連桿小頭潤滑方式優(yōu)化的可行性分析

莫漢忠，徐成思，王 庚，歐陽天成

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

發(fā)動機作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為設(shè)備的機械能，因其高熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長且可靠性高、輸出功率扭矩強勁等優(yōu)點[1-3]，被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，眾多的零部件在整體的運行程中發(fā)揮著各自不同的作用[4-7]。而作為關(guān)鍵運動構(gòu)件之一的連桿機構(gòu)，其工作狀況的優(yōu)劣將會直接影響到發(fā)動機整體的運行情況，從而決定了整車的性能指標。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與日新月異，生產(chǎn)力不斷的提高，消費者對發(fā)動機整體的NVH（noise，vibration，harshness）性能提出了越來越高的要求，而異響噪音往往在發(fā)動機活塞銷與連桿小頭連接處較容易出現(xiàn)[8-10]。因此，結(jié)合發(fā)動機實際運行工況，識別發(fā)動機的異響噪聲來源，進而消除異響，是不斷提高研發(fā)水平，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[11-12]。

1 異響故障識別

根據(jù)整車部門的反饋，某型號的發(fā)動機在冷機怠速和低速行駛時，發(fā)動機底部發(fā)出“噠噠噠”金屬敲擊異音，異響持續(xù)的時間約為5 min?？紤]到可能引起異響的原因較多，如活塞與連桿的配合、氣門落座、挺柱敲擊、VVT定子與轉(zhuǎn)子的碰撞等，針對可能出現(xiàn)的原因，逐一排查。

首先，要確定發(fā)動機底部發(fā)出的異常響聲是否是由于發(fā)動機各零部件的裝配不當(dāng)造成的。對該型號發(fā)動機進行了整機拆解分析。拆機后發(fā)現(xiàn)，氣門落座、挺柱等配件，VVT定子、轉(zhuǎn)子等均保持良好狀態(tài)，無明顯磨損，無擠壓形變，無表層金屬剝落，表面膠合。而活塞與連桿的配合處的連桿小頭則有異常磨損，聚焦這一配件做進一步分析。

將該型號發(fā)動機放置于半消聲室中進行聲壓測試，分析所采集的噪聲數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，噪聲頻率在3 kHz附近。根據(jù)活塞廠商經(jīng)驗，此頻率噪聲可能來自活塞銷，故先對活塞銷和銷孔的配合情況進行排查。測量得該型號發(fā)動機的配缸間隙為0.028～0.04μm，活塞銷孔與活塞銷間隙為0.005～0.014μm，活塞銷為全浮式連接，與連桿小頭間隙為0.010～0.025μm。由摩擦和噪聲經(jīng)驗圖（圖1）[11-12]分析得到，配缸間隙為0.025～0.035μm（帶涂層）時為摩擦功和噪聲最佳平衡區(qū)域。由于該型號發(fā)動機的配缸間隙為0.028～0.04μm，去掉涂層0.03μm之后，對應(yīng)經(jīng)驗圖中的范圍，因此，判斷該發(fā)動機的活塞銷和銷孔的配合正常，只能進行其他因素的排查。

圖1 配缸間隙、摩擦功與噪聲關(guān)系經(jīng)驗圖

考慮到可能是潤滑方式引起的噪聲異響，將原批次的活塞及連桿，裝配在發(fā)動機試驗臺架上，進行了怠速下8 h的磨合試驗。試驗過程中，從發(fā)動機啟動開始至運行5 min左右，主觀上均能聽到“噠噠噠”的異響噪聲，但在熱機狀態(tài)啟動時，異響聲不明顯。在完成8 h的磨合測試后，觀察連桿小頭，其內(nèi)襯表面的磨損情況如圖2所示。從圖2中可以明顯觀察到，連桿小頭內(nèi)襯表面有清晰可見的磨痕，磨損較為嚴重。通過定量檢測連桿小頭的實際磨損量，發(fā)現(xiàn)連桿小頭孔直徑在磨合后超差2μm，圓柱度超差0.0262 mm，磨損量最大為4μm，活塞銷粗糙度及硬度等均合格，無其他異常。根據(jù)測量結(jié)果，可以判定為連桿小頭孔潤滑不夠充分，導(dǎo)致活塞銷與連桿小頭孔加劇磨損，從而引發(fā)異常噪聲。

圖2 連桿小頭內(nèi)襯表面磨損狀況

2 “異響”噪聲優(yōu)化

針對連桿小頭孔潤滑不夠充分的情況，考慮在連桿小頭頂端開集油孔，以此來收集發(fā)動機運轉(zhuǎn)時濺起的潤滑油滴，達到充分潤滑的作用。為驗證提出方法的可行性，我們設(shè)置了兩組方案進行實驗對照。方案一中使用同批次的連桿及活塞銷，方案二中同樣使用同批次的連桿及活塞銷，同時在連桿小頭頂端開一個集油孔，然后分別裝機進行8 h磨合試驗。其磨合試驗后的測量結(jié)果分別見表1及表2。從磨合試驗后的測試數(shù)據(jù)可以得出，方案一中的連桿小頭襯套磨損量最大為2μm，圓柱度超差0.018 7 mm；方案二中的連桿小頭襯套磨損量最大為2μm，圓柱度超差為0.0078 mm。同時進行了活塞銷磨合前后數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)果見表3和表4。方案一中，2#缸及4#缸對應(yīng)的活塞銷圓柱度分別超差0.002 34 mm和0.002 8 mm；方案二中，3#缸活塞銷圓度超差0.001 66 mm，且2#、3#及4#缸活塞銷圓柱度超差，最大為0.003 35 mm。兩種方案構(gòu)件的磨損量均處于合理范圍內(nèi)。

表1 方案一檢測結(jié)果

表2 方案二檢測結(jié)果

表3 方案一活塞銷檢測結(jié)果

表4 方案二活塞銷檢測結(jié)果

更為直觀的磨合試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。相比于方案一，方案二中磨合試驗后連桿小頭的襯套磨痕明顯更淺，且活塞銷表面無明顯磨痕。而方案一中不論是連桿小頭內(nèi)襯套還是活塞銷表面，均可以觀察到凹槽劃痕，且活塞銷表面還有發(fā)黃的情況。同時在磨合試驗中，方案二條件下從發(fā)動機啟動開始均沒有聽到異響噪聲，而方案一條件下發(fā)動機底部可以聽到明顯“噠噠噠”金屬敲擊的異音。

圖3 連桿小頭襯套磨損狀況

圖4 活塞銷磨損狀況

從以上的測試分析數(shù)據(jù)來看，在連桿小頭前端開集油孔之后，機油更加容易進入到連桿小頭與活塞銷的接觸面中，形成油膜，從而一定程度上改善了潤滑狀況，減小了連桿小頭與活塞銷運動中的磨損撞擊，有效消除了發(fā)動機異響噪聲。

3 總結(jié)

通過對某型號發(fā)動機全浮式活塞銷與連桿小頭連接處發(fā)生異常響聲的原因做了深入探究。通過鎖定異響噪聲的頻率范圍，確定可能出現(xiàn)問題的部件，進而逐一排查了連桿小頭內(nèi)襯套和活塞銷加工標準、配合間隙、潤滑方式等可能引起異響的原因，最終提出了有效可行的方案，消除了發(fā)動機異響噪聲。