發(fā)動機(jī)拉缸問題的探討與分析

趙世來，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

發(fā)動機(jī)是一種熱機(jī)，是將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的一種裝置。發(fā)動機(jī)是汽車的心臟，活塞又是發(fā)動機(jī)的心臟，它與缸蓋、缸套、活塞環(huán)構(gòu)成了一個燃燒的密封空間。在高溫和爆發(fā)壓力的作用下，活塞頭部和裙部發(fā)生膨脹，最終由最初橢圓型變成圓型。如果配缸間隙過小，產(chǎn)生咬缸、拉缸現(xiàn)象；如果配缸間隙過大，產(chǎn)生敲缸、機(jī)油耗大、漏氣量大、噪聲大等現(xiàn)象。

1 拉缸的嚴(yán)重性

拉缸是缸套與活塞或活塞環(huán)在工作表面彼此出現(xiàn)拉傷、拉毛、溝槽現(xiàn)象。這種現(xiàn)象通過目測可以觀察的很清楚。發(fā)動機(jī)設(shè)計驗證初期，拉缸是一種很常見的想象，但是在樣件最終確定后或批量生產(chǎn)時應(yīng)絕對避免此現(xiàn)象的發(fā)生。如果汽車在高速行駛時，一旦發(fā)生拉缸，后果很嚴(yán)重。因此掌握活塞拉缸的原因，預(yù)防拉缸的出現(xiàn)，對我們設(shè)計者有著重要的指導(dǎo)意義。下面我們從設(shè)計方面和使用方面進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2 設(shè)計方面

2.1 間隙方面原因

2.1.1 配缸間隙

活塞與氣缸的裝配間隙有嚴(yán)格規(guī)定，如果間隙過大，（一）、車在冷啟動時會“敲缸”，也會出現(xiàn)機(jī)油沿著缸壁向上流動，上下竄氣問題。（二）、活塞在換向時，擺動量加大，活塞局部會和缸內(nèi)壁發(fā)生局部接觸，局部接觸的后果導(dǎo)致面壓很高，存在拉缸的可能性。從密封角度來講，活塞與缸套間隙越小，密封效果越好。但是間隙過小，也是不允許的，會導(dǎo)致環(huán)刮傷缸體。其原因，發(fā)動機(jī)長時間工作時，高溫會逐漸上升，這樣活塞、活塞環(huán)、缸套都會受熱膨脹?；钊话愣际卿X材料，活塞環(huán)都是鋼制材料，鋁的熱膨脹量比鐵的大很多，因此，一旦出現(xiàn)間隙很小的時候，油膜就很難形成，干膜后必然會導(dǎo)致拉缸。如圖1所示就是拉缸的活塞。因此在設(shè)計開發(fā)初級階段要考慮好配缸間隙，不同發(fā)動機(jī)配缸間隙不同，如某XX轎車發(fā)動機(jī)配缸間隙為0.08～0.10mm；某XX轎車發(fā)動機(jī)為 0.023～0.043mm；某 XX轎車發(fā)動機(jī)為0.03～0.08 mm。

圖1

2.1.2 環(huán)間隙

活塞與環(huán)的間隙包括側(cè)隙和背隙兩個方面：發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生積碳，堆積在活塞環(huán)槽內(nèi)，特別是第一氣環(huán)槽內(nèi)的積碳會很多。積碳在環(huán)槽內(nèi)，會使側(cè)隙和背隙變小，所以要合理設(shè)計此間隙，設(shè)計不合理就會從引起拉缸。

背隙計算公式：

Dn =[D-2(T+N)]±0.1

Dn—活塞環(huán)的環(huán)槽底徑,單位為mm；

D—公稱直徑，單位為mm；

T—活塞環(huán)徑向厚度，單位為mm。

表1 活塞環(huán)背隙值

側(cè)隙可以參照表 2，但不能以此來定側(cè)隙，在實(shí)際中還要考慮其它因素進(jìn)行微調(diào)。

表2 活塞環(huán)側(cè)隙值

閉口形式包括直口、斜口、還有搭接口形式?；钊h(huán)的開口間隙變小后，可能會發(fā)生斷環(huán)的風(fēng)險，折斷后果很可怕，會拉缸，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)報廢。不是所有發(fā)動機(jī)活塞環(huán)開口間隙都是一樣的，見表 3，因為發(fā)動機(jī)拉環(huán)的開口隙過小造成拉缸也有很多案例。

表3 活塞環(huán)開口間隙

2.1.3 銷與活塞銷孔間隙

當(dāng)采用半浮式活塞銷連接時，活塞銷與活塞銷孔過盈量過大，會使活塞銷座變形，要是間隙過小，一會破壞油膜，引起干磨、抱死，拉缸。如果活塞銷與銷座孔的配合間隙過大，會出現(xiàn)敲擊聲。下邊是幾種競品發(fā)動機(jī)活塞銷與連桿孔、活塞銷與活塞銷孔間隙。

表4 競品數(shù)值

2.2 活塞型線、橢圓度、錐度

圖2

圖3

鋁活塞在工作過程中受熱、受力分布不均勻，活塞在活塞銷軸線方向膨脹量較大，因此在設(shè)計時就將活塞設(shè)計成橢圓形。活塞的裙部橢圓度一般在 0.30～0.65 mm，頭部橢圓度一般在 0.02～0.1mm，這樣活塞在受熱時，變成圓形，與氣缸周圍間隙均勻?；钊谴嬖谏闲∠麓蟮男螤畹?，即錐度：0.04～0.085 mm。通過有限元分析，裙部錐度在0.04 mm以下容易拉缸。型線的設(shè)計原理是模擬活塞在缸內(nèi)運(yùn)動姿勢，保證活塞在換向時能圓滑過渡。如果橢圓度和型線設(shè)計的不當(dāng)，活塞很容易在氣缸中卡死，如圖2。如圖3做過熱磨損試驗的活塞，結(jié)果圖3很理想。

2.3 活塞表面硬度的影響

活塞表面硬度也會影響到拉缸，通過對好活塞和故障活塞表面硬度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)好活塞表面硬度比故障活塞的硬度低 l2～32HBW?；钊麩崽幚砗?，如果產(chǎn)生表面硬度不一，活塞的內(nèi)應(yīng)力不能完全消除，高運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，容易產(chǎn)生異常膨脹變形現(xiàn)象，造成拉缸。

2.4 表面處理的影響

活塞表面處理，活塞頂部、一環(huán)槽及部分二環(huán)槽陽極氧化處理，氧化層厚度為 0.012mm，裙部刷石墨，厚度0.01-0.02mm，還有全部鍍錫的，錫層厚度0.5-2.0um等等，所有這些都是為了初期磨合時潤滑，減少拉缸。相比之下，刷石墨會比鍍錫效果好，但成本也相對高些。

3 使用方面

3.1 空氣濾清器不密封

空氣濾清器不密封，過濾效果變差，空氣中的雜質(zhì)吸入氣缸內(nèi)，形成雜質(zhì)磨損。試驗表明：假如每天吸進(jìn)幾克灰塵，氣缸套的磨損量將增大10倍以上。

3.2 磨合不正確

對于新發(fā)動機(jī)或大修發(fā)動機(jī)，由于零件加工表面粗糙和裝配位置都存在一定的誤差，看似光滑表面，實(shí)際上卻存在微米級的高低突起，在這個階段內(nèi)如果不按規(guī)定行駛，會造成早期磨損，嚴(yán)重時發(fā)生拉缸事故。為了使發(fā)動機(jī)在今后隨心所欲，必須嚴(yán)格遵守磨合規(guī)定，以保證磨合的質(zhì)量。行駛初期2000km以內(nèi)，要避免長時間高速超載行駛。

3.3 暖機(jī)啟動

冬季發(fā)動機(jī)冷起動后至少需15～30s才能大腳踩油門，進(jìn)過暖機(jī)后潤滑系中形成油膜。如果沒有油膜，一旦直接達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，這段時間活塞與缸體之間處于干摩擦狀態(tài)，很易引起拉缸和燒瓦。據(jù)研究部門測試，柴油機(jī)在冷卻水溫30℃以下負(fù)荷作業(yè)時，氣缸套等零件的磨損量是正常水溫時的5-7倍。

3.4 正確使用潤滑油

發(fā)動機(jī)工作時、溫度高、如果工作條件苛刻，選擇不合適的潤滑油，將會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)拉缸燒瓦。選擇粘度過大潤滑油，其流動性差，特別是在低溫起動時，不易很短時間內(nèi)形成油膜，加速了發(fā)動機(jī)的磨損；潤滑油的粘度過小，易造成潤滑油自摩擦面流失，不能形成可靠的油膜，也會加劇氣缸的磨損。因此，根據(jù)地域、季節(jié)的不同選擇適當(dāng)牌號的機(jī)油。

3.5 控制水溫

發(fā)動機(jī)啟動后，如果冷卻水的正常溫度應(yīng)保持在80℃～90℃時，這時發(fā)動機(jī)能輸出最大功率，燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳狀態(tài)，零件磨損也不大。如果冷卻水的溫度過高，發(fā)動機(jī)總是長時間處在高溫狀態(tài)下，零件的強(qiáng)度、韌性和耐磨性能逐漸會下降；活塞在高溫條件下，使膨脹量超過限值，配缸間隙減小，造成活塞在氣缸內(nèi)卡死。

3.6 過載

發(fā)動機(jī)超載運(yùn)行，就要求發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度增大，這樣輸出功率增大，氣缸內(nèi)平均指示壓力增加，易引起水溫、油溫升高，機(jī)油粘度下降，缸內(nèi)油膜遭到到破壞后，從而加劇氣缸的磨損。因此汽車應(yīng)避免發(fā)動機(jī)超載行駛，避免拉缸現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)論

發(fā)動機(jī)拉缸是一個非常嚴(yán)重的質(zhì)量現(xiàn)象，發(fā)生拉缸的原因是多方面的，在最初設(shè)計當(dāng)初，就要認(rèn)真分析拉缸原因，對今后工作有一定指導(dǎo)作用。駕駛員按照使用手冊上正確操作，可以提高發(fā)動機(jī)使用壽命。

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