芯基本上是处在顶死的状态不会有很大的震动。在发动机停机时张紧器没有油压，张紧器是靠弹簧力呈自由伸长状态，如图10所示。机械锁定机构使阀芯不能收缩，阀芯受到弹簧的力可以自由伸长，张紧器内部的弹簧力很小，在解除了机械锁定机构时用手指的力就可以轻松的压入阀芯。一台正常的发动机在停机时由于张紧器只伸不缩的特性，虽然没有机油压力链条也会被卡紧而不是在很松的状态，链条在这种张紧度没有达到完全正常的状态时也是可以保障发动机正常运转的。实际上，张紧器内部有单向球阀分为低压腔和高压腔，高压腔产生一定的阻尼作用是可以在发动机转速变化时减轻链条波动。

    链条张紧器损伤和锁定失灵的原因分析：

    链条张紧器的裂纹是在壳体结构最薄的位置，这很容易理解，如图11所示，黄色的标记是裂纹位置，使壳体产生裂纹的主要原因是锁爪在卡住阀芯时上部齿牙的位置是高于红色圆圈标志的锁爪旋转轴心，也就是锁爪的受力点和支撑点的连线不是水平的，这个40°左右的角度（红色线条标志）会使阀芯有个向图片左侧的作用力，阀芯被锁爪卡住的同时会有横向的力冲击裂纹的壳体最薄处。如果链条张紧器没有工作油压，阀芯在卡住的同时对壳体的横向力保持一定或者有一定的波动，那么这个横向力还不足以将壳体撑裂，壳体最薄处的强度满足发动机启动时的冲击是没有问题的。发动机在运转中链条由于张紧力不足，在松动的状态下会发生摆动，链条的张紧侧导轨处在震荡的状态下对张紧器产生冲击，随着发动机转速的变化阀芯有时会处在一个高频振荡状态，壳体的最薄处在这种高频的横向冲击力作用下就会发生开裂。

    阀芯头部黑白相间的积炭印迹是链条发生跳齿的位置，这个位置也基本上接近了在安装张紧器时阀芯被挂钩锁住的极限位置。阀芯能被在正常工作的中间位置压入至极限位置首先要克服单向锁定机构，这里有些不可思议，只有按下锁爪的外沿压缩小弹簧使锁爪脱离阀芯才可以将阀芯压入。张紧器虽然产生裂纹但是锁定机构的齿牙都是完好的。在发动机运转中锁定机构是如何失效的呢？

    如图12所示，阴影是锁爪的锁定位置，两个红色实心点位置的齿牙是咬合状态，阀芯在被压入的时候会被锁定。锁爪压缩锁定弹簧反转到无阴影的位置时阀芯可以被压入，两个红色圆圈标示的齿牙是脱离状态，在发动机运转中链条产生松动，也只有在这种脱离状态时阀芯才可以被压入。在发动机运转中是没有任何外力来压缩锁定弹簧的，张紧器的工作油压不足但是还有一定的压力，这个不足而又在变化的油压会把阀芯顶出来，当链条对阀芯产生的压力同张紧器不足的油压达到平衡时阀芯会产生震颤，在某一时刻就会在两个红圈位置震颤，如果频率够高那么阀芯就可能会滑入一个齿，也就是张紧器发生了跳齿。

    故障排除：VVT齿轮的螺栓没有新零件可以订货，只能找旧的螺栓进行更换，在清洗零件的时候又发现了VVT电磁阀也出现了问题，如图13所示。VVT电磁阀由于断裂很难拆出来，没有想到由于气门同活塞发生碰撞后VVT的工作油压会把阀套顶破。在更换了损伤和磨损的零件装配好发动机后试车一切正常，故障一次性彻底排除。

    故障总结：此次故障的因果关系是发动机链条张紧器处漏油，张紧器安装时涂抹密封胶过多，张紧器工作油压下降，链条产生松动同时VVT齿轮磨损，松动的链条使张紧器产生裂纹，张紧器产生裂纹后工作油压进一步下降，链条进一步产生松动使VVT齿轮接近于发生跳齿，水箱水管脱落造成发动机无冷却液而高温，发动机机油温度升高导致张紧器因为机油茹度降低从裂纹处泄漏，张紧器在发动机运转中工作油压降至最低点导致张紧器锁定机构没有能阻止阀芯压入到极限位置，正时链条发生跳齿，气门同活塞发生碰撞，VVT电磁阀被机油顶坏，同时VVT齿轮螺栓受到冲击力发生断裂，发动机无法运转。

    水箱水管发生脱落对正时链条发生跳齿产生影响的主要因素是温度，如果不发生水管脱落正时链条工作在松动的状态下终究还是会发生跳齿，水管脱落也是属于巧合只不过是加速了故障的恶化。发动机运转中链条产生对张紧器的压缩力和张紧器的工作油压始终是个对比关系，随着发动机的转速和温度发生变化这个对比值也是一个波动的变化状态，张紧器有时会顶出，有时又会跳齿压入，最终是链条发生了跳齿配气相位发生错乱。

    气门被活塞顶弯的力使进气凸轮轴上的VVT齿轮安装螺栓发生断裂，如图14所示，通过分析可以进一步说明螺栓断裂的过程。发动机运转中如果凸轮轴齿轮螺栓有松动，那么VVT齿轮的定位销槽就一定有磨损痕迹，图中蓝色圈标志的定位销槽侧面没有磨损痕迹，这说明凸轮轴齿轮螺栓并没有松动。VVT齿轮带动凸轮轴旋转定位销就一定是靠向蓝色圈标志的一侧。红色圈标志的一侧有很大的撞击痕迹，这说明是凸轮轴在带动VVT齿轮旋转，因为VVT齿轮是图，4凸轮轴VV丁齿轮螺栓的断裂因素不会有反转发生的。从凸轮轴定位销的断裂面来看，定位销在断裂时受力面是在凸轮轴旋转方向的提前侧，也说明了凸轮轴比VVT齿轮转得快。来自于气门的力驱使凸轮轴在一瞬间转速加快，VVT齿轮被链条限制同曲轴为一体旋转，这一时刻也可以相对看做是凸轮轴在正转来冲击静止的VVT齿轮。如果VVT齿轮安装螺栓的强度足够大的话那么就不会断裂，结果就会是发动机被卡住不能继续运作。正因为VVT螺栓的强度没有那么大，在凸轮轴和曲轴发生运动干涉时凸轮轴与VVT齿轮由同转变为有了转速差，VVT螺栓的夹紧力没有凸轮轴的冲击力大，这时定位销就会被剪切。在定位销被剪切的时刻红色圈标志的受力面因为靠近另外的一个槽而发生破碎，如果没有另外一个槽在旁边降低了受力面的强度那么这个定位销就会被完全剪切，凸轮轴比VVT齿轮转得快就会有一个使安装螺栓松动的力，最后安装螺栓可能不会断裂而只是发生松动。安装螺栓会断裂就一定有一个在其受到冲击的时候产生轴向的拉力，简单说就是使螺栓被拉长的力。定位销槽受力面发生破碎会使定位销不是被完全剪切断裂而是弯曲后断裂，这一点仔细看图中定位销的断裂面一半是剪切的光滑面一半是拉伸的凹凸面也可以说明。红色圈中的定位销槽破损面形成了一个坡度会让断裂的定位销发生滚动，断裂的定位销在开始滚动的瞬间就会把安装螺栓拉断。

活塞撞击气门是在气门开始关闭的时候，简单的看可能是排气上止点，但实际上在压缩上止点撞击的几率更大些。另外一个难于理解的问题是当链条松动后进气凸轮轴的VVT齿轮磨损严重但是排气凸轮轴齿轮没有磨损痕迹，通过分析链条受力的特点和凸轮轴凸轮的作用力可以找到原因。

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