發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦損傷的控制及監(jiān)測(cè)

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發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦損傷的控制及監(jiān)測(cè)

盛仁斌，張朝輝，沈磊，陳瀟文，陳健，李逢春，湯洌波,蘇鉛

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

摘要EA888發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦在整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)失效，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的長(zhǎng)期跟蹤與分析，制定出改進(jìn)措施，首先控制與優(yōu)化零件尺寸，但效果不明顯。在未找到根本原因的情況下，減少了用戶的抱怨，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷試過(guò)程中，采用冷試活塞上止點(diǎn)位置時(shí)域監(jiān)控法，將存在連桿軸瓦潛在失效風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)隔離，提升生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)物質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：連桿軸瓦清潔度冷試

來(lái)稿日期：2014-02-11

1　引言

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約的日益重視，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放和燃油耗越來(lái)越受各大汽車廠商的關(guān)注。為了降低汽車的尾氣排放，以滿足嚴(yán)格的法律法規(guī)要求，為了降低汽車的燃油耗，發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著輕量化、緊湊型和大扭矩的方向發(fā)展，這直接導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿軸頸所承受的單位載荷較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的提高了數(shù)倍。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦副內(nèi)有細(xì)小的異物、潤(rùn)滑不好或者尺寸配合有偏差都會(huì)導(dǎo)致軸瓦損傷或燒瓦的現(xiàn)象發(fā)生，最終引起發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件損傷，甚至車輛拋錨的嚴(yán)重后果。

上海大眾于2009年引進(jìn)、投產(chǎn)的EA888發(fā)動(dòng)機(jī)就是這樣一臺(tái)高功率、大扭矩、緊湊型、輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)。在引進(jìn)EA888發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，上海大眾同時(shí)從德國(guó)奧迪發(fā)動(dòng)機(jī)廠引進(jìn)了先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)，即在發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火的狀態(tài)下，通過(guò)電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，由專業(yè)傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)性能信息，并最終由專用軟件對(duì)傳感器反饋信息處理和自動(dòng)評(píng)判的過(guò)程。經(jīng)過(guò)實(shí)踐該冷試技術(shù)不僅高效無(wú)污染，同時(shí)較傳統(tǒng)熱試更精密、更可靠。

EA888發(fā)動(dòng)機(jī)的高效、緊湊、動(dòng)力強(qiáng)勁給大家留下了深刻的印象，但是在汽車廠整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，因連桿軸瓦失效（磨損、燒灼）成了EA888發(fā)動(dòng)機(jī)用戶的主要抱怨，解決或者減少用戶的抱怨迫在眉睫。

2　原因分析及措施制定落實(shí)

針對(duì)這一嚴(yán)重的用戶抱怨，發(fā)動(dòng)機(jī)廠及發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)保部門經(jīng)過(guò)與德國(guó)奧迪發(fā)動(dòng)機(jī)廠的長(zhǎng)期溝通和交流、并經(jīng)分析及模擬實(shí)驗(yàn)初步認(rèn)為造成發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦在轉(zhuǎn)轂過(guò)程中失效的原因有以下幾種可能性：

1）曲軸與軸瓦的質(zhì)量不好，軸頸與軸瓦表面的粗糙度差，尤其是返修更換過(guò)軸瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)，返修中的工作不夠精細(xì)，軸瓦安裝后，軸頸與軸瓦的配合不好，接觸面過(guò)小難以形成油膜，加上軸瓦背面存在間隙，使軸瓦合金層與鋼背分離，造成合金層與剛背錯(cuò)位，堵住軸瓦油孔，導(dǎo)致供油中斷，形成干摩擦，從而導(dǎo)致軸瓦失效；

2）軸瓦安裝不正確，間隙調(diào)整不當(dāng)，軸瓦與軸頸的接觸面積過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)使軸與軸瓦的接觸面上難以形成油膜，有時(shí)軸瓦的緊固螺栓擰緊扭力過(guò)小，時(shí)間長(zhǎng)了導(dǎo)致軸瓦松動(dòng)，也會(huì)造成曲軸與軸瓦，軸瓦與軸瓦座之間的間隙變化，影響潤(rùn)滑；

3）機(jī)油泵的內(nèi)部齒輪嚴(yán)重摩損失效，供油壓力減小，機(jī)油難以供應(yīng)到指定潤(rùn)滑位置，造成軸瓦干摩擦；

4）機(jī)油油道被不潔雜質(zhì)堵塞，使通往曲軸的機(jī)油受到阻隔，形成軸瓦干摩擦；

5）機(jī)油管路發(fā)生泄漏，機(jī)油循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)壓力下降，機(jī)油難以供應(yīng)到指定潤(rùn)滑位置，形成軸瓦干摩擦；

6）冷車起動(dòng)時(shí)，猛踩油門，機(jī)油在低溫較粘稠狀態(tài)時(shí)尚未泵送到軸瓦，而軸瓦表面己形成瞬時(shí)高溫，造成金屬相燒熔；

7）發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低速高扭矩工況，因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)機(jī)油泵轉(zhuǎn)速也低，供油量不足，但軸與軸瓦之間卻形成高溫，造成抱死。

上述問(wèn)題是造成“燒瓦抱軸”的主要原因，只有以下特殊情況可能是因機(jī)油因素造成嚴(yán)重軸瓦故障：

1）由于冷卻水滲入機(jī)油中，造成機(jī)油乳化、變質(zhì)，粘度完全喪失，在軸與軸瓦表面不能形成油膜，造成較嚴(yán)重的干摩擦；

2）冬季發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低，燃油霧化不好，燃燒不完全，使燃油順氣缸缸壁流入油底殼，稀釋了潤(rùn)滑油，也會(huì)造成“燒瓦抱軸”；

3）嚴(yán)寒季節(jié)使用粘度過(guò)大、傾點(diǎn)過(guò)高的機(jī)油，或不加選擇地將一些含有增大黏性作用的添加劑大量混入機(jī)油中，都可能造成機(jī)油在油道中流速過(guò)慢，不能按時(shí)輸送至軸瓦，致使軸與軸瓦之間產(chǎn)生干摩擦。

3　優(yōu)化改進(jìn)措施

針對(duì)上述分析結(jié)論，發(fā)動(dòng)機(jī)廠各生產(chǎn)部門和相關(guān)零件供應(yīng)商制定并執(zhí)行了以下優(yōu)化改進(jìn)措施：曲軸軸頸巴里線優(yōu)化、曲軸磨削砂輪材質(zhì)的改進(jìn)、連桿倒角改進(jìn)、缸體清洗設(shè)備高壓噴嘴優(yōu)化、針對(duì)連桿軸瓦的改進(jìn)和裝配環(huán)節(jié)的清潔度控制。

3.1曲軸軸頸巴里線優(yōu)化

圖1是EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。根據(jù)曲軸圖紙要求，曲軸主軸頸、連桿軸頸表面均有凸度要求：主軸頸為1滋m~8滋m、連桿軸頸1滋m~3滋m，如圖2和圖3所示。為了更好地控制實(shí)物質(zhì)量，通過(guò)定期修模砂輪，加工曲軸主軸頸和連桿軸頸，確保曲軸軸頸尺寸符合設(shè)計(jì)要求。將曲軸連桿軸頸修磨砂輪高度由5滋m降到1滋m，曲軸主軸頸修磨砂輪高度由7滋m降到5滋m。

圖1　EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸

3.2曲軸磨削砂輪材質(zhì)的改進(jìn)

圖2　主軸頸巴里線

圖3　連桿軸頸巴里線

EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工線上，一直使用剛玉砂輪對(duì)曲軸軸頸進(jìn)行加工。經(jīng)過(guò)清潔度實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期跟蹤，剛玉砂輪中含有Al2O3。這種材質(zhì)產(chǎn)生的顆粒細(xì)小但是非常堅(jiān)硬，一旦殘留在曲軸軸頸表面，軸瓦磨損就不可避免，因此將磨削曲軸軸頸的砂輪材質(zhì)由剛玉改為CBN。經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，新砂輪的材質(zhì)可有效防止加工殘留物對(duì)軸瓦的損傷。

3.3連桿倒角改進(jìn)

EA888發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔倒角的工藝要求：(2.21±0.2)mm、(30±1)毅，中間還有3道加工工序，加上夾緊定位的誤差，會(huì)造成大孔倒角不均勻、尺寸超差。

針對(duì)該缺陷，通過(guò)對(duì)各加工工序、測(cè)量分析后，決定該倒角尺寸按(2±0.2) mm來(lái)加工。

3.4缸體清洗設(shè)備高壓噴嘴優(yōu)化

通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，EA888發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工線使用的清洗設(shè)備，其高壓清洗噴嘴材質(zhì)為淬火鋼，清洗壓力為26~30 MPa。經(jīng)過(guò)反復(fù)高壓作用，淬火鋼容易破損，造成高壓損失，無(wú)法達(dá)到清洗效果，最終影響缸體油道清潔度。為此通過(guò)與清洗設(shè)備供應(yīng)商的合作分析，將淬火鋼改為硬質(zhì)合金鋼，有效解決因高壓噴嘴失效引起的缸體油道清潔度風(fēng)險(xiǎn)。

3.5針對(duì)連桿軸瓦的改進(jìn)

針對(duì)連桿軸瓦，要求零件供應(yīng)商完成以下優(yōu)化改進(jìn)措施：

1）自由彈張量公差控制，圖紙要求52.1 mm～52.6 mm，新?tīng)顟B(tài)控制在52.3 mm～52.6 mm；

2）半徑高公差控制，圖紙要求0.06 mm～0.09 mm，新?tīng)顟B(tài)控制在0.075 mm～0.09 mm；

3）軸瓦包裝改為符合TQS規(guī)范的新包裝，消除了運(yùn)輸過(guò)程中因擠壓產(chǎn)生的軸瓦質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3.6裝配環(huán)節(jié)的清潔度控制

通過(guò)與德國(guó)奧迪發(fā)動(dòng)機(jī)廠的溝通得知，EA888發(fā)動(dòng)機(jī)連桿漲斷面產(chǎn)生的碎鐵屑，可能同樣是污染EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿軸頸的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源；尤其是安裝活塞銷卡簧時(shí)，經(jīng)過(guò)卡簧安裝設(shè)備的振動(dòng)，連桿漲斷面極易產(chǎn)生細(xì)小的碎屑。當(dāng)安裝活塞連桿總成時(shí)，連桿桿身的漲斷面正好對(duì)準(zhǔn)了曲軸連桿軸頸，風(fēng)險(xiǎn)極大。為此，在裝配線上，在活塞連桿總成安裝前，設(shè)置磁石裝置，用于吸附連桿漲斷面因振動(dòng)產(chǎn)生的碎鐵屑，進(jìn)一步加強(qiáng)整個(gè)清潔度的控制。

4　冷試監(jiān)控的產(chǎn)生

經(jīng)過(guò)對(duì)上述零件的優(yōu)化和相關(guān)零件的跟蹤測(cè)量發(fā)現(xiàn)，雖然零件的加工尺寸和表面的清潔度已經(jīng)得到了有效控制，但發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦失效的問(wèn)題在整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)過(guò)程中并未有明顯改善。因此下一步將整個(gè)工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部油道的清潔度控制與發(fā)動(dòng)機(jī)裝配環(huán)節(jié)的監(jiān)控上。通過(guò)對(duì)零件的機(jī)加工過(guò)程和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的調(diào)查情況來(lái)看，零件機(jī)加工過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生異物、碎屑等殘留物。若異物經(jīng)過(guò)累積后，極易污染發(fā)動(dòng)機(jī)主油道，隨后破壞軸瓦。即：異物進(jìn)入摩擦副→破壞油膜，油膜失效→軸瓦產(chǎn)生高溫，最終導(dǎo)致燒瓦。

假設(shè)異物存在于發(fā)動(dòng)機(jī)主油道內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷試時(shí)軸瓦應(yīng)該已經(jīng)被污染了？能否在裝配線上的發(fā)動(dòng)機(jī)冷試過(guò)程中，提早發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題？

對(duì)此提出以下假設(shè)：發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下，連桿活塞活塞銷與連桿（A摩擦副）、曲軸連桿軸頸與連桿軸瓦（B摩擦副）以及曲軸主軸頸與主軸瓦（C摩擦副）3個(gè)摩擦副，在正常情況下摩擦力均為零。若發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)摩擦副均無(wú)異常磨損，活塞到上止點(diǎn)時(shí)（工況1），發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出與輸入扭矩均為零，即冷試扭矩曲線過(guò)零點(diǎn)位置；若連桿軸瓦發(fā)生初期磨損，B點(diǎn)會(huì)增加額外的摩擦扭矩，這個(gè)阻力矩需要該缸壓縮空氣P做功克服，該缸的輸入和輸出扭矩為零的位置應(yīng)該會(huì)相對(duì)滯后0.1毅～1毅曲軸轉(zhuǎn)角（工況2），滯后多少因軸瓦磨損程度不同而異。圖4是EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄機(jī)構(gòu)各摩擦副示意圖。

圖4　EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄機(jī)構(gòu)各摩擦副

因曲軸連桿軸頸與軸瓦是曲軸油道內(nèi)最后一環(huán)，油道內(nèi)的異物在壓力作用下都集聚到此處，故冷試中出現(xiàn)軸瓦問(wèn)題的發(fā)動(dòng)機(jī)都是發(fā)生在連桿瓦。

將上萬(wàn)臺(tái)正常發(fā)動(dòng)機(jī)與冷試生產(chǎn)環(huán)節(jié)中燒瓦發(fā)動(dòng)機(jī)的冷試扭矩曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)扭矩零位位置有0.1℃A~1℃A的曲軸轉(zhuǎn)角差異。同時(shí)通過(guò)在曲軸油道內(nèi)人為地設(shè)置大量垃圾，模擬對(duì)軸瓦的損傷，并觀察冷試曲線。通過(guò)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，在冷試中設(shè)置了窗口，對(duì)扭矩零位，即對(duì)活塞上止點(diǎn)位置進(jìn)行監(jiān)控，見(jiàn)圖5。實(shí)際生產(chǎn)中，這個(gè)監(jiān)控窗口能很好地將大部分連桿軸瓦損傷的缺陷在冷試過(guò)程中識(shí)別出來(lái)，從而進(jìn)行隔離。有效減少了在整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)環(huán)節(jié)因連桿軸瓦受損而產(chǎn)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的重大抱怨。

圖5　冷試監(jiān)控曲線

5　冷試活塞上止點(diǎn)位置時(shí)域監(jiān)控的原理

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試時(shí)，當(dāng)每一缸活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，監(jiān)控該缸的扭矩為零位置，即活塞上止點(diǎn)位置的曲軸轉(zhuǎn)角是否在該缸的零點(diǎn)位置下界和零點(diǎn)位置上界之間的范圍內(nèi)。若是，則判斷為該缸的連桿軸瓦不存在磨損；若否，則進(jìn)一步監(jiān)控該缸的連桿軸瓦的輸入與輸出扭矩為零位置的曲軸轉(zhuǎn)角是否比該缸的零點(diǎn)位置上界滯后，若是，則判斷為該缸的連桿軸瓦存在磨損，該發(fā)動(dòng)機(jī)有風(fēng)險(xiǎn)。

本技術(shù)原理提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上止點(diǎn)位置時(shí)域分析方法及系統(tǒng)。所述方法包括（以1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)為例）：第1缸、第3缸、第4缸和第2缸的零點(diǎn)位置上界和零點(diǎn)位置下界分別是14.5毅~20.2毅、194.5毅~200.2毅、374.5毅~380.2毅和554.5毅~560.2?曲軸轉(zhuǎn)角。當(dāng)每一缸的活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，監(jiān)控與該缸的連桿軸瓦的輸入與輸出扭矩為零位置的曲軸轉(zhuǎn)角是否在該缸的零點(diǎn)位置上界和零點(diǎn)位置下界之間的范圍內(nèi)；若否，則進(jìn)一步監(jiān)控該缸的連桿軸瓦的輸入與輸出扭矩為零位置的曲軸轉(zhuǎn)角是否比該缸的零點(diǎn)位置上界滯后0.1毅~1毅，若是，則判斷為該缸的連桿軸瓦存在磨損。

6　冷試活塞上止點(diǎn)位置時(shí)域監(jiān)控的意義

6.1節(jié)約返工成本

經(jīng)過(guò)1年多的實(shí)踐證明，冷試活塞上止點(diǎn)位置時(shí)域監(jiān)控能夠精確地判斷出存在著連桿軸瓦磨損或燒瓦風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)生連桿軸瓦問(wèn)題的具體氣缸位置，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在整車裝車后再發(fā)生磨損或燒瓦，極大程度地減少了用戶的抱怨及對(duì)用戶造成的損失，同時(shí)也降低了發(fā)動(dòng)機(jī)廠因整車退回發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的零件工廢損失。若發(fā)動(dòng)機(jī)在整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)環(huán)節(jié)因軸瓦失效需返工，產(chǎn)生的工廢約8627元/臺(tái)；而通過(guò)冷試活塞上止點(diǎn)位置監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的軸瓦失效發(fā)動(dòng)機(jī)，因返工而產(chǎn)生的工廢約92.80/臺(tái)。該技術(shù)成果應(yīng)用至今，已為發(fā)動(dòng)機(jī)廠節(jié)約因返工產(chǎn)生的工廢達(dá)110余萬(wàn)元。

6.2為后續(xù)分析提供線索

此外，從汽車廠退回的軸瓦失效發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)零件損毀相當(dāng)嚴(yán)重（如圖6所示）已無(wú)分析價(jià)值，而冷試中發(fā)現(xiàn)的失效軸瓦都為初期磨損（如圖7所示），給異物的來(lái)源查找提供了指導(dǎo)性的方向。

圖6　轉(zhuǎn)轂后失效的軸瓦

圖7　冷試發(fā)現(xiàn)的失效軸瓦

在實(shí)驗(yàn)室的幫助下，通過(guò)對(duì)冷試發(fā)現(xiàn)的失效軸瓦表面的異物分析，發(fā)現(xiàn)造成軸瓦失效的異物主要成分為鐵（Fe），如圖8和圖9所示。這給分析造成EA888發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦失效提供了非常有價(jià)值的線索，后續(xù)將繼續(xù)對(duì)異物的其他成分進(jìn)行對(duì)比分析，爭(zhēng)取早日查找出問(wèn)題的根源，從源頭解決這一重大難題。

圖8　轉(zhuǎn)轂后失效的軸瓦

圖9　冷試發(fā)現(xiàn)的失效軸瓦

7　結(jié)論

通過(guò)多方的努力，尤其是增加了冷試的監(jiān)控后連桿軸瓦失效在整車的抱怨已有很大的改善，但是我們也必須認(rèn)識(shí)到在冷試環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)的連桿軸瓦損傷現(xiàn)象還未得到有效控制，希望通過(guò)各專業(yè)部門的繼續(xù)合作，能將該問(wèn)題從源頭徹底解決。

要求，并且氣門座圈底孔粗糙度達(dá)到了Ra＜0.3滋m，氣門導(dǎo)管底孔粗糙度達(dá)到了Ra＜0.6滋m，滿足了圖紙要求的座圈、導(dǎo)管底孔粗糙度Ra＜0.8滋m。

Controlling and Monitoring of Con-rod Bearing

Sheng Renbin, Zhang Chaohui, Shen Lei, Chen Xiaowen, Chen Jian,

Li Fengchun, Tang Liebo,Su Qian

（Shanghai Volkswagen Co., Ltd., Shanghai 201805, China）

Abstract:Failure of con-rod bearing of the EA888 engine occurred during its vehicle roller test. After a long-time trace and analysis, improvement was made in controlling and optimizing of part dimensions. The improvement did not help much in solving the problem. In order to reduce the complains of the users, a way to controlling and monitoring of con-rod bearing is employed during cold test to separate the engine with high risk of con-rod bearing failure, which improves engine quality.

Key words:con-rod, bearing, cleanness, cold test

作者簡(jiǎn)介：盛仁斌（1985-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量分析。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.011