發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿組潤(rùn)滑優(yōu)化的研究

何道明

摘要：通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NVH進(jìn)行測(cè)試，確定發(fā)動(dòng)機(jī)異響源為活塞連桿組件，異響問(wèn)題的直接原因?yàn)檫B桿襯套異常磨損。結(jié)合連桿襯套的失效機(jī)理，對(duì)可能導(dǎo)致的連桿襯套異常磨損的原因進(jìn)行分析排查，找出導(dǎo)致異常磨損的根本原因，制定相應(yīng)的改善對(duì)策。通過(guò)對(duì)活塞、連桿、活塞銷的受力情況、尺寸配合情況以及潤(rùn)滑效果進(jìn)行分析，優(yōu)化尺寸配合以及改善潤(rùn)滑條件。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)機(jī)試驗(yàn)以及整車路試進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響有明顯的改善效果，從而解決發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：NVH;發(fā)動(dòng)機(jī)異響;活塞;連桿;活塞銷;潤(rùn)滑

0? 引言

隨著國(guó)民生活水平的不斷提高，汽車消費(fèi)者對(duì)整車的品質(zhì)需求也在不斷提升。除了價(jià)格、外觀、動(dòng)力性和使用經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)傳統(tǒng)核心因素外，整車舒適度也已成為購(gòu)車的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。根據(jù)最新市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)情況，客戶對(duì)汽車的抱怨中，NVH（噪聲、震動(dòng)、聲震粗糙度）問(wèn)題點(diǎn)占比日益增加，目前占比約30%，所反饋的問(wèn)題主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響、急加速異響、怠速異響以及在特定轉(zhuǎn)速時(shí)的異響等，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)異響問(wèn)題的改善和優(yōu)化就尤為重要[1]。

本文主要針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響問(wèn)題進(jìn)行深入研究，通過(guò)NVH測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)拆解分析和潤(rùn)滑效果分析等確定異響源為活塞連桿組件?；钊B桿組件做為發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心運(yùn)動(dòng)件，其長(zhǎng)期工作在高溫和往復(fù)沖擊的環(huán)境中，如果出現(xiàn)配合不當(dāng)或者潤(rùn)滑不良的情況極易導(dǎo)致其成為各種異響的禍?zhǔn)琢悴考2]。本文旨在通過(guò)對(duì)活塞連桿組件的潤(rùn)滑優(yōu)化改善過(guò)程說(shuō)明，建立起科學(xué)的設(shè)計(jì)初期質(zhì)量保障方法、明確的設(shè)計(jì)優(yōu)化改善方向和連桿潤(rùn)滑問(wèn)題解決方法等。

1  問(wèn)題概述

1.1 異響問(wèn)題描述

在發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證階段發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)怠速狀態(tài)下，存在明顯的“噠噠噠”響聲，異響聲音可持續(xù)10秒鐘時(shí)間左右，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，怠速異響逐漸消失。

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外圍附件（如噴油器、節(jié)氣門(mén)閥、增壓器執(zhí)行器）進(jìn)行單體排查驗(yàn)證，排除其為異響源，進(jìn)而將異響源鎖定在發(fā)動(dòng)機(jī)本體內(nèi)部。根據(jù)筆者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體類導(dǎo)致的異響的主要原因有：①發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)，氣門(mén)完全關(guān)閉，氣門(mén)桿末端與挺柱之間有一定的間隙，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)狀態(tài)時(shí)，間隙變小，發(fā)動(dòng)機(jī)異響聲變小或消失;②發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)，VVT系統(tǒng)由于泄油等情況，零件內(nèi)部轉(zhuǎn)子間未形成油壓，在短時(shí)間內(nèi)也出現(xiàn)異響問(wèn)題;③活塞連桿組件在冷機(jī)狀態(tài)，由于潤(rùn)滑不充分，零件之間存在配合間隙，會(huì)存在異響問(wèn)題[3]。

1.2 異響源排查

在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證異響與冷熱機(jī)、機(jī)油壓力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過(guò)主觀識(shí)別的方法，對(duì)異響源進(jìn)行排查確認(rèn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示異響在冷機(jī)怠速（1100轉(zhuǎn)）、點(diǎn)火（2000轉(zhuǎn)）都存在，而在相應(yīng)的熱機(jī)點(diǎn)火、倒拖轉(zhuǎn)速都不存在，所以異響產(chǎn)生與（低速段）轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，但與冷熱機(jī)狀態(tài)以及機(jī)油壓力有關(guān)，在冷機(jī)狀態(tài)、或低油壓狀態(tài)均有異響。

根據(jù)以上的驗(yàn)證結(jié)果討論制定驗(yàn)證NVH的驗(yàn)證方案如下：

①1米聲壓級(jí)測(cè)試（5點(diǎn)法+后端測(cè)點(diǎn)）：用于整體評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平。1米聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果如圖1所示，有“噠噠噠”異響，綠線數(shù)據(jù)在3000Hz-4800Hz頻帶內(nèi)明顯高于其他數(shù)據(jù);

②近場(chǎng)噪聲測(cè)試：用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)局部零部件的噪聲大小以及特征，與1米聲壓級(jí)配合使用，能較好的識(shí)別噪聲來(lái)源。近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖2所示，有“噠噠噠”異響，綠線數(shù)據(jù)在2000Hz-4800Hz頻帶內(nèi)明顯高于其他數(shù)據(jù);

③震動(dòng)測(cè)試：用于捕捉發(fā)出噪聲的激勵(lì)來(lái)源以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，與近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻率比對(duì)配合使用。震動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，有“噠噠噠”異響綠線數(shù)據(jù)在2000Hz-4800Hz頻帶內(nèi)也是明顯高于其他數(shù)據(jù)。

通過(guò)以上的分析結(jié)果可得出判斷結(jié)論：“噠噠噠”異響為2000Hz-4800Hz寬頻的噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)異響與溫度有關(guān)、與潤(rùn)滑有關(guān)、與缸內(nèi)壓力有關(guān)。

2? 原因分析

2.1 拆解分析

經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)拆解分析，活塞銷表層有磨痕（圖4），檢查連桿襯套發(fā)現(xiàn)有燒蝕的情況（圖5）。在原機(jī)上控制變量更換活塞連桿組后，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行故障再現(xiàn)的驗(yàn)證，結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng) “噠噠噠”響聲消除。將原故障機(jī)的活塞、連桿、活塞銷進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)連桿襯套尺寸嚴(yán)重超差（表2），其中連桿襯套最大磨損量約為22μm。用圓度儀對(duì)連桿襯套進(jìn)行檢測(cè)，連桿襯套磨損的方向與受力方向一致，圓度、圓柱度已嚴(yán)重超差。用電子顯微鏡對(duì)連桿襯套進(jìn)行腐蝕分析，發(fā)現(xiàn)磨損部位晶界滑移，晶界滑移與溫度有直接的關(guān)系。從以上的檢測(cè)的結(jié)果分析，連桿襯套出現(xiàn)異常的磨損是導(dǎo)致冷啟動(dòng)異響的主要原因。

2.2 連桿襯套失效機(jī)理分析

連桿襯套是連桿小頭和活塞銷的重要連接部件，在實(shí)際工作中承受著連桿組件慣性力和活塞傳遞的爆發(fā)壓力的交替載荷作用，同時(shí)工作環(huán)境溫度較高。當(dāng)油膜潤(rùn)滑不充分時(shí)，連桿襯套極易出現(xiàn)磨損、燒蝕和沖蝕現(xiàn)象。連桿小頭和襯套材料不同，受過(guò)盈壓力和活塞銷傳遞的交變載荷的影響，兩者接觸面上在承受相同的接觸壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，導(dǎo)致兩接觸體在接觸面上相互錯(cuò)動(dòng)，即為微動(dòng)。隨著活塞連桿組件長(zhǎng)時(shí)間周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，微動(dòng)磨損增加，襯套過(guò)盈量逐漸減小。進(jìn)而使襯套出現(xiàn)裂紋或者產(chǎn)生過(guò)度磨損。

2.3 連桿襯套失效原因確定

結(jié)合連桿襯套失效的機(jī)理，對(duì)導(dǎo)致連桿、活塞銷異常磨損的原因進(jìn)行初步分析如下：①連桿襯套或活塞銷加工尺寸超差，配合間隙過(guò)大，無(wú)法形成油膜，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損;②連桿襯套材質(zhì)不良，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損;③活塞銷表面DLC涂層硬度過(guò)高，與連桿襯套存在硬度差，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損;④活塞連桿組潤(rùn)滑不良，連桿襯套過(guò)熱燒蝕，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損。針對(duì)以上四個(gè)可能原因，進(jìn)行主要原因的排查確認(rèn)如下：

①通過(guò)對(duì)同一生產(chǎn)批次的連桿襯套和活塞銷進(jìn)行尺寸測(cè)量，分別檢測(cè)100件和3000件，未發(fā)現(xiàn)尺寸不合的情況，可排除該潛在原因;但活塞銷與連桿襯套之間設(shè)計(jì)配合間隙過(guò)大，經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)研究和對(duì)標(biāo)分析，活塞銷與連桿間隙為（0.010-0.020）mm為最佳的配合間隙，而該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷與連桿襯套配合間隙為（0.015-0.025）mm，配合間隙偏大，可能導(dǎo)致油膜無(wú)法形成，加快襯套的異常磨損;②對(duì)故障件以及正常件的材質(zhì)進(jìn)行分析，硬度檢測(cè)結(jié)果為122HB（故障件）和118HB（正常件），均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（80-130）HB;對(duì)故障件以及正常件的成分進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，無(wú)異常（表3）;對(duì)故障件以及正常件的金相進(jìn)行分析，空穴均為1級(jí)（圖9、圖10），符合標(biāo)準(zhǔn)要求;可排除材質(zhì)不良的潛在原因;③對(duì)活塞銷表面DLC涂層的硬度進(jìn)行檢測(cè)，DLC涂層硬度為1634HB，硬度等級(jí)為連桿襯套的10倍以上，在明顯硬度差的作用下，有可能導(dǎo)致連桿襯套的異常磨損;④該發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞連桿組上采取飛濺潤(rùn)滑的潤(rùn)滑方式，在低轉(zhuǎn)速有可能造成潤(rùn)滑不良的情況。

根據(jù)排查結(jié)果，最終分析的主要原因?yàn)椋孩倩钊N表面DLC涂層與連桿襯套硬度差過(guò)大;②活塞連桿組潤(rùn)滑不良;③活塞銷與連桿襯套配合間隙不合理。

3? 優(yōu)化方案

3.1 方案制定

針對(duì)上文排查出的三個(gè)主要因素，分別制定相應(yīng)優(yōu)化的措施：①優(yōu)化活塞銷涂層，用滲碳表面處理替代DLC涂層，在滿足表面硬度要求前提下，減少活塞銷與連桿襯套的硬度差，避免早期異常磨損;②優(yōu)化活塞連桿組的潤(rùn)滑方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)增加機(jī)油噴嘴進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑;同時(shí)在活塞連桿組裝配時(shí)，采取預(yù)涂油的措施，確保在初始狀態(tài)有良好的潤(rùn)滑作用;③優(yōu)化活塞銷與連桿襯套的配合間隙，對(duì)活塞銷、連桿進(jìn)行分組裝配，以保證配合的最優(yōu)間隙。

3.2 方案校核

3.2.1 優(yōu)化活塞銷涂層的方案校核

在取消DLC涂層后，采取滲碳處理，對(duì)活塞銷表層硬度以及靜態(tài)變形量進(jìn)行校核確認(rèn)。硬度的檢測(cè)82.4HRA，轉(zhuǎn)化為HB為615HB（標(biāo)準(zhǔn)要求≥79.6HRA），表層硬度與連桿襯套硬度差得以減小。同時(shí)對(duì)優(yōu)化后的活塞銷進(jìn)行靜態(tài)變形量的試驗(yàn)，測(cè)量示意圖如圖11。測(cè)量條件：歸零壓力5kN，測(cè)量壓力45kN，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

方案校核結(jié)論：極限爆發(fā)壓力下，活塞銷彎曲變形量不大于其直徑的0.2%，在此壓力下活塞銷彎曲變形≤40μm。取消DLC涂層后的活塞銷靜態(tài)彎曲極限變形量符合要求。

3.2.2 優(yōu)化活塞連桿組潤(rùn)滑方案校核

為優(yōu)化活塞連桿組的潤(rùn)滑效果，通過(guò)增加機(jī)油噴嘴對(duì)活塞連桿組進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑。（圖12）

同時(shí)為確保發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程對(duì)運(yùn)動(dòng)副零件潤(rùn)滑效果，活塞銷裝配前對(duì)活塞銷、活塞銷孔及連桿襯套孔充分潤(rùn)滑，活塞銷前端潤(rùn)滑范圍不低于10mm。

3.2.3 優(yōu)化活塞銷與連桿襯套的配合間隙方案校核

根據(jù)活塞銷以及連桿襯套孔的尺寸標(biāo)準(zhǔn)要求，各分三組，通過(guò)對(duì)活塞銷以及連桿襯套的尺寸進(jìn)行分組裝配，分組情況如表5所示。

以上三個(gè)方案經(jīng)校核在發(fā)動(dòng)機(jī)上均有實(shí)施可行性。

4? 效果驗(yàn)證

為對(duì)以上的優(yōu)化方案進(jìn)行充分驗(yàn)證，筆者最終選擇兩種組合驗(yàn)證方案進(jìn)行開(kāi)展：

①活塞銷取消DLC涂層，活塞銷與連桿進(jìn)行分組裝配，裝配前連桿、活塞、活塞銷進(jìn)行預(yù)涂油潤(rùn)滑。經(jīng)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)啟動(dòng)至運(yùn)行10秒左右均有“噠噠噠”異響，但異響聲較反饋的故障問(wèn)題有改善作用，熱機(jī)狀態(tài)無(wú)“噠噠噠”異響聲。 對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿襯套、活塞銷拆解檢測(cè)，連桿襯套內(nèi)部過(guò)熱燒蝕的情況較改善前有明顯改善，活塞銷表層未見(jiàn)明顯磨痕。尺寸檢測(cè)結(jié)果，連桿襯套最大磨損量為4μm（表6），較改善前的磨損量減少16μm。

②活塞銷取消DLC涂層，活塞銷與連桿進(jìn)行分組裝配，增加機(jī)油噴嘴，裝配前連桿、活塞、活塞銷進(jìn)行預(yù)涂油潤(rùn)滑。經(jīng)驗(yàn)證，冷機(jī)啟動(dòng)無(wú)異響，熱機(jī)狀態(tài)無(wú)“噠噠噠”異響聲。增加機(jī)油冷卻噴嘴前后的機(jī)油壓力對(duì)未見(jiàn)明顯差異，判斷對(duì)其他潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)無(wú)影響。對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿襯套、活塞銷拆解檢測(cè)，連桿襯套內(nèi)部過(guò)熱燒蝕的情況較改善前有明顯改善，活塞銷表層未見(jiàn)明顯磨痕。尺寸檢測(cè)結(jié)果，連桿襯套最大磨損量為2μm（表7），較改善前的磨損量減少20μm。

通過(guò)以上兩個(gè)驗(yàn)證方案的結(jié)果可以看出，方案一、方案二對(duì)改善連桿襯套異常磨損有的改善效果，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)啟動(dòng)無(wú)異響反饋，連桿襯套無(wú)燒蝕異常磨損情況，方案二改善效果優(yōu)于方案一。

5? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響的分析和研究，我們發(fā)現(xiàn)連桿小頭和活塞銷配合、材料硬度差及潤(rùn)滑效果是影響活塞連桿組件工作噪聲及可靠性的幾個(gè)最重要因素，對(duì)后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。本文中的整個(gè)問(wèn)題排查過(guò)程和方式方法也對(duì)同類問(wèn)題的排查和解決具有重要的參考價(jià)值。

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