四叶参

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TUhjnbcbe - 2022/3/16 16:34:00

冯建权,原一汽汽车研究所副总工程师,CA发动机主管设计师,中国第一代汽车发动机设计师。

年冯建权出生在北京,年考上天津大学机械系内燃机专业,师从我国内燃机专家潘承孝和史绍熙先生。年毕业后,被分配到正在筹建中的一汽,从此与发动机结下50年不解之缘,并从一名大学生成长为中国第一代汽车发动机设计师。

在一汽42年间,冯建权亲历了两次创业历程,期间改进老解放发动机、参与设计红旗轿车发动机、农用万能汽车发动机、60吨矿山车发动机和设计CA换型发动机等。

年,一汽开始第二次创业,急需打破解放产品三十年一贯制,CA整车和发动机换型提上日程,冯建权被任命为换型发动机的主管设计师。在“旧长袍改西服,既想美观,又要省钱”的前提下带队设计CA。

新解放CA批量生产后,冯建权针对新车发动机两大质量问题——不同程度出现活塞烧顶、断环,甚至拉缸现象,以及气缸筒早期严重磨损进行攻关,最终找到质量原因和解决问题的方案。“设计人员不懂市场,是我这辈子最大的教训。”他总结道。

年,冯建权从一汽退休。年,受奇瑞汽车董事长尹同跃邀请,参与设计奇瑞QQ发动机项目。

年6月10日,冯建权在长春花园酒店接受访谈。年12月27日,冯建权去世,享年87岁。

访谈内容未经本人核对。感谢郭谦、冯武堂对本文的核校。顾民对本文亦有贡献。

年1月我出生在北京。从辅仁高中毕业后,考上天津大学机械系,当时还叫北洋大学。张兴业、汪声銮、陆孝宽,还有一汽老厂长*兆銮都毕业于北洋大学。其中,汪声銮比我高两个班,我念大一时,他念大三。

为什么报考北洋大学机械系?其实也谈不上喜欢,那时候也不太懂,就是想学机械,觉得学机械比较保险。大学毕业前分专业,我被分到内燃机专业。当时机械系就两个专业,一个内燃机,一个机械制造。

年毕业,我被分到正在筹建中的一汽,当时还叫厂。当年从天津大学机械系分到一汽的有十几人,其中有位女生叫陈纫秋,和我同班,到一汽后给孟少农(时任一汽副厂长兼副总工程师)当过一段时间秘书。

到一汽报到已是8月。东北有水灾,铁路全被冲坏了,我们从天津坐火车,出山海关后又退回去,耽误了一段时间才赶到一汽,否则就能赶上一汽奠基仪式。

报到时还有个小插曲。人事部门一看我是内燃机专业,就把我分到经济计划处。因为按照苏联提供的组织设计,经济计划处里有工程师,但那是经济工程师,跟我这个工程师概念不一样。后因专业和工作结合不上,又把我分到一汽设计处。

在设计处先看俄文图纸。我到一汽后才开始学俄文,当时学俄文分两种情况:一种预备出国,上俄文班;另一种不出国。我属于后者,利用上班间隙学,不脱产。目标不高,能看图纸,能翻译图纸就行。我断断续续学了一两个月,基本能看图纸。

设计处负责人是吴敬业,后来是刘炳南、史汝辑。设计处管产品设计,下设发动机科,最多时有四五十个设计员,最少时有三四十个设计员。我主要理解图纸和生产怎么结合,先弄明白是怎么回事,再给工艺员解释,图纸上有什么问题,怎么才能达到设计要求。

研发4E发动机

年,一汽建成,解放牌投产。解放牌的原型车是苏联吉斯,发动机代号,在中国跑过一两年后出现一些问题。

一大问题是散热。苏联纬度高,天气较冷,发动机工作起来散热不成问题。但中国情况有所不同,从华中往南,天气越来越热,发动机水箱容易开锅。

但发动机刚引进投产,还不能大动,也没能力大动,只能小改小革。设计科的任务就是努力解决散热问题,我们把水箱加大,风扇从四叶改为六叶。原设计风扇的位置较低,水箱较高,就把水箱的中心和风扇的中心抬高对正。

另一个问题是笨重。发动机尺寸大,但马力小。举个例子,这台发动机重公斤,有匹马力,那台发动机重公斤,也是马力。那台发动机显得笨重,个头大,能力低,要想办法改进。当时我们看到了这个问题,但不敢马上改,只能先摸索一段时间。

解放牌投产后,我们开始做轿车发动机设计。先做东风,东风我参加得少。后来做红旗,向吉林工业大学借来一辆克莱斯勒,发动机很先进,我们只能照抄。抄完后做不出来,好不容易做出来又老出问题,只能攻关,由时任一汽总工程师的李刚带队攻关。

解放牌是我们的饭碗,一汽就靠解放牌生存。年代中期,由于工厂发展需要,上面提出解放发动机改型的要求,即研发4E发动机。

老解放发动机代号,苏联叫,我们按照国家标准改为,其中“6”代表六缸,“”代表汽缸直径毫米。其实,老解放发动机缸径并不是毫米,而是.6毫米,因为这款发动机苏联抄的美国,缸径按英制计,4英寸合.6毫米。

那时候做发动机,跟现在完全不同,从水箱到消声器,全都要自己设计。除金属和电器,其他什么都管,其实电器设计我们也管,只是离得较远。现在设计发动机,汽车厂和设计单位往往相对独立,汽车厂有什么需求,给出大小、性能、体积就行,根本不用自己设计。

好在前期通过向苏联专家学习,积累了发动机设计能力,特别是通过对老解放发动机的改造和红旗轿车V8发动机的研发,我们学到了一些发动机设计本领。于是,大家分头行动,做出几个方案,最后选出一个方案:缸径改成毫米,发动机代号6。

经过设计及工艺员的努力,我们试制出50多台发动机,进行台架及道路试验,证明性能完全达到设计任务书的要求。之后,一汽装了十几辆样车,到全国各地试车,发动机基本过关。我参加了这台发动机设计、试验的全过程,积累了较为扎实的设计基本功。

遗憾的是,这时文化大革命开始,技术人员靠边站,发动机断送了投产机会。不幸中的万幸,这台发动机和整车都无偿地移交给二汽,二汽在6基础上设计了EQ。

文革开始后,刘炳南、史汝辑等受冲击较大,我出身虽不好,所幸没受大批斗。那时成天开会学习,技术工作很少,所谓抓革命、促生产,其实是抓革命,不促生产。

这期间,一汽抓紧时间做试验,试验车在云南、黑龙江、湖北等地跑。我在一汽没机会开车,就跑到*去试车。

结果有一次意外翻车,车里坐着三个人,我开的车,我被刮伤,另两人没受伤。我在*把车修好,回来后跟谁汇报都不知道。大家都在抓革命,外面情况没人管,也没人问。

“旧长袍改西服”

文革结束,一汽准备对老解放换型改进。这不仅是改变产品“三十年一贯制”的需要,也是市场形势所迫。

年,一汽第二次创业,开始CA整车和发动机换型工作,我被任命为换型发动机的主管设计师。一汽下达发动机设计任务书规定,为节约资金,换型发动机要最大限度地利用原有设备,在不改动或减少改动的前提下,设计出与4E发动机排量相同,性质更好的直列六缸发动机。

具体要求是,功率马力/转/分,扭矩38公斤·米/0转/分,外特性最低油耗要小于克/马力·小时,燃用80号汽油和QD级润滑油,同时还要考虑四缸、六缸及汽柴油机共线生产的可能性。

当时世界汽车工业的潮流是汽油机小型化,不做缸径毫米以上的大汽油机,大的基本都做柴油机。但我们没办法,做大汽油机主要原因有两方面。

其一,国家缺柴油。根据当时技术水平,一吨原油能提炼一定比例的汽油、柴油和润滑油。拖拉机和其他农业机械都用柴油,汽油只能汽车用。

其二,最主要原因是缺资金。我们也想重新设计一个全新的六缸发动机,但一方面国家不拨款,计划经济时期,一汽卖车所得利润要全部上交。另一方面,一汽有几十台发动机设备(专机线),厂里明确表示,这些设备得想办法用上,不能买新的,买也没钱。

受生产设备制约,设计发动机的思路基本被框死。

年10月,发动机设计工作开始,型号定为CA。当时我们曾开玩笑,说新发动机的设计思路好比“旧长袍改西服,既想美观,又要省钱”。拿一块新料子做西服,不管怎么样,还能弄出个样子来,但要把原来的长袍改成西服就很难。

原有设备都得用上,就像长袍改西服,原有基本尺寸不能动,只能凑合着改。设计很受限制,这些困难时任一汽厂长的李刚都知道,设计任务书的原则就是他定的。但他也没办法,总想我们能用一个性能较好,又要省钱的发动机。

除资金外,设计CA发动机的另一大困难是技术水平。十年浩劫都去抓革命,没有大量的技术储备,而这时国际上发动机技术已有长足进步。年代处于改革开放初期,产品开发既不能向国外设计公司咨询,更不能去国外考察,甚至连类似车型样机参考都没有,唯一途径就是从相关杂志上,了解一些全球汽车发动机情况。

整个发动机科,除科长张曰骞和一个试验员去过苏联外,其他人都没出过国。总体看,发动机技术仍停留在4E水平上。这些无疑给设计员提出更高要求。厂里非常着急,我们也想把工作做好。我想,这差不多算是我最后一个作品。这种情况下,大家都非常努力。

为缩短投产时间,产品设计人员和冷热加工工艺员密切配合,采取适度的多边做法。设计人员大部分来自4E发动机团队,有设计经验,因此,除继承4E发动机优点外,这次设计还改进了一些不足之处。

CA设计思路

具体来看,CA换型发动机的设计思路包括以下几个方面。

第一,整机布置及一些结构参数的确定。

设计任务书规定,要最大限度地利用CA10发动机的现生产设备,设计一台工作容积、缸径、行程与CA10发动机相同的CA发动机。因此,新发动机最主要的结构参数缸心距不能变动。

而原CA10发动机的缸心距设置又极不合理(4E发动机未受此限),除三缸与四缸之间距离为.2毫米外,其余各缸的缸心距均为.5毫米,前者太大,后者又偏小,无形之中增加了发动机的长度和重量,这就是“长袍改西服”的不良后果,只能在降低发动机的高度上采取措施,加以弥补。

另外,将侧置气阀改为顶置气阀,必然要有推杆。从司机方向看,原发动机的凸轮轴孔位于发动机右侧,推杆只能布置在右侧,自然进排气道只能布置在左侧,排气总管也在左侧,也就是司机一侧。这种布局对司机的工作条件极为不利,特别是炎热夏季,只能通过在驾驶室上增加隔热措施来解决。

第二,气缸体设计。

为适应原来的铸造工艺,材料依然采用灰铸铁HT。但根据以往设计经验,并结合这次设计要求,缸筒耐磨性要保证30万公里的大修里程。因此,采用耐磨性极好的含铌的铸铁干式薄缸套,方便修理厂的大修。

为解决气缸垫容易烧穿问题,改进了紧固气缸盖螺栓的布置,以保证压紧力分布均匀,采用每缸均摊6个M12螺栓,保证两个螺栓的距离小于85毫米,经压印纸压印,证明压力分布均匀,保证足够的压紧力。

为达到缸体及缸盖各部分冷却均匀,取消原CA10发动机采用的铜质分水管,利用原水套盖板组成缸体侧面进水通道,利用出砂孔堵盖做分水量孔,以控制各处的进水量,经水流试验证明效果满意。

为提高气缸体纵向刚度,适当加高气缸体下端的龙门高度。

第三,气缸盖设计。

采用灰铸铁HT,但需解决两个问题。其一,选用充气性能较好的楔形燃烧室,楔形角为14度。这种形式的燃烧室能形成较好的进气涡流,提高燃烧速率,机械辛烷值较高。并且进排气道布置在同一侧,对化油器发动机来说,易于混合气的预热。

其二,采用耐磨的铸铁气阀导管,先用耐热程度不同的进排气阀座,并采用液态氮冷缩阀座圈的装配工艺,增加工作可靠性和良好的导热性。

第四,曲轴设计。

因缸心距已定,故曲轴长度已被确定,但因CA发动机热负荷及机械负荷都有增加,所以曲轴设计须考虑三个问题。其一,增加平衡块,以减轻主轴承负荷。

其二,为提高曲轴的刚度及强度,应增加曲轴的重叠度,但为不增加离心负荷,不增加连杆轴颈直径,只将主轴颈直径由φ66毫米增至中φ75毫米,这样重叠度由6.85毫米增至11.35毫米。

其三,由于锻造工艺条件限制,仍采用中碳钢,正火处理。这种材料本应调质处理,得到更好的显微组织,但无法实现,只能是优材劣用。这是“长袍改西服”的又一弊端。

第五,轴承设计。

由于CA发动机的热负荷及机械负荷都有增加,因此轴承的承载能力及耐磨性要相应提高。根据过去的经验及计算结果,原用巴氏合金轴承远不能满足要求,故选用承载能力更高的铜铅合金轴承,在内圆表面镀减磨的铝锡二元合金,以改善耐磨性能。

第六,凸轮轴设计。

这次设计的凸轮型线改为复合摆线,其负加速度段的走向适合气门弹簧的强力曲线。时间断面系统较大,有利于充气。缺点是,加速度曲线不够连续,但对这样转速的发动机影响较小。选材方面,受制于原工艺限制,只能是凸轮轴仍选用45号锻钢,挺杆改用铬钼低合金可淬硬铸铁,经试验效果良好。

第七,气缸垫设计。

这次设计改用全钢结构,即3层钢板结构,中间层以普通钢板作为调整厚度层,两面是耐热薄钢板,气缸口及油道孔周围是耐热钢护圈,在成品缸垫两面喷以耐热漆。经长期强化,试验效果极佳。

第八,活塞设计。

在裙部型线设计上采用筒形变椭圆,其筒形度及椭圆度经多次修改而成。在材质方面采用膨胀系统较小的共晶硅铝合金。在铸造工艺上采用液态模锻,既可增加致密度,又可改善耐磨性。为改善初期磨合性能,增加镀锡要求。

第九,活塞环设计。

采用两道气环、一道油环结构。由于发动机转速提高,尽可能减少活塞环质量,第一道气环采用高度为2毫米的薄型环,外圆为腰鼓形,表面镀铬的铸铁环。第二道气环采用高度为2毫米的梯形铸铁环,油环为双刃口铸铁外环,内加螺旋弹簧衬环。

第十,空气滤清器设计。

当时国际上已普遍采用纸质滤芯空气滤清器,因为纸滤成本低、工艺简单,滤清效率又高,可达99.5%以上。因而放弃原CA10发动机上采用的,不需要更换滤芯的油浴式空气滤清器,主要缺点是滤清效率偏低,最大优点是不需在使用过程中更换滤芯,只需定期清洗。由于选择错误,导致CA发动机投产后,发生严重的早期磨损质量事故。

批量生产

根据上述设计思路,CA样机试制出来后,进行台架性能调试,全部达成或超过设计任务书所规定的各项指标。然后进行强化试验,初期曾经发生过两次气缸体开裂漏水,改进后得到解决。在第二轮0小时强化试验后,没有发现任何问题。

为确保质量,前后共进行过9台0小时强化试验,全部通过,其中一台进行了小时。经过测量,所有磨损都很小,这个过程时长一年半。除进行整机性能调整、强化试验外,还进行各种零部件及小总成试验,包括曲轴和连杆疲劳试验、活塞拉缸试验、水泵及油泵的寿命及性能试验、化油器调整等多项试验。

除此之外,CA还装车进行整车道路试验,在东北(黑龙江)、西北(*)、华中(襄樊)、西南(宝山)、海南(海口)等地大运输公司进行使用试验。这些试验都由一汽负责供应备件及按规定要求进行。

年做产品鉴定,各地运输公司共行驶约50万公里,没有发现较大质量问题。在鉴定过程中,各方面的专家都表示满意,CA顺利通过国家鉴定。

随后开始大规模生产准备工作。主要是设备订货及工装卡具制造,到年生产准备完成。原打算用一个季度时间完成新老产品过渡生产,老发动机产量逐渐由多变少,新发动机产量由少变多,这样既能保证生产稳步过渡,又可使新车在各类用户中进行考验,便于发现质量问题,给解决质量问题预留足够时间。

但由于当时解放老车型已严重滞销,一汽领导决定垂直转产,这实际是风险投产。年第三季度,CA10发动机停产,CA发动机立即满负荷生产,装配CA的新解放CA开始批量供应市场。

批量生产就出问题了。

新解放CA大批量投放市场后,在4万公里保用期内,CA发动机先后发生两大质量问题。经过仔细分析和验证,我们找到质量问题的原因和解决问题的方案。

一个质量问题是,新车发动机不同程度地出现活塞烧顶、断环,甚至拉缸现象。

经过实地用户调查,我们发现各地使用的汽油达不到设计规定的80号(RON)要求,大部分是70号(RON)甚至更低,就必然引起发动机严重爆震,导致活塞烧项、断环、拉缸问题发生。

新解放CA投放之时,正值我国改革开放不久,计划经济向市场经济过渡阶段,油料供应较为混乱。虽然国家七五计划规定,汽油要达到80号(RON)标准、润滑油要达到QD级以上,实际只有一些大城市能达到要求,广大中小城市和乡村都无法达到。

像解放CA这样的载货车,大部分都行驶在中小城市和乡村。长期使用不达标汽油及润滑油,就会导致活塞烧顶等事故出现。如果在设计时就采用低压缩比,就不会出现这个问题。待油料品质改善后,再提高压缩比,结果就是另一种局面。

我们的解决办法是,降低压缩比,将压缩比从7.4:1降至6.9:1。

最大的教训

另一个质量问题是,不同地区的新车发动机先后出现气缸筒早期严重磨损,导致漏气量加大。经过观察,这种磨损模式属于磨料磨损,经过人工加灰(人工磨料)试验得出与用户反映的磨损模式相同。

为什么在大量定型试验中没有出现这类问题?因为发动机台架试验在室内进行,不存在灰尘进入发动机气缸问题。而且道路试验和各地区运输公司的使用试验所用的空气滤清器滤芯,是工厂统一供应的合乎设计要求的滤芯。试车时,我们试制了10到20个空气滤清器,手工就能做好,能保证滤清效果,不会出现气缸筒早期磨损问题。

但当整车大批量投产后,市场对空气滤清器的需求成千上万,配件供应短缺,还出现了大量劣质滤芯,使用这劣质滤芯,就会出现早期磨损。我们立即做试验,国外很多空气滤芯都要做试验,很多指标我们都没有。另外,我们也在国内做试验,从几个方面证实气缸筒早期磨损和滤芯品质有关。

其一,早期磨损在南方较轻,在北方较重,为什么?因为南方比较湿润,公路上灰尘比较少,北方灰尘比较大。

其二,东北地区解放牌早期磨损厉害,但林区一个都没磨损过。林区在雪地,拉木头时都是雪路,等雪一开化车就停,所以林区没有。

我们还做过这样的试验,前面一辆车,后面一辆车,在热电站附近跑。热电站炉灰大,前面跑的车把灰扬起来,让后面的车吸,后面的车很快就磨损。

这些劣质滤芯谁生产?再一查,河北省一个家庭作坊做的。那时候国家还没有滤纸生产厂,这些小作坊用的纸也不对。此外,当时所有运输公司都改成司机承包,司机为图便宜,不会去买好滤芯,因为气缸筒磨坏了也不是他的,他只管承包的支出和收入,一万公里拉多少货,挣多少钱。

找到原因后,我们改进空气滤清器的滤芯结构,把单级滤芯改成双级滤芯。同时,加强宣传滤芯的重要性,杜绝使用劣质空滤芯。我们对用户讲,使用不合格滤芯,就不赔付。这一质量问题逐步得到解决。

因采用纸质滤芯导致发动机早期磨损,是CA发动机设计中暴露出来的最大问题。从设计角度,只要设计的产品试车没问题,就可以交卷,交卷后通过验收,再有问题也不用管,后面的问题出在市场上。

现在就不存在这种情况。空气滤清器属于易损件,到时就该换,4S店都会更换原厂件,出问题由4S店负责。但年代不同,当时没人管。我们把车卖给用户,可能生产出来是好的,等用户到市面上购买滤芯,就可能使用劣质滤芯。当时设计人员还没有市场概念,所以吃了亏。

这件事情闹得满城风雨。别人都说,是你设计出了问题,否则怎么会出现这么多早期磨损?我是发动机总设计师,真是哑巴吃*连,有苦说不出。我知道一些原因,但不能说服人家。我当时成为众矢之的,压力非常大。

出现问题后开始做试验,没有半年下不来。后面改滤清器,改进后又做试验,这么前后一折腾,一年就过去了。耿昭杰厂长急坏了,当时CA已经投产,如果停下来,全厂职工就没饭吃。如果不停下来,磨损这么快,人家又要退货,市场压力很大。设计员不懂市场,是我这辈子最大的教训。

问题后来得到了解决,但用户都开始买柴油机了,因为汽油贵,柴油便宜,效率还高。按照CA设计任务书,同一条线上要生产汽油机和柴油机两种机型。柴油机我们设计了,但没有生产。为什么?做汽油机时尺寸很大,但做柴油机又嫌小。当时汽研所做了,这个产品由无锡柴油机厂生产,后面就用这个柴油机代替。

我从市场上学到的教训在一汽没用上,在奇瑞汽车却用上了。到奇瑞汽车后,我对市场非常敏感。

我认为总设计师就相当于电影导演,导演说这么演,就得这么演。我是导演,我愿意这么导,导好了我负责,导坏了我也得负责。

用一句话总结我的职业生涯,就是和发动机结缘50年。我年毕业,在一汽干了42年,参与了一汽的两次创业。从改进老解放发动机,到参与设计红旗发动机,从设计6发动机,到大改CA发动机,从不懂发动机,到知道怎么做发动机,从真正设计发动机,到奇瑞汽车设计小排量发动机,成为中国第一代汽车发动机设计师。

我比较满意的作品一是CA发动机,在“长袍改西服”前提条件下,改得还算成功。设计产品不能脱离当时环境,CA发动机是在当时条件下能满足人们要求的产品。二是奇瑞QQ发动机,没费什么劲,我离开时产量已达到多万台。

文:葛帮宁编辑:陈伟刘晓烨版式:刘晓烨

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