汽油機(jī)連桿軸承燒蝕問題分析

李飛 張偉 胡威

【關(guān)鍵詞】汽油機(jī)；連桿軸承；燒蝕

某發(fā)動機(jī)企業(yè)在研制開發(fā)汽油機(jī)初期進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，連續(xù)出現(xiàn)兩臺汽油機(jī)連桿軸承燒蝕現(xiàn)象，且均出現(xiàn)在第3 曲柄處。本文就此問題進(jìn)行調(diào)查分析。

1 汽車發(fā)動機(jī)連桿的作用和結(jié)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，也是實(shí)現(xiàn)熱工轉(zhuǎn)換的主要機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由曲軸、連桿、曲軸軸承、連桿軸承、活塞、活塞銷、活塞環(huán)、皮帶輪、飛輪等組成。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，活塞承受燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣體爆發(fā)力，通過連桿將氣體爆發(fā)力傳遞給曲軸和飛輪對外輸出做功，在這個(gè)過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

1.1 連桿的作用

連桿的作用是連接活塞和曲軸，將活塞承受的氣缸內(nèi)混合氣燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)壓力傳遞給曲軸的曲柄銷，推動曲軸轉(zhuǎn)動。在這個(gè)過程中將活塞的往復(fù)運(yùn)動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而將缸內(nèi)氣體熱能轉(zhuǎn)化成動能，再通過整車的變速器、傳動軸等部件傳遞到車輪，推動汽車行駛。連桿在工作時(shí)做平面運(yùn)動，承受著大小和方向均按周期性變化的氣體作用力和慣性力，做往復(fù)和擺動的復(fù)合運(yùn)動。

1.2 連桿的結(jié)構(gòu)

連桿的結(jié)構(gòu)（如圖1 所示）由連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭組成。連桿小頭與活塞銷相連。連桿大頭與曲軸的曲柄銷相連，內(nèi)有上下兩片連桿軸承。連桿大頭從中間一分為二，連桿蓋與連桿桿身之間用連桿螺栓緊固。連桿軸承屬于滑動軸承，連桿軸承與曲柄銷之間有微小的間隙，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)在潤滑油壓力作用下，連桿軸承與曲柄銷之間產(chǎn)生一層油膜，對摩擦副之間起到潤滑作用，如果摩擦副失效就會產(chǎn)生軸承燒蝕的嚴(yán)重后果。

2 汽車發(fā)動機(jī)連桿螺栓的裝配工藝

內(nèi)燃機(jī)中主要關(guān)鍵部件的連接需要通過螺紋連接方式實(shí)現(xiàn)。因此，螺栓擰緊過程的工藝參數(shù)控制和質(zhì)量保證至關(guān)重要。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)判斷，為了使螺紋連接達(dá)到合理的效果，其關(guān)鍵在于向連接螺栓施加一個(gè)合理的預(yù)緊力。

發(fā)動機(jī)連桿大頭與曲柄銷軸徑的連接是靠連桿螺栓實(shí)現(xiàn)的，如前文所述，連桿在工作過程中承受著大小和方向周期性變換的慣性力和氣體作用力，所以連桿螺栓所承受的載荷是復(fù)雜的交變載荷。為了保證連桿蓋與桿身之間的接合面在復(fù)雜的工況下不分離，連桿螺栓要有足夠的軸向力壓緊連桿蓋和桿身。連桿螺栓的軸向壓力來自連桿螺栓的預(yù)緊力，因此，連桿螺栓在裝配時(shí)應(yīng)有足夠的預(yù)緊力，且要預(yù)留一定的安全系數(shù)。為了達(dá)到相應(yīng)的預(yù)緊力，在裝配時(shí)需要對連桿螺栓施加一定的扭力。最常采取的技術(shù)手段有兩種：第一種是扭矩法控制，即一次性擰緊到預(yù)先設(shè)置的扭矩值；第二種是扭矩轉(zhuǎn)角法控制，擰緊到預(yù)定的一個(gè)扭矩值之后，再施加一定的轉(zhuǎn)角。

由于扭矩法受摩擦系數(shù)影響較大，而轉(zhuǎn)角法受摩擦系數(shù)影響較小，因此，轉(zhuǎn)角法對螺栓預(yù)緊力控制精度更好。另外扭矩法一般用在螺栓的彈性區(qū)域，扭矩轉(zhuǎn)角法用在螺栓的塑性區(qū)域。內(nèi)燃機(jī)中有很多高強(qiáng)度螺栓應(yīng)用在關(guān)鍵的區(qū)域，如缸蓋螺栓、主軸承蓋螺栓、連桿螺栓、飛輪螺栓、曲軸皮帶輪螺栓等，高強(qiáng)螺栓大部分使用其塑性區(qū)域，因此連桿螺栓應(yīng)使用扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊。

3 連桿軸承燒蝕案例分析

3.1 問題再現(xiàn)

隨機(jī)抽取兩臺相同機(jī)型在試驗(yàn)臺進(jìn)行故障再現(xiàn)。當(dāng)磨合即將結(jié)束，轉(zhuǎn)速升至大于4000 轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)區(qū)時(shí)，突然出現(xiàn)潤滑油壓力下降、異響等現(xiàn)象。停機(jī)下臺架分解發(fā)動機(jī)，發(fā)現(xiàn)第3連桿軸承燒蝕，相應(yīng)曲柄銷有劃痕，其他零部件均完好。失效狀態(tài)與整車試驗(yàn)故障吻合，故障得以再現(xiàn)。

3.2 問題分析

1）連桿軸承強(qiáng)度校核

連桿軸承采用的材質(zhì)是AlSn12Si2.5Pb1.7，承載極限為27 N/mm2，需要計(jì)算實(shí)際工作過程的承載力是否超出許用范圍。取做功行程爆發(fā)時(shí)刻為計(jì)算工況，連桿軸承的最大比壓計(jì)算結(jié)果為：

由此可以得出連桿軸承材質(zhì)可以滿足此發(fā)動機(jī)連桿軸承的最大比壓，排除了軸承承載能力不足的可能性。

2）零件尺寸是否合格—連桿大頭孔尺寸檢測

已經(jīng)排除了連桿軸承本身的因素，接下來對連桿大頭孔進(jìn)行檢測。大頭孔的檢測分析，按如圖2 所示3 個(gè)方向，對80只連桿進(jìn)行拆前、分解并再次擰緊后對大頭孔直徑測量，其中有8只連桿軸承孔尺寸嚴(yán)重超差，圖紙要求?56++00..000126。

可以看出連桿大頭孔直徑在拆前、再次擰緊后變化很大，而且呈橢圓狀。通過與連桿廠溝通超差問題的過程中了解到，連桿廠在加工連桿大頭過程中沒有按圖紙要求的力矩45 N·m+90°轉(zhuǎn)角擰緊連桿螺栓，而是45 N·m后再擰到80 N·m。將8 只連桿用45 N·m+90°轉(zhuǎn)角擰緊時(shí)力矩扳手顯示值在100～115 N·m范圍。

通過如下幾組試驗(yàn)，驗(yàn)證連桿螺栓擰緊方法對軸承孔的影響。按80 N·m加工的連桿大頭測量其直徑，再將其拆開按80 N·m力矩裝復(fù)，連桿徑前后變化不大，基本都在同一個(gè)組里；按80 N·m加工的連桿大頭測量其直徑，再將其拆開按45 N·m再轉(zhuǎn)90°力矩裝復(fù)，后者連桿徑明顯減小，呈橢圓狀；按45 N·m轉(zhuǎn)90°加工的連桿大頭測量其直徑，再將其拆開按45 N·m轉(zhuǎn)90°力矩裝復(fù)，連桿徑前后變化不大，也基本都在同一個(gè)組里。

3）連桿大頭孔變形量計(jì)算

針對80 N·m和80～115 N·m的力矩對連桿體的變形量計(jì)算如下：

當(dāng)擰緊力矩為80 N·m時(shí)，連桿體變形量Δ 體=0.567 mm；當(dāng)擰緊力矩為115 N·m時(shí)，連桿體變形量Δ 體=0.815 mm。

從上面計(jì)算可以得出，用45 N·m+90°和45 N·m再擰到80 N·m，連桿體的最大變形量相差0.248 mm。

4）連桿軸承燒蝕調(diào)查結(jié)論

經(jīng)過上述分析，連桿軸承燒蝕原因已經(jīng)查明：連桿廠生產(chǎn)時(shí)未按照45 N·m+90°轉(zhuǎn)角的要求擰緊，發(fā)動機(jī)廠在組裝發(fā)動機(jī)時(shí)按照45 N·m+90°轉(zhuǎn)角方法擰緊，由于前后兩次連桿螺栓擰緊方法不一致造成連桿大頭孔呈橢圓狀，使軸承與連桿大頭貼合不好，導(dǎo)致軸承散熱不好，潤滑油膜厚度減小，甚至不能形成潤滑油膜，最終造成連桿軸承燒蝕。

4 連桿軸承燒蝕其他原因列舉

4.1 潤滑油壓力不足或缺油

曲柄銷與連桿軸承之間的配合摩擦副是在潤滑油動態(tài)壓力條件下工作的，潤滑油的壓力來自內(nèi)燃機(jī)的潤滑油泵。曲柄銷軸頸與連桿軸承表面被潤滑油層分隔開，而曲柄銷是依靠油膜托附在軸承表面的。在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤滑油的工作壓力可以達(dá)到500 kPa 左右，曲柄銷軸徑處于潤滑系統(tǒng)末端，潤滑條件更惡劣。由于一些原因會造成主油道壓力下降或潤滑油孔堵塞導(dǎo)致摩擦副缺油的情況，如果在此種條件下啟動發(fā)動機(jī)或加載都是十分危險(xiǎn)的。因此潤滑油壓力不足或缺油是造成連桿軸承燒蝕故障的主要原因之一。

上述因潤滑油壓力不足引起的燒瓦，其損壞的特征是呈現(xiàn)軸承合金大面積撕裂，瓦背表面呈現(xiàn)藍(lán)褐色。這是由于合金表面與曲柄銷軸徑直接接觸，溫度急劇上升導(dǎo)致軸承上存在的潤滑油燃燒產(chǎn)生高溫。為避免這類故障的發(fā)生，必須保證潤滑油系統(tǒng)的相關(guān)零部件的清潔度，尤其是缸體、曲軸油道孔的清潔度，同時(shí)需要定期更換濾清器，防止濾清器堵塞失效，且保證油泵的正常工作。為了防止內(nèi)燃機(jī)缺油，平時(shí)更需要定期檢查油底殼內(nèi)的潤滑油刻度。

4.2 配合間隙過大或過小

連桿軸承屬于滑動軸承，而滑動軸承對于軸承間隙的大小非常敏感。理論上大的軸承間隙或大的油膜厚度可以減少軸承材料的磨損，而低的油膜壓力對軸承表面的沖擊更小，可以適當(dāng)延長軸承材料的疲勞壽命。因此，軸承間隙和潤滑油壓力的大小是設(shè)計(jì)連桿軸承時(shí)的主要指標(biāo)。而上述這些參數(shù)取決于曲軸、連桿和軸承的寬度、直徑等基本尺寸的比例。潤滑油壓力也與內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及潤滑油黏度等密切相關(guān)。使用計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)軸承配合間隙對潤滑油流量及潤滑油溫度的影響最大。一般情況下，內(nèi)燃機(jī)的潤滑油溫度最高不能超過140 ℃，如果油溫過高，則采用增大配合間隙的辦法提高供油壓力，但并不是說間隙越大越好，間隙過大反而又會給油膜厚度和油膜壓力帶來不利影響，進(jìn)而影響潤滑效果。

由于潤滑油溫度升高時(shí)黏度下降很快，同時(shí)軸承減磨性能惡化，所以為了控制潤滑油的溫度，必須保證適當(dāng)?shù)拈g隙。另外連桿的大頭寬度超寬，使曲軸與連桿的側(cè)隙變小，更加劇了對潤滑油流動的阻塞，使軸承溫度升高，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象。

4.3 連桿剛度

連桿剛性差即抗變形能力差，會引起連桿大頭孔變成橢圓，使軸承蓋上的局部半徑小于曲軸軸頸的半徑，此時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)最小的油膜，具有兩個(gè)高的油膜壓力區(qū)。軸承的圓弧十分緊密地貼近曲軸軸頸，其結(jié)果是減小了油膜間隙，導(dǎo)致潤滑油流量降低，使?jié)櫥蜏囟壬仙?，從而減小了潤滑油的黏度，反過來又導(dǎo)致最小油膜厚度減小，當(dāng)配合間隙小到某一極限時(shí)便會發(fā)生軸承燒蝕現(xiàn)象。

4.4 潤滑油的變質(zhì)和污染

在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行過程中，潤滑油的溫度隨著時(shí)間和轉(zhuǎn)速的提高而升高。在軸承配合副中，潤滑油溫度可達(dá)140 ℃，因此，在使用中必須定期更換潤滑油以防使用時(shí)間過長，雜質(zhì)含量增多，造成軸承表面拉傷。另外，當(dāng)今市場上的缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動機(jī)，在冬季易產(chǎn)生潤滑油稀釋問題，大量未燃燒汽油進(jìn)入油底殼中造成潤滑油黏度下降，使?jié)櫥А?/p>

5 總結(jié)

本文主要以現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中發(fā)生的汽油發(fā)動機(jī)質(zhì)量問題進(jìn)行原因分析，并引申出此類失效問題可能產(chǎn)生的原因。在生產(chǎn)制造、售后維修過程中，要嚴(yán)格按照工藝規(guī)程生產(chǎn)、安裝，否則會造成較大的質(zhì)量問題，對生產(chǎn)企業(yè)和維修企業(yè)的運(yùn)營產(chǎn)生不利影響。