發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)活塞油環(huán)刮片翻邊故障解析

陽玲 張瑞強(qiáng)

摘 要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)工作，檢驗(yàn)是一項(xiàng)重要的工作環(huán)節(jié)，他關(guān)乎各種產(chǎn)品的質(zhì)量。本文以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)活塞環(huán)油環(huán)刮片翻邊故障為研究對(duì)象，詳細(xì)解析闡述活塞環(huán)的設(shè)計(jì)及工藝裝配要求，再通過案例解析活塞環(huán)刮片運(yùn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證、失效模式分析，并制定裝配改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán) 工藝裝配 試驗(yàn)驗(yàn)證

Abstract：Automobile engine test is a rigorous scientific work， inspection is an important link in the work， he is related to the quality of various products. In this paper， the flanging failure of piston oil ring in engine bench test is taken as the research object， the design and process assembly requirements of piston ring are analyzed in detail， and then the operation performance test verification and failure mode analysis of piston ring scraper are analyzed through the case， and the assembly improvement scheme is formulated .

Key words：piston oil ring， process assembly， verification by test

活塞環(huán)是嵌在活塞槽溝內(nèi)部的金屬環(huán)，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的核心零部件之一，其主要作用是密封、刮油、導(dǎo)熱和支撐?；钊h(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)。目前汽油發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用兩道氣環(huán)和一道油環(huán)的三道環(huán)方案。從活塞頂部往下數(shù)：第一道環(huán)是氣環(huán)，主要起密封和導(dǎo)熱作用，用來減少燃燒室內(nèi)的氣體漏到曲軸箱、將熱量從活塞傳導(dǎo)至氣缸套；第二道環(huán)也是氣環(huán)，主要起密封和部分刮油作用；第三道環(huán)是油環(huán)，從缸壁上刮除機(jī)油，有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量，同時(shí)在氣缸壁上涂一層均勻的機(jī)油膜，這樣既可以防止機(jī)油竄入氣缸燃燒，又可以減小活塞、活塞環(huán)與氣缸之間的摩擦阻力。

活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)中唯一三維運(yùn)動(dòng)的零件，活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，包含了上下運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。掌握其性能、結(jié)構(gòu)、安裝特點(diǎn)，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和使用壽命的重要保證，因此活塞環(huán)有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)及裝配要求。為保證裝配后的活塞環(huán)能實(shí)現(xiàn)刮油及密封的功能，以及防止活塞與氣缸壁直接接觸，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要活塞環(huán)在自然狀態(tài)下有一定的彈張量，讓活塞環(huán)有適當(dāng)?shù)膹椓Γ也幻摮霏h(huán)槽，如圖1。

1 尺寸設(shè)計(jì)要求

結(jié)合“活塞高溫?zé)诶?、活塞漏氣大、冷機(jī)噠噠異響、拉缸燒機(jī)油”等常見故障處置的經(jīng)驗(yàn)，在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)活塞及活塞環(huán)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行校驗(yàn)核算，其中活塞環(huán)的關(guān)鍵尺寸為切向彈力、面壓、表面處理、自由開口、閉口間隙、環(huán)高、徑向厚度、截面形狀以及油環(huán)刮片的關(guān)鍵尺寸。在尺寸校核過程中需對(duì)活塞裙部活塞環(huán)裝配及使用應(yīng)力進(jìn)行核算比對(duì)，要求安裝和工作應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)應(yīng)力要求，可以滿足要求。為了確?；钊h(huán)的彈力，活塞環(huán)自然狀態(tài)下有一定的彈張量，從而裝配后實(shí)現(xiàn)刮油及密封的功能。如為了達(dá)到活塞三環(huán)自然狀態(tài)下，不脫出環(huán)槽，如下圖3。

2 裝配技術(shù)要求

為確?；钊⒒钊h(huán)、活塞以及連桿等配合零部件順暢工作，在安裝時(shí)需將活塞頂部箭頭指向正時(shí)端并確?；钊ɑ裳b配凹槽在排氣側(cè)，連桿凸起標(biāo)記在進(jìn)氣側(cè)，如圖2所示。安裝活塞環(huán)時(shí)，需注意以下4點(diǎn)：

（1）一環(huán)與二環(huán)開口錯(cuò)開約180°，一環(huán)與三環(huán)開口之間錯(cuò)開45°～90°，且活塞環(huán)的開口位置不要在主副推力面方向。

（2）活塞一環(huán)和二環(huán)采用擴(kuò)張法安裝，擴(kuò)張后允許的自由開口尺寸不能超過21mm。注意安裝時(shí)，不能對(duì)活塞一環(huán)和二環(huán)進(jìn)行垂直于活塞環(huán)平面的扭曲。

（3）活塞三環(huán)刮片采用垂直于活塞環(huán)平面內(nèi)的扭曲安裝時(shí)，扭曲角度不能超過自由狀態(tài)下活塞環(huán)平面的±45°。

（4）所有的活塞環(huán)在安裝時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生永久性變形。

3 活塞環(huán)運(yùn)行性能試驗(yàn)

某單位某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)在“正時(shí)磨損度試驗(yàn)”運(yùn)行過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至1000r/min扭矩86N·m工況時(shí)，缸第3至4缸之間出現(xiàn)異響。停機(jī)后采用內(nèi)窺鏡檢查缸體缸內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)第4缸孔內(nèi)壁刮傷嚴(yán)重。將發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)架拆解檢查發(fā)現(xiàn)，第4缸活塞油環(huán)下刮片部分脫出變形，如圖4。

3.1 活塞片翻邊故障現(xiàn)象

活塞環(huán)刮片自然狀態(tài)下，當(dāng)開口位置處于最外端的情況下，開口處整個(gè)刮片均脫離活塞環(huán)槽，C機(jī)型活塞環(huán)刮片較軟，該狀態(tài)下自上而下裝配活塞，活塞環(huán)被擠壓翻邊。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)比對(duì)

對(duì)活塞各關(guān)鍵點(diǎn)直徑進(jìn)行檢測(cè)并按圖進(jìn)行校驗(yàn)核算，保證活塞環(huán)配合尺寸符合設(shè)計(jì)要求，同是對(duì)活塞環(huán)如下理論計(jì)算：

3.2.1 活塞環(huán)面壓

3.2.2 徑向彈力與切向彈力的關(guān)系

Fd=2.05 Ft—對(duì)熱處理和不經(jīng)熱處理的鑄鐵材料；

Fd=2.15 Ft—對(duì)球墨鑄鐵材料。

3.2.3 閉合應(yīng)力

閉合應(yīng)力σb是環(huán)裝入缸套后所產(chǎn)生的應(yīng)力值，對(duì)矩形截面環(huán)的σb，根據(jù)自由開口m表示為：

3.2.4 張開應(yīng)力

活塞環(huán)的最大應(yīng)力發(fā)生于裝配時(shí)，因?yàn)榄h(huán)必須撐開得足夠大以使內(nèi)輪廓能夠滑過活塞的外徑。資料上對(duì)張開應(yīng)力σbü標(biāo)準(zhǔn)公式的介紹是基于閉合應(yīng)力與張開應(yīng)力相等的假設(shè)，這個(gè)假設(shè)僅對(duì)特定的自由開口m和d/a比值才是正確的，對(duì)其它自由開口值m用這個(gè)公式時(shí)會(huì)引起較大的誤差。DIN/ISO活塞環(huán)標(biāo)準(zhǔn)在確定環(huán)的尺寸時(shí)，用到了一個(gè)新的計(jì)算張開應(yīng)力的公式，它對(duì)各種自由開口m均有效，并且還充分考慮了采用錐套安裝時(shí)的情況，然而用起卻非常復(fù)雜。按嚴(yán)密的數(shù)學(xué)關(guān)系得出：

σ——最外圓的應(yīng)力；

ρ1——環(huán)在未受力狀態(tài)下的曲率半徑；

ρ2——環(huán)在受力狀態(tài)下的曲率半徑，在同一點(diǎn)測(cè)量。

對(duì)以上環(huán)節(jié)進(jìn)行核算，并要求通過熱拉缸試驗(yàn)、冷拉缸試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)及整車耐久試驗(yàn)等驗(yàn)證。

3.3 裝配過程分析

圍繞人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等方面進(jìn)行分析，在安裝方案核查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在活塞裝配過程中，將活塞總成放入工裝缺口附近時(shí)，沒有確認(rèn)活塞三環(huán)是否已經(jīng)安裝到槽內(nèi)，如圖5，導(dǎo)致安裝時(shí)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)活塞油環(huán)翻邊的問題，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)拉缸和異響。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)故障發(fā)生前，試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)正常，性能參數(shù)達(dá)標(biāo)，試驗(yàn)參數(shù)穩(wěn)定，如圖6。

4 活塞環(huán)翻邊處置方案

修訂活塞環(huán)裝配工藝方案，在裝配活塞連桿總成過程，將整片油環(huán)刮片包括開口附近裝進(jìn)環(huán)槽，并在裝進(jìn)導(dǎo)套時(shí)確保為進(jìn)槽狀態(tài)，避免開口處刮片翻邊。同時(shí)修訂活塞總成裝配工藝方案和作業(yè)指導(dǎo)書，在活塞總成裝機(jī)時(shí)，在放入工裝缺口附近后，確認(rèn)活塞三環(huán)已經(jīng)安裝到槽內(nèi)，避免開口處刮片翻邊；同時(shí)，重新校核活塞、活塞環(huán)和氣缸孔的尺寸鏈，在設(shè)計(jì)限值范圍內(nèi)，增加活塞三環(huán)岸名義尺寸至74.20，以降低油環(huán)安裝時(shí)脫出的風(fēng)險(xiǎn)。

5 改進(jìn)后試驗(yàn)驗(yàn)證

控制計(jì)劃中裝配活塞連桿總成過程，將整片油環(huán)刮片包括開口附近裝進(jìn)環(huán)槽，并在裝進(jìn)導(dǎo)套時(shí)確保為進(jìn)槽狀態(tài)，避免開口處刮片翻邊，如圖7。在裝配標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書中增加修訂裝配工藝和作業(yè)要求，增加作業(yè)過程活塞環(huán)開口按壓作業(yè)。經(jīng)過多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配檢查，未再發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)翻邊故障。

在修正活塞三環(huán)岸名義尺寸和調(diào)整裝配過程安裝要求后，杜絕了活塞油環(huán)翻邊問題，并重新裝機(jī)開展發(fā)動(dòng)機(jī)“310h發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)耐磨損度試驗(yàn)”，試驗(yàn)驗(yàn)證通過。后續(xù)其他臺(tái)架試驗(yàn)過程中，該問題亦未再發(fā)，證明本次對(duì)策有效。

6 結(jié)語

針對(duì)某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞油環(huán)翻邊問題的診斷分析，對(duì)故障產(chǎn)生的原因提出了設(shè)計(jì)上和裝配工藝上的改進(jìn)方法，具有很好的借鑒意義：

（1）設(shè)計(jì)活塞環(huán)時(shí)，為了確?；钊h(huán)的彈力，活塞環(huán)自然狀態(tài)下有一定的彈張量，且不脫出環(huán)槽，從而裝配后實(shí)現(xiàn)刮油及密封的功能。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮活塞三環(huán)在自然狀態(tài)下不脫出環(huán)槽；

（2）安裝活塞環(huán)時(shí)，需在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配作業(yè)指導(dǎo)書中做好明確要求，要求整片油環(huán)刮片包括開口附近裝進(jìn)環(huán)槽，并在裝進(jìn)導(dǎo)套時(shí)檢查確認(rèn)為進(jìn)槽狀態(tài)，避免開口處刮片翻邊

（3）通過修正活塞三環(huán)岸名義尺寸和調(diào)整裝配過程安裝要求，重新裝機(jī)開展“310h發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)耐磨損度試驗(yàn)”通過，且后續(xù)沒有再發(fā)，證明本次故障采取的設(shè)計(jì)和裝配對(duì)策有效，在后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)中可借鑒執(zhí)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮春晃.《工程機(jī)械內(nèi)燃機(jī)》大連海事大學(xué)出版社.

作者簡(jiǎn)介

陽 玲：（1987—），女，漢族，廣西桂林人，中級(jí)工程師，學(xué)士學(xué)位。研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造。

張瑞強(qiáng)：（1987—），男，漢族，河南人，高級(jí)工程師，學(xué)士學(xué)位。研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造。