某柴油機(jī)止推片磨損問(wèn)題的分析及改進(jìn)

毛瑩 楊杰 賀園玲

摘要：針對(duì)某機(jī)型柴油機(jī)在市場(chǎng)出現(xiàn)止推片磨損的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)止推片的裝配、潤(rùn)滑、材質(zhì)檢驗(yàn)，軸向受力及整車配套等方面進(jìn)行排查，得出止推片磨損是因?yàn)槠涑休d的安全系數(shù)小于止推片設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，提出加大止推片承載面積來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證效果良好。

Abstract： Based on a type of engine thrust wear in the market， this paper analysis of the thrust assembly， lubrication， material inspection， stress and vehicle support， ect. It is concluded that the thrust plate wear is due to the safety of axial force is less than the design requirement thrust plate. On this basis， it is proposed to increase the bearing area of thrust plate to solve this problem， which has been proved to be good in the marked.

關(guān)鍵詞：止推片;軸向受力;承載

Key words： thrust plate;axial force;bearing

中圖分類號(hào)：TK428 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0074-03

0 ?引言

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸經(jīng)常受到離合器施加于飛輪的軸向力作用而有軸向竄動(dòng)的趨勢(shì)[1]。曲軸的軸向竄動(dòng)將破壞曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件間正確的相對(duì)位置，故必須用推力軸承（一般是滑動(dòng)軸承）加以限制;而在曲軸受熱膨脹時(shí)，又應(yīng)允許它能自由伸長(zhǎng)，所以曲軸上只能有一處設(shè)置曲軸定位裝置[2]。一般采用滑動(dòng)推力軸承的形式有兩種：①翻邊軸瓦的翻邊部分;②單制的具有減磨合金層的止推片[2]。在輕型柴油機(jī)上通常采用的是半圓形的止推片，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有4片，分別是上下止推片在曲軸主軸頸的某一檔與曲軸組成一對(duì)摩擦副，進(jìn)而調(diào)節(jié)曲軸的軸向間隙。

本文針對(duì)上述結(jié)構(gòu)的止推片在市場(chǎng)上磨損的現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出磨損原因提出改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 ?故障描述

某輕型柴油機(jī)在配套一種車型上接連出現(xiàn)異響，伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)離合器分離不徹底，掛擋困難等問(wèn)題。檢查發(fā)動(dòng)機(jī)前端發(fā)現(xiàn)曲軸前后竄動(dòng)量異常，初步判定是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此類故障大多為短里程故障，其中0-5000公里占比63%，5000-10000公里占比7%，10000-30000公里占比19%，30000公里以上的占比為11%。著重對(duì)故障里程為0-5000公里的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆檢分析，拆開(kāi)油底殼后，發(fā)現(xiàn)有一上一下兩片止推片掉落在油底殼內(nèi)，判定是止推片脫落導(dǎo)致曲軸軸向間隙過(guò)大產(chǎn)生敲缸產(chǎn)生異響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)脫落的均是曲軸后端的止推片，而前端的止推片合金層嚴(yán)重磨損，伴隨著曲軸后端端面磨損，機(jī)體靠近磨損的止推片一面磨損，如圖1所示。

2 ?原因分析

止推片屬于滑動(dòng)軸承類，在工作過(guò)程中，容易受害，針對(duì)上述故障現(xiàn)象，從止推片的裝配、使用、材質(zhì)和設(shè)計(jì)配套方面進(jìn)行排查。

2.1 裝配排查

2.1.1 止推片反裝

我們采用的止推片材料是一種常見(jiàn)材料，SPHC的鋼背和AlSn20Cu的合金層，如果止推片裝反，可能會(huì)導(dǎo)致異常磨損。通常，止推片的鋼背與機(jī)體面接觸，合金層與曲軸面接觸，這樣在曲軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，止推片的鋼背與機(jī)體貼合，止推片的合金層與曲軸之間的油膜保證潤(rùn)滑。如果止推片反裝，止推片的鋼背與曲軸直接接觸，兩種硬度相當(dāng)?shù)牟牧现g會(huì)形成早磨，同時(shí)在故障止推片上會(huì)反應(yīng)出鋼背高溫發(fā)黑并伴隨著嚴(yán)重磨損，這樣的故障通常發(fā)生在早期。目前止推片都采用防錯(cuò)的設(shè)計(jì)，通過(guò)上下止推片的接口及止推片的定位唇來(lái)保證，單個(gè)止推片是無(wú)法反裝的，除非上下止推片同時(shí)反裝，通過(guò)查看故障止推片的狀態(tài)，合金層嚴(yán)重磨損，鋼背輕微發(fā)黑，此現(xiàn)象可排除止推片反裝的可能。

2.1.2 曲軸軸向間隙

止推片的作用就是通過(guò)調(diào)節(jié)曲軸的軸向間隙，防止軸向力對(duì)曲軸造成磨損。止推片工作狀態(tài)中，合金層與曲軸端面不直接接觸，在止推片和曲軸端面之間存在有一定的間隙，在這個(gè)間隙之間有一層潤(rùn)滑油，這樣一來(lái)就可以減少摩擦。[3]這個(gè)間隙就是我們常說(shuō)的曲軸軸向間隙，此機(jī)型的曲軸軸向間隙設(shè)計(jì)值是0.075-0.285mm，對(duì)比同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，此間隙屬于正常范圍，排除曲軸軸向間隙設(shè)計(jì)過(guò)小的原因。

同時(shí)排查了生產(chǎn)接近3000臺(tái)裝機(jī)測(cè)量值，實(shí)測(cè)軸向間隙值程正態(tài)分布狀態(tài)，并且生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)軸向間隙不合格的發(fā)動(dòng)機(jī)整修直到檢測(cè)合格后才放行出廠，因此排除曲軸軸向間隙過(guò)小的因素。

2.1.3 止推片與機(jī)體接觸面積排查

如果機(jī)體與止推片接觸不平會(huì)導(dǎo)致止推片與曲軸之間的油膜無(wú)法形成，同時(shí)如果機(jī)體上止推面深度不夠的話，也容易使止推片脫落。因此，調(diào)取與故障機(jī)同批次3臺(tái)套機(jī)體和止推片，對(duì)主軸承孔止推檔關(guān)鍵尺寸和止推片的內(nèi)外徑及平面度進(jìn)行檢測(cè)，如表1所示，測(cè)量結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，排除止推片與機(jī)體接觸面積不夠和止推片定位的因素。

2.1.4 一軸異常受力現(xiàn)象排查

當(dāng)整車的一軸頂死發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，將會(huì)給曲軸一個(gè)持續(xù)的軸向力，而如果變速箱的一軸與發(fā)動(dòng)機(jī)軸系的同軸度超差時(shí)，曲軸將受到偏斜的外力作用，這樣不利于止推片與曲軸之間油膜的建立，這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致止推片磨損。拆檢故障機(jī)時(shí)，查看曲軸后端頂針孔及飛輪軸承的狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)有一軸頂死和軸承偏斜受力的情況，因此排除一軸異常受力的現(xiàn)象。

2.2 潤(rùn)滑油的影響

潤(rùn)滑油對(duì)止推片的影響因素也是較大的，止推片與曲軸之間是一對(duì)運(yùn)動(dòng)副，正常運(yùn)轉(zhuǎn)是止推片和曲軸不接觸，只有在使用離合器及啟動(dòng)過(guò)程才會(huì)有短暫碰磨，分與離很清晰，有油和油膜的存在，就沒(méi)有干摩擦[3]。如果存在無(wú)潤(rùn)滑油或者機(jī)油壓力不足等因素，就會(huì)造成止推片磨損。通過(guò)對(duì)故障機(jī)拆檢發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)中承載比壓較高的連桿瓦和主軸瓦沒(méi)有異常，并且故障信息中沒(méi)有顯示機(jī)油壓力報(bào)警，所以排除潤(rùn)滑油的影響。

2.3 止推片材料檢測(cè)

止推片的材料決定其承載能力，其中合金層的厚度直接影響止推片的壽命。我們分別對(duì)嚴(yán)重磨損和輕微磨損的止推片進(jìn)行金相和硬度檢測(cè)，金相檢測(cè)如圖2、圖3所示，檢測(cè)出故障止推片的合金層厚度如表2所示。磨損嚴(yán)重的合金層已殆盡，磨損輕微的止推片金相組織無(wú)異常。

故障止推片硬度檢測(cè)結(jié)果如表3所示，四片止推片的合金層及鋼背硬度均符合技術(shù)要求，說(shuō)明在故障發(fā)生前，止推片的材料均符合設(shè)計(jì)要求，排除止推片自身材料不合格的影響因素。

2.4 設(shè)計(jì)配套排查

2.4.1 止推片與曲軸圓角尺寸設(shè)計(jì)排查

首先對(duì)止推片和曲軸圓角部分進(jìn)行設(shè)計(jì)排查，止推片內(nèi)外徑的設(shè)計(jì)需滿足下式：

?式中d內(nèi)、d外指止推片內(nèi)外直徑，D1指曲軸主軸頸直徑，R指曲軸主軸頸圓角，D2指曲軸止推凸臺(tái)外徑。

經(jīng)查核，本機(jī)型設(shè)計(jì)值均滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)對(duì)與故障機(jī)同批次曲軸及止推片進(jìn)行抽檢，實(shí)測(cè)值也滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 后端軸向推力

止推的受力來(lái)源于曲軸正時(shí)齒輪即正時(shí)斜齒輪產(chǎn)生的軸向力和離合器的分離力，有些機(jī)型還有可能存在與曲軸端面接觸的零件產(chǎn)生的軸向力，這個(gè)力一般不大，止推片在設(shè)計(jì)時(shí)，其承載能力需要克服其軸向力。止推片承載能力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式為：

?式中，F(xiàn)為止推片承受的載荷，d1，d2分別是止推片內(nèi)、外直徑;Se為止推片有效承載面積;SM為止推片名義支撐面積，F(xiàn)f為齒輪軸向受力，[P]為止推片支撐面合金材料的許用強(qiáng)度。[3]

本機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)的止推片只承受正時(shí)齒輪產(chǎn)生的軸向力和離合器的分離力，通過(guò)齒輪傳動(dòng)分析計(jì)算得出曲軸正時(shí)齒輪的最大軸向力是1465.62N，如圖4所示。

本機(jī)型止推片有效承載面積是1289mm2，得出此止推片可承受最大載荷是4643N，在整車配套過(guò)程中，因不同整車廠的配套要求不同，我們選用的推式離合器最大分離力從2200N變更為3000N。當(dāng)選用分離力是3000N的離合器時(shí)，止推片的安全系數(shù)僅1.04，不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1.1的要求。

2.4.3 配套離合器排查

在整車配套設(shè)計(jì)時(shí)，離合器的配套不能超出止推片的承載力，同時(shí)要留有一定的安全系數(shù)。在實(shí)際使用過(guò)程中，離合器的實(shí)際分離力與分離行程成正比關(guān)系，分離行程過(guò)大或者卡滯都會(huì)造成分離力過(guò)大，從而使得止推片承載異常[4]。經(jīng)查，此發(fā)動(dòng)機(jī)配套的是推式膜片彈簧離合器，即自由狀態(tài)下離合器與分離軸承之間存在一定的間隙。檢測(cè)多臺(tái)車，一般預(yù)留的軸承間隙是1-2mm，離合器的分離行程大都控制在11-13mm，滿足離合器本體的設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)查看故障機(jī)型的分離軸承，無(wú)卡滯等異常情況。

3 ?優(yōu)化改進(jìn)方案

綜上分析，查出可能存在的問(wèn)題是離合器的最大分離力加大后導(dǎo)致止推片受力的安全系數(shù)降低，不滿足設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致了止推片早磨。

為了解決止推片因承受載荷過(guò)大導(dǎo)早期磨損的問(wèn)題，現(xiàn)提出優(yōu)化止推片的方案，將止推片外徑加大，提升止推片的承載能力，以此來(lái)保證柴油機(jī)的可靠性。加大后止推片在本機(jī)型上，可承受的持續(xù)載荷可達(dá)到3588N，短期載荷可達(dá)到9569N。在選用最大分離力為3000N的離合器時(shí)，止推片的安全系數(shù)將提高至2.14，這樣的承載能力為后續(xù)配套混合動(dòng)力的車型預(yù)留了空間。

4 ?結(jié)論

針對(duì)某柴油機(jī)在市場(chǎng)上止推片磨損脫落的故障模式，通過(guò)排查造成止推片磨損的四大因素：①裝配問(wèn)題;②潤(rùn)滑油的影響;③止推片質(zhì)量問(wèn)題;④止推片設(shè)計(jì)及整車配套。綜合分析后，找到導(dǎo)致此機(jī)型止推片磨損的可能因素是配套大分離力的離合器后，導(dǎo)致止推檔所承受的軸向力超出止推片可承受的范圍，最終導(dǎo)致止推片疲勞磨損。在此基礎(chǔ)上提出加大止推片的承載面積，來(lái)解決止推片承載能力的方案，最終經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證，止推片磨損的故障率大幅下降。

止推片作為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中特殊的零件，為防止止推片脫落的故障，還提出以下建議：①保證止推片與曲軸之間的油膜;②避免止推片受異常外力的影響，著重關(guān)注離合器和變速箱一軸，離合器盡量不要處于半離合狀態(tài);③保證止推片的裝配正確性[5]。

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