淺談發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦的失效模式

張治國，趙世來

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淺談發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦的失效模式

張治國，趙世來

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

發(fā)動(dòng)機(jī)是一種是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種裝置，它是汽車的核心部件。在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)著高速旋轉(zhuǎn)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，軸瓦也是此機(jī)構(gòu)中不可缺少的零件之一，軸瓦分為連桿瓦和主軸瓦，它的應(yīng)用能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，維修方便，成本低廉，它是決定發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠長期可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零件。失效分析是零部件的難點(diǎn)問題，文章主要講述了常見故障引起的軸瓦失效模式和安裝錯(cuò)誤引起的軸瓦的失效模式，分別通過出現(xiàn)的現(xiàn)象，進(jìn)行具體原因分析。這是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和知識的積累，希望對今后設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

軸瓦；發(fā)動(dòng)機(jī)；可靠性；失效模式

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的一種裝置，最終驅(qū)動(dòng)汽車行駛，它是汽車的心臟。在發(fā)動(dòng)機(jī)中存在很多摩擦副，例如，活塞銷與活塞銷孔、環(huán)與缸壁、活塞與缸壁、軸瓦與曲軸的主軸頸、軸瓦與連桿軸頸。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，就會存在摩擦。

軸瓦是一種由金屬材料作為鋼背，并與減摩擦圖層結(jié)合在一起構(gòu)成的一種零件。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)上軸瓦主要是指主軸瓦和連桿軸瓦。軸瓦在設(shè)計(jì)時(shí)很簡單，成本很低廉，但是，它卻是決定發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠長期可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零件。

失效分析是汽車行業(yè)中難點(diǎn)工作，尤其發(fā)動(dòng)機(jī)零件的失效，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)，一直處于高溫，高壓的環(huán)境，例如，軸瓦在工作時(shí)，承受高壓的氣體壓力的作用，工作條件復(fù)雜，失效模式多種多樣，所以分析問題時(shí)，不僅要借用專業(yè)的檢測設(shè)備，往往也需要我們儲備的知識和積累的經(jīng)驗(yàn)才能解決。

2 故障分析

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證階段，軸瓦相對于其他零件發(fā)生的失效的機(jī)率要多些，經(jīng)常會出現(xiàn)想不到的問題，基于不同的故障現(xiàn)象，失效原因也是多種多樣，對于軸瓦失效模式進(jìn)行分類總結(jié)，可以根據(jù)不同的失效狀態(tài)推斷故障的原因，對發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況研究是很有好處的?，F(xiàn)在向大家分享一下軸瓦失效的常見現(xiàn)象和發(fā)生的原因。

2.1 腐蝕

2.1.1 現(xiàn)象

腐蝕的典型現(xiàn)象，在軸瓦表面形成黑色合成物或者表面出現(xiàn)小凹槽。見圖 1。

圖1

2.1.2 分析原因

腐蝕是潤滑油工作后產(chǎn)生的有害物質(zhì)在軸瓦合金上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。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)，這些有害物反應(yīng)速度會加劇，導(dǎo)致軸瓦表面一種或多種合金剝落，或形成脆性氧化物。曲軸箱竄氣或者高硫含量燃料的燃燒，再加上無機(jī)酸的形成，也會一起對軸瓦進(jìn)行腐蝕。

2.2 熱疲勞

2.2.1 現(xiàn)象

表面大部分區(qū)域抗磨材料脫落，有被燒焦的痕跡，鋼背裸漏在外。見圖 2。

圖2

2.2.2 分析原因

運(yùn)行的軸瓦出現(xiàn)異高溫現(xiàn)象，溫度高于圖層的熔點(diǎn)，在這種情況下，鉛和錫將會融化，與銅分離，表面涂層失去鋼背的支撐，材料剝落。

2.3 潤滑油不足

2.3.1 現(xiàn)象

潤滑油不足，導(dǎo)致軸瓦與軸頸之間產(chǎn)生干摩，由于摩擦現(xiàn)象長時(shí)間存在，金屬表面融化，材料就會剝落，磨損機(jī)會逐漸加劇。見圖 3。

圖3

2.3.2 分析原因

（1）由于雜質(zhì)或者異物的存在，部分潤滑通道阻塞。

（2）選擇軸瓦尺寸過小，油壓建立不起來。

（3）主軸瓦上瓦和下瓦裝反，導(dǎo)致主油道無法供油。

（4）油泵或減壓閥功能失效，失去工作能力。

2.4 氣蝕

2.4.1 現(xiàn)象

軸瓦內(nèi)表面部分區(qū)域被腐蝕，一些嚴(yán)重腐蝕能穿透軸瓦合金層厚度，達(dá)到鋼背。見圖 4。

圖4

2.4.2 分析原因

氣蝕屬于點(diǎn)蝕的一種損壞形式，是軸瓦合金層上的潤滑油產(chǎn)生了汽泡，并且突然爆破而形成的。發(fā)動(dòng)機(jī)在循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)中，加載在軸瓦上的載荷，迅速變化，導(dǎo)致軸瓦的潤滑油膜的壓力也隨之迅速改變。這種壓力變化隨次數(shù)的增加而越來越高，使得軸瓦和曲軸的變化也越大。

軸瓦氣蝕有以下四種情況：

吸氣引起腐蝕，發(fā)生在曲軸運(yùn)動(dòng)之后。

換氣引起的腐蝕，發(fā)生在曲軸運(yùn)動(dòng)之前。

氣穴流動(dòng)引起的腐蝕。

氣穴撞擊引起的腐蝕。

2.5 間隙過大

2.5.1 現(xiàn)象

軸瓦側(cè)面邊界部分的合金變形。見圖 5。

圖5

2.5.2 分析原因

假如曲軸軸頸尺寸比推薦的最小值還小，軸瓦內(nèi)徑比推薦的最大值還大，這樣會導(dǎo)致潤滑間隙比允許值大。間隙大，沒有液態(tài)壓力支撐，曲軸與軸瓦接觸，引發(fā)軸瓦表面變形。

2.6 軸向間隙不足

2.6.1 現(xiàn)象

曲軸高載荷時(shí)，軸瓦邊沿和內(nèi)表面過渡磨損，其他部分正常磨損。在磨損區(qū)域，產(chǎn)生融化和合金層剝落。見圖 6和見圖 7。

圖 7

2.6.2 分析原因

由于不正確安裝，或曲軸壓在軸瓦邊沿，導(dǎo)致間隙不足。從某種程度上來講，引起異常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)域完全破壞。

2.7 固體雜質(zhì)

2.7.1 現(xiàn)象

外界物質(zhì)侵入到合金層上，導(dǎo)致合金層移位，也可能導(dǎo)致軸瓦表面有劃傷。見圖 8。

圖8

2.7.2 分析原因

圖9

潤滑油中的灰塵，污垢，磨削和金屬顆粒吸附在軸瓦表面，使合金材料移位，這些發(fā)射出來的合金材料和微粒達(dá)到曲軸上，引起局部摩擦，損壞潤滑油膜。見圖 9。

2.8 橢圓形內(nèi)腔

2. 8.1 現(xiàn)象

軸瓦邊沿附近區(qū)域過渡磨損。見圖 10。

圖10

2.8.2 分析原因

由于連桿在交變負(fù)荷下會發(fā)生彎曲，內(nèi)腔變成橢圓形，軸瓦也形成這種趨勢，因此內(nèi)表面形成橢圓形。由于內(nèi)腔變形，軸瓦分隔間隙明顯變小，這將導(dǎo)致合金層與曲軸之間相互撞擊。見圖 11。

圖11

2.9 軸瓦半徑高不足

2.9.1 現(xiàn)象

軸瓦背面或某些可見光亮區(qū)域，也包括分割區(qū)表面。見圖 12。

圖12

2.9.2 分析原因

緊固不夠，必要的徑向壓力難以形成，軸難以保持在軸瓦內(nèi)腔內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于接觸不充分，軸瓦會發(fā)生跳動(dòng)導(dǎo)致摩擦，熱量增加。

導(dǎo)致軸瓦高度不足的原因：扭矩不足；軸瓦內(nèi)腔尺寸超差；螺栓虛假力矩。

2.10 頂部移動(dòng)

2.10.1 現(xiàn)象

兩片軸瓦接近分隔區(qū)域的對稱面上過度磨損。見圖13。

圖13

2.10.2 分析原因

軸瓦頂部發(fā)生位移，會迫使兩片軸瓦的一邊靠在曲軸上，主要由以下原因引起：緊螺栓時(shí)，扭矩不足；瓦片錯(cuò)位；孔、銷或其他中心位置改變；曲軸在磨削過程中，中心移位；重新使用連桿或軸瓦螺栓。

2.11 曲軸軸徑失圓

2.11.1現(xiàn)象

軸瓦出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，單側(cè)磨損，兩側(cè)同時(shí)發(fā)生磨損，中間部分發(fā)生磨損。見圖14、圖 15、圖 16。

圖14

圖15

圖16

2.11.2 分析原因

曲軸軸頸插圖分別闡述了三種故障現(xiàn)象。

圖17

曲軸軸頸失圓使得施加在軸瓦表面的載荷不均勻，在某些區(qū)域產(chǎn)生高負(fù)荷，加速磨損。軸瓦與曲軸之間的間隙變小，產(chǎn)生金屬撞擊。

3 結(jié)論

以上是軸瓦的主要失效現(xiàn)象和原因的分析，在解決發(fā)動(dòng)機(jī)問題時(shí)，首先是按照經(jīng)驗(yàn)來判斷可能發(fā)生的什么問題，如果無法判斷，采用專用的，同時(shí)要結(jié)合數(shù)據(jù)，進(jìn)行具體問題，具體分析。在開發(fā)試驗(yàn)階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件復(fù)雜，必然會出現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)問題，我們應(yīng)做到及時(shí)分析，及時(shí)解決，直到驗(yàn)證通過。

軸瓦的各種失效模式往往是發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)中運(yùn)行故障的不同體現(xiàn)，因此在工程實(shí)踐中對各種失效模式的積累和分析是重要基礎(chǔ)工作。

[1] 周龍保.等.內(nèi)燃機(jī)學(xué).[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[2] 楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).[M]北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1981.

[3] 萬欣,林大淵.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].天津:天津大學(xué)出版社,1992.

Talking about engine bearing bush failure mode

Zhang Zhiguo, Zhao Shilai

( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

The engine is a device that converts thermal energy into mechanical energy. It is the core part of a car.Crank connecting rod system with high-speed rotation is designed in the engine.The bearing bush includes a connecting bearing and a main shaft bearing.,Its application can meet the reliability of the engine, running stability, convenient maintenance, low cost, it is the key part to determine whether the engine can be reliable for a long time.Failure analysis is a difficult problem of parts,This paper mainly introduces the failure mode of bearing bush caused by common faults and the failure mode of bearing bush caused by installation errors,Through the phenomenon that appears respectively, undertake specific reason analysis.This is a summary of experience and knowledge of the accumulation of future design guidance.

Bearing bush;Engine;Reliability;Failure mode

U464

A

1671-7988(2019)09-188-04

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1671-7988(2019)09-188-04

張治國，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.061