車用內(nèi)燃機(jī)軸瓦早期失效原因分析

張東成

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

車用內(nèi)燃機(jī)軸瓦正常使用過程中，只有非常小或沒有微粒呈現(xiàn)在軸瓦表面上。在這種情況下軸瓦有一個(gè)相當(dāng)長的壽命循環(huán)周期。下面主要論述軸瓦在早期的失效原因及糾正方法。

1 車用內(nèi)燃機(jī)軸瓦早期失效原因分析

軸瓦的常規(guī)磨損很大部分發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或最初運(yùn)行階段。本文主要闡述腐蝕、疲勞、潤滑油不足、氣蝕、間隙、雜質(zhì)、軸瓦高度缺陷、連桿變形、曲軸變形、缸體變形等原因造成的軸瓦早期失效原因及應(yīng)對(duì)措施。

1.1 失效原因一：腐蝕

腐蝕的典型現(xiàn)象表現(xiàn)為在軸瓦表面形成黑色合成物或小凹槽。腐蝕是潤滑油組成物在軸瓦合金上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成的。這些象水或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)潤滑劑氧化產(chǎn)生的氧化物不屬于潤滑系統(tǒng)，當(dāng)軸瓦在腐蝕環(huán)境中運(yùn)行時(shí)這些有害反應(yīng)會(huì)加劇，導(dǎo)致軸瓦合金表面一種或多種合金元素剝落，或形成脆性氧化物。在第一階段，受腐蝕的金屬由于本身附著性差和強(qiáng)度疲勞脫離母體，在滑行表面上易脆裂的氧化層也由于疲勞或腐蝕剝落，少數(shù)附著性強(qiáng)的顆粒仍停留在這些表面上。潤滑油工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出添加劑來阻止發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)行過程中潤滑油氧化，極大降低了氧化危害， 但是并沒有完全消除它。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量加速了氧化過程。軸瓦裸露在空氣和水里，或與潤滑油中的其它材料，包括能產(chǎn)生接觸反應(yīng)的金屬，也會(huì)產(chǎn)生腐蝕。其它產(chǎn)生腐蝕的原因包括曲軸箱竄氣或高硫磺含量燃料燃燒，以及無機(jī)酸的形成都會(huì)引起腐蝕。

避免發(fā)生腐蝕的方法一般是從潤滑油入手，即根據(jù)規(guī)定更換潤滑油或縮短潤滑油更換期限。如果是曲軸箱竄氣引起的腐蝕，則要排除活塞環(huán)、缸孔和油氣分離器故障。

1.2 失效原因二：疲勞

普通疲勞：由于不正?；蜓h(huán)壓力引起強(qiáng)度疲勞，即達(dá)到了載荷峰值。疲勞斷裂起源于過載，垂直傳播到軸瓦表面上，達(dá)到軸瓦合金和支持材料（鋼背）焊縫以前，斷裂改變了其方向，平行傳播到焊縫。由于軸瓦材料分離，這些斷裂會(huì)相互連接。最常見的疲勞發(fā)生在三層軸瓦合金的最上層，當(dāng)斷裂發(fā)生，經(jīng)過垂直傳播后，它將平行傳播到鍍鎳層，導(dǎo)致一些區(qū)域鍍鎳層減少。

對(duì)于普通疲勞現(xiàn)象，需要檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度和載荷情況，消除可能存在的缺陷。

熱疲勞：當(dāng)軸瓦的運(yùn)行溫度高于熔點(diǎn)或高于錫的熔點(diǎn)，由于軸產(chǎn)生相當(dāng)大的牽引力，防摩擦材料達(dá)到其熱碎裂點(diǎn)。在這種情況下，鉛和錫將會(huì)熔化，與銅分離，表面涂層失去鋼背支撐，因此材料剝落。熱條件下產(chǎn)生的易脆性是由于軸瓦某些區(qū)域過度受熱而形成的。過度受熱還能引起徑向間隙不足，產(chǎn)生雜質(zhì)，曲軸頸部變形，缸體與曲軸中心線不重合等問題。

避免軸瓦發(fā)生熱疲勞需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)間隙安裝軸瓦，更換潤滑油時(shí)要保證潤滑油絕對(duì)清潔。另外在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)要去除所有加工殘?jiān)臀酃?，在安裝新軸瓦之前應(yīng)仔細(xì)觀察所有曲軸頸部尺寸，核實(shí)缸體和曲軸中心重合度。

1.3 失效原因三：軸瓦潤滑油不足

軸瓦和軸承間潤滑油不足或潤滑油膜稀釋，將磨損軸瓦電鍍層，一般由垂直間隙不足、潤滑油稀釋或發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間低速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的。潤滑油的缺乏，將導(dǎo)致軸瓦與曲軸軸頸相互撞擊，抗摩擦材料的剝落使得磨損加劇。當(dāng)軸瓦由于缺乏潤滑油或潤滑油稀釋失效時(shí)，它的運(yùn)行表面變得光亮。如果嚴(yán)重缺乏潤滑油，軸瓦表現(xiàn)為其與軸頸接觸的表面區(qū)域沿軸方向材料被剝落。

軸瓦潤滑不足通常由以下原因造成：部分潤滑油通道阻塞；選擇軸瓦尺寸過?。恢鬏S瓦裝反（如下軸瓦反裝為上軸瓦）、機(jī)油泵功能不好。避免軸瓦潤滑不足需要在選擇新軸瓦時(shí)要檢查曲軸頸部尺寸、檢查油泵的工作狀況，避免使發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間在低速下運(yùn)轉(zhuǎn)、檢查潤滑油含燃油的稀釋情況。

1.4 失效原因四：氣蝕

氣蝕的一種損壞形式是軸瓦抗摩擦合金層上瞬間低壓油蒸氣泡爆炸而形成的。發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)運(yùn)行中加載在軸瓦上的載荷在強(qiáng)度和方向上迅速起伏，導(dǎo)致軸瓦的潤滑油膜壓力迅速改變。這種壓力變化隨次數(shù)的增加越來越高，使得軸瓦和曲軸頸部的變形也變大。另外，曲軸潤滑油孔潤滑油流速過快，凹槽、窄溝、尖角等不連續(xù)的面引起的潤滑油流速改變也會(huì)引起軸瓦氣蝕。

軸瓦氣蝕主要有以下四種情況：吸氣引起的腐蝕；換氣引起的腐蝕；氣穴流動(dòng)引起的腐蝕；氣穴撞擊引起的腐蝕。

避免軸瓦氣蝕的措施：按照設(shè)計(jì)要求粘度使用潤滑油；檢查潤滑油油壓；避免潤滑油被污染；檢查裝配間隙。

1.5 失效原因五：間隙

間隙過大：假如曲軸或曲軸頸部尺寸比推薦值最小值還小，而且軸瓦內(nèi)腔尺寸比推薦的最大值還大，這樣會(huì)導(dǎo)致潤滑油間隙比允許的值大。間隙過大使得曲軸沒有液態(tài)動(dòng)力支撐，曲軸與軸瓦表面接觸，引起軸瓦抗摩擦層融化或表面變形。表現(xiàn)為軸瓦側(cè)面邊界部分抗磨擦層合金變形/移位，引起微粒刮傷軸瓦表面。

軸向間隙不足 (縱向)：由于不正確安裝或曲軸壓在軸瓦邊緣引起電鍍層或金屬板位置不正確，導(dǎo)致間隙不足。從某種程度上說，引起摩擦和潤滑油膜缺乏，溫度上升，直到鉛從銅合金層分離，這些區(qū)域完全損壞。一般表現(xiàn)為軸瓦邊緣和在內(nèi)表面曲軸高載荷端過度磨損，其它部分正常磨損。在磨損區(qū)域，產(chǎn)生熔化和抗摩擦金屬合金剝落。

1.6 失效原因六：雜質(zhì)

固體雜質(zhì)：潤滑油中的灰塵、污垢、磨削和金屬顆粒吸附在軸瓦表面上，損壞潤滑油膜，使抗磨合金材料移位，也可能使軸瓦表面有刮傷。

內(nèi)腔雜質(zhì)：軸瓦內(nèi)腔及背面有雜質(zhì)導(dǎo)致接觸面不充分并削弱熱量流動(dòng)。這些區(qū)域的熱量和局部載荷使軸瓦疲勞強(qiáng)度上升，材料分離。

建議安裝新軸瓦時(shí)仔細(xì)遵照清洗指導(dǎo)清洗軸瓦，按照規(guī)定的時(shí)間間隔更換潤滑油和濾清器，保持濾清器和曲軸箱清潔。

1.7 失效原因七：連桿變形

連桿彎曲或扭曲：連桿彎曲或扭曲，內(nèi)腔錯(cuò)位，產(chǎn)生高壓力區(qū)域，甚至可能產(chǎn)生軸瓦和曲軸勁部金屬撞擊。一般表現(xiàn)為兩片軸瓦對(duì)應(yīng)面對(duì)稱過度磨損。

橢圓形內(nèi)腔：由于連桿在交變負(fù)荷下彎曲，內(nèi)腔變成橢圓形。軸瓦也有形成這種形狀的趨勢(shì)，因此內(nèi)表面形成橢圓形。由于內(nèi)腔變形，軸瓦的分隔間隙明顯減小，這將導(dǎo)致抗磨擦合金與曲軸頸部之間的金屬撞擊。

1.8 失效原因七：軸瓦高度缺陷和軸瓦移位

軸瓦高度不足：緊固不夠，必要徑向壓力難以形成，軸瓦難以保持在軸瓦腔內(nèi)。由于接觸面不充分，熱量流動(dòng)困難，同時(shí)軸瓦跳動(dòng)的其它磨擦，使得熱量增加。一般表現(xiàn)為軸瓦背面或某些表面可見一些光亮區(qū)域（拋光區(qū)域）。

導(dǎo)致軸瓦高度不足的原因有：由于軸瓦間分隔表面有灰塵和毛刺，軸瓦遠(yuǎn)離內(nèi)腔； 扭矩不足；螺栓與螺孔端部干涉；軸瓦內(nèi)腔尺寸超過規(guī)定直徑。一般處理措施為：在扭緊螺母和螺栓之前，清洗軸瓦分隔表面；檢查軸瓦內(nèi)腔尺寸和整體情況；使用合格的螺栓螺母并按照設(shè)計(jì)扭矩打緊。

軸瓦高度過高：在把軸瓦裝入曲軸腔內(nèi)時(shí)，軸瓦分隔表面有凸出。當(dāng)扭緊螺栓時(shí)，它將壓在曲軸內(nèi)腔表面上，產(chǎn)生相當(dāng)大的徑向接觸壓力。

最常見的原因是分隔表面重新加工（軸瓦分隔區(qū)、缸體或連桿被研磨過，重新加工連桿內(nèi)腔來獲取內(nèi)腔圓度）和螺栓擰緊扭矩過大。

頂部移位：軸瓦頂部移位， 迫使兩片軸瓦的一邊靠在曲軸上。這主要由以下原因引起：扭緊螺栓時(shí)，扭矩不足；瓦片倒置；孔、銷或其它中心位置改變；曲軸在磨削過程中中心移位；再使用連桿或軸瓦螺栓。一般表現(xiàn)為兩片軸瓦接近分隔區(qū)域的對(duì)稱面上過度磨損。

1.9 失效原因八：曲軸變形

曲軸變形：由于處理不足，存儲(chǔ)方式不對(duì)或極度條件下運(yùn)行都有可能引起曲軸變形。曲軸變形使主軸瓦過載，在最高扭曲點(diǎn)形成高壓，由于這些原因也會(huì)導(dǎo)致間隙減小，軸瓦和曲軸頸部產(chǎn)生金屬撞擊。一般表現(xiàn)為在一付主軸瓦上部或下部有明顯的磨損條紋。這種磨損從一片軸瓦轉(zhuǎn)移到另一片軸瓦，但總的來說主要表現(xiàn)在中心軸瓦上。

曲軸頸部失圓：曲軸頸部失圓使得在軸瓦表面上的載荷不均衡，在某些區(qū)域產(chǎn)生高負(fù)荷，加速磨損。軸瓦與曲軸之間間隙變小，產(chǎn)生金屬撞擊。一般表現(xiàn)為軸瓦表面呈不均衡的磨損條紋。根據(jù)最高壓產(chǎn)生的區(qū)域，有三種區(qū)分形式，下面曲軸頸部插圖分別闡述了這三種故障現(xiàn)象。

圖1 曲軸頸部失圓

曲軸R角半徑影響：由于倒角半徑不正確，引起軸瓦側(cè)面區(qū)域金屬撞擊，導(dǎo)致過度磨損和早期局部強(qiáng)度疲勞。表現(xiàn)為軸瓦側(cè)面區(qū)域過度磨損。

1.10 失效原因九：缸體變形

突然加熱和冷卻系統(tǒng)缺少溫度調(diào)節(jié)閥是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸體變形的原因之一。不良運(yùn)行環(huán)境（如：發(fā)動(dòng)機(jī)過載）、缸蓋螺栓扭緊程序不正確也會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)缸體變形。由缸體變形導(dǎo)致的軸瓦失效主要表現(xiàn)在主軸瓦副上部或下部能觀察到很明顯的摩擦條紋。這種磨損可以從一片軸瓦延伸到另一片軸 瓦但總的來說，主要集中在中心軸瓦上。

2 結(jié)論

本文從故障導(dǎo)致軸瓦失效和裝配導(dǎo)致軸瓦失效兩方面分析了內(nèi)燃機(jī)軸瓦早期失效原因。通過經(jīng)驗(yàn)分析，系統(tǒng)地總結(jié)了相關(guān)因素對(duì)軸瓦失效的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)分析和整車發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦故障判斷提供一定的參考。

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