材料與加工工藝對連桿襯套可靠性的影響

（天潤曲軸股份有限公司研究所，文登264400）

材料與加工工藝對連桿襯套可靠性的影響

孫軍，倪培相，于曉東

（天潤曲軸股份有限公司研究所，文登264400）

采用成分檢測、組織觀察、尺寸測量、受力分析及疲勞試驗手段，對連桿襯套的材質(zhì)、加工尺寸、裝配工藝、襯套實際受力等進行了綜合研究分析，確定襯套可靠性的影響因素。研究結果表明，CuSn8Ni無鉛化青銅合金襯套的成分、組織和硬度能夠滿足發(fā)動機連桿襯套的實際使用要求。襯套內(nèi)側倒角大于外側倒角，能使襯套外沿受力時不會出現(xiàn)底部懸空，保證在實際運行過程中襯套不會開裂，提高了襯套的可靠性。

連桿襯套裂紋倒角受力分析疲勞試驗

1 前言

連桿是汽車發(fā)動機動力傳輸?shù)暮诵牟考唬诠ぷ鬟^程中，它承受周期性變化的燃燒氣體壓力和往復慣性力作用，機械負荷嚴重，工作條件惡劣，因此對其強度的要求十分苛刻。連桿在發(fā)動機的高溫、高速環(huán)境下，自身的抗拉壓性能有著非常嚴格的要求[1]。連桿的可靠性一直是人們在發(fā)動機研究和改進過程中關注的熱點問題。連桿小頭孔與襯套配合屬于厚壁圓筒與薄壁圓筒的過盈配合[2]。

某發(fā)動機廠家對連桿進行臺架試驗后，發(fā)現(xiàn)多支連桿小頭襯套內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋，導致連桿提前失效。本文主要從襯套的材料、尺寸、裝配工藝和連桿加工尺寸等方面進行理論和試驗分析，對連桿襯套可靠性進行了研究，從而確定尺寸、加工、裝配等各方面對襯套可靠性的影響，為連桿的生產(chǎn)制造提供一定的理論依據(jù)和指導作用。

2 試樣制備

首先把襯套制成化學成分試樣、金相組織和硬度試驗試樣，對襯套材料進行成分、組織和硬度檢測，確定襯套材料的可靠性。

按正常加工工藝加工一批連桿試樣，檢測連桿小頭各項尺寸，從中抽取10支合格樣品。分別加工內(nèi)倒角大于外倒角、內(nèi)倒角小于外倒角的襯套各5件。加工過程中要保證該10件襯套的承載區(qū)寬度小于連桿小頭孔的承載區(qū)寬度。

3 試驗設備

利用LAVMB18A型直讀光譜儀、HB－3000型布氏硬度計、連桿綜合測量儀、HOMMEL-T8000表面粗糙度輪廓儀、連桿襯套裝配等設備分別對襯套材料、連桿和襯套尺寸、襯套受力情況及貼合等進行檢測試驗。

4 試驗及分析

4.1 襯套材料對可靠性的影響

連桿襯套材料的選用首先要考慮內(nèi)燃機連桿小頭軸承的工作條件和工作狀況。根據(jù)內(nèi)燃機連桿小頭軸承的工作狀況，所設計和制造的連桿襯套應達到下列主要要求：承載能力高，耐磨性好，冷態(tài)與工作狀態(tài)下軸承尺寸變化小，質(zhì)量輕，摩擦系數(shù)小，裝配狀態(tài)可靠性好等[3]。根據(jù)上述要求，襯套生產(chǎn)廠家選用了高強度無鉛化青銅合金CuSn8Ni材料作為合金鍍層，該材料是近幾年國外開發(fā)的高耐磨、抗疲勞、抗腐蝕、無鉛合金材料，用于增壓強化連桿襯套[4]。

4.1.1 化學成分檢測

對連桿小頭襯套的材質(zhì)進行了化學檢測，檢測結果見表1。從表1襯套的化學成分檢測結果看，該型號襯套的化學成分符合CuSn8Ni合金材料的技術要求。

表1 襯套化學成分檢測結果單位：質(zhì)量百分比

4.1.2 金相組織分析

圖1是襯套鋼背與合金層交接處的金相組織圖，圖2是襯套合金層的金相組織圖。從圖中可以看出，鋼背與合金鍍層連接良好，兩者間沒有開裂或起層現(xiàn)象。合金鍍層組織經(jīng)硝酸高鐵和乙醇混合溶液腐蝕后出現(xiàn)黑色的均勻彌散的δ相，屬于正常的CuSn8Ni青銅合金組織。

圖1 .襯套鋼背與合金層(500×)

4.1.3 硬度檢測

對連桿小頭襯套進行硬度檢測，檢測結果見表2。從表2襯套的硬度檢測結果看，該型號襯套的硬度符合技術要求，強度合格。

通過對襯套的化學成分、金相組織和硬度檢測結果分析，表明襯套采用CuSn8Ni材料對可靠性不會產(chǎn)生不良影響。

圖2 .襯套合金層組織(500×)

表2 襯套硬度檢測結果

4.2 襯套尺寸對可靠性的影響

對上述加工的10件成品襯套，分別進行外觀、粗糙度、襯套寬度、厚度等進行檢測。除內(nèi)倒角兩項外，其它各項檢測均符合設計要求，具體檢測結果見表3。

表3 襯套尺寸檢測結果

4.3 承載區(qū)對可靠性的影響

圖3是連桿小頭和襯套的實際有效承載區(qū)示意圖。分別檢測上述加工的10個襯套和10支連桿的承載區(qū)寬度，并進行對比，檢測數(shù)據(jù)見圖4。檢測發(fā)現(xiàn)襯套承載區(qū)寬度均小于連桿承載區(qū)寬度，襯套的外邊緣完全在連桿小頭內(nèi)壁寬度范圍之內(nèi)。該尺寸保證襯套受力時，不會由于襯套伸出連桿小頭孔外造成外緣懸空而導致襯套開裂[5]。如果襯套承載區(qū)寬度大于連桿小頭承載區(qū)寬度，襯套外邊緣會伸出連桿小頭外，當襯套受力時，襯套外緣沒有支撐，容易導致開裂。

4.4 倒角對襯套可靠性的影響

1#-5#襯套內(nèi)倒角大于外倒角，見圖5； 6#-10#襯套內(nèi)倒角小于外倒角，見圖6。2種襯套的倒角尺寸保證了后續(xù)進行疲勞試驗的可對比性。連桿綜合測量儀檢測襯套的內(nèi)外倒角尺寸，具體檢測結果見表4。

圖3 襯套實際承載區(qū)示意圖

圖4 連桿及襯套承載區(qū)寬度對比圖

圖5 襯套內(nèi)倒角大于外倒角

圖6 襯套內(nèi)倒角小于外倒角

把上述加工的10件襯套分別按照正常裝配工藝裝配到經(jīng)檢測合格的連桿小頭上，連桿編號與襯套編號一一對應。分別選取襯套內(nèi)倒角大于外倒角和內(nèi)倒角小于外倒角的成品連桿各3支，進行疲勞試驗。連桿和試驗機之間通過夾具和軸銷連接，大小頭軸銷均和相匹配的發(fā)動機曲柄銷和活塞銷尺寸一致。試驗過程中連桿大小頭均用潤滑油潤滑。疲勞試驗在1.5倍連桿名義載荷的拉壓力作用下進行，循環(huán)次數(shù)超過1 000萬次連桿未出現(xiàn)異常則認為連桿合格，小于1 000萬次出現(xiàn)裂紋或斷裂則認為連桿失效，試驗結果見表5。

從疲勞試驗結果可以看出，內(nèi)倒角小于外倒角的連桿襯套均失效，拆卸后發(fā)現(xiàn)襯套內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋，而且裂紋均從襯套一側倒角延伸至內(nèi)部終止，見圖7。而內(nèi)倒角大于外倒角的連桿襯套均未失效，拆卸后觀察襯套內(nèi)壁，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖8。

表4 襯套內(nèi)外倒角尺寸檢測結果

表5 連桿疲勞試驗結果

圖7 襯套內(nèi)壁有裂紋

圖8 襯套內(nèi)壁完好

外側倒角大于內(nèi)側倒角，會導致襯套外側外沿出現(xiàn)懸空，此處成為受力薄弱區(qū)，見圖6。在頻繁的爆發(fā)壓力作用下，缺乏支撐的襯套外沿會首先開裂[6]，連桿疲勞試驗失效狀態(tài)很好的證明了這一點。

4.5 襯套裝配對可靠性的影響

襯套與連桿小頭內(nèi)壁的貼合度對襯套的可靠性有一定的影響。當襯套非貼合總面積不大于總襯套外圓面積的15%時，襯套不會由于貼合不良導致失效[7]。

檢測貼合度的方法是將外壁涂抹紅丹粉的襯套按正常裝配方法壓入連桿小頭孔內(nèi)，然后再壓出，貼合處紅丹粉會剝落，用透明膠帶拓印襯套外圓表面痕跡，粘貼在預先制定的網(wǎng)格內(nèi)，即可得出非貼合面積，見圖9。

圖9 貼合度測量示意圖

為了檢測襯套與連桿小頭之間的貼合度，抽取10支合格襯套進行貼合度試驗，試驗后計算得出連桿襯套貼合度均在85%以上。兩者之間85%以上的貼合度保證了發(fā)動機運行過程中連桿襯套不會局部受力過大引起開裂。

5 結論

⑴CuSn8Ni無鉛化青銅合金襯套的化學成分、金相組織和硬度能夠滿足發(fā)動機連桿襯套的實際使用要求。

⑵連桿襯套的受力承載區(qū)寬度要小于連桿小頭孔的受力承載區(qū)寬度，較寬的連桿承載區(qū)保證了襯套受力時不至于伸出連桿小頭之外導致襯套失效。

⑶連桿襯套的外側倒角大于內(nèi)側倒角，使襯套外側外沿出現(xiàn)懸空，襯套外沿形成受力薄弱區(qū)，容易導致襯套在拉壓力作用下發(fā)生開裂。襯套內(nèi)倒角大于外倒角，襯套受力時外沿有足夠支撐，保證襯套在受力過程中外沿不會開裂，提高了襯套的可靠性。

1楊連生．內(nèi)燃機設計[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981：226-228．

2歐貴寶．帶襯套的連桿小頭整體邊界元應力的分析[J]．內(nèi)燃機工程，1989，10（2）：13-18．

3馬偉.銅鉛合金-鋼燒結雙金屬材料在發(fā)動機連桿襯套上的應用[J].內(nèi)燃機，2006，06：44-46．

4李鵬.國外內(nèi)燃機滑動軸承材料無鉛化及其應用[J]．汽車工藝與材料，2009，07：1-3．

5吳江，陳亮，?；⑸?連桿小頭襯套孔位置綜合誤差糾正方法與分析[J]．機械設計與制造，2011,（3）：225-227．

6楊存平．連桿襯套的開裂分析[J].理化檢驗（物理分冊），2008，44（2）：97-99．

7朱正德．連桿小頭孔襯套壓裝質(zhì)量控制的研究[J]．組合機床與自動化加工技術，2012，02（2）：37-44．

Effect of Material and Machining Process on Reliability of Con-rod Bushing

Sun Jun,Ni Peixiang,Yu Xiaodong
（Institute,TianRun Crankshaft Co.,Ltd.,Wendeng 264400,China）

To determine the factors effecting on the reliability of a con-rod bushing,investigation of the material,size,assembling process and stress of the bushing is carried out by a comprehensive analysis from its chemical composition and microstructure,dimension,assembly process,stress to its fatigue test.The results show that the composition,microstructure and hardness of the bushing made of CuSn8Ni lead-free bronze alloy can meet the requirement of an engine con-rod bushing.But when the outside chamfer of a bushing is larger than inside one,crack happens on the outer edge of a bushing due to the issue of hang over. Therefore the inside chamfer must be designed to be larger than outside one to avoid such crack,so as to ensure the reliability of the bushing in actual operation.

con-rod bushing,crack,chamfer;stress analysis,fatigue test

來稿日期：2013-12-19

孫軍（1974-），男，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機零部件設計研發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.011