于冬梅 高 波 那長(zhǎng)沈

（1.沈陽汽車工業(yè)學(xué)院，沈陽 110015；2.沈陽航天三菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司，沈陽 110179）

0 引言

某發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司開發(fā)的新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)（1.6L）連桿軸瓦曾發(fā)生因軸瓦裝配后產(chǎn)生變形導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異響故障。該新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)是沿用原基本型1.5L排量發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、連桿、和軸瓦，技術(shù)質(zhì)量狀態(tài)相同，為何在新機(jī)型裝機(jī)或在整車使用時(shí)產(chǎn)生異響，在對(duì)異響故障機(jī)進(jìn)行調(diào)查時(shí)，分別進(jìn)行了系統(tǒng)排查故障活動(dòng)，特別是對(duì)曲軸、連桿徑、軸瓦、連桿分別進(jìn)行了全面的檢測(cè)和試驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)異常，這成為當(dāng)時(shí)亟待解決的問題。后經(jīng)系統(tǒng)和深入的調(diào)查分析和試驗(yàn)，最終驗(yàn)證其連桿軸瓦在裝配后產(chǎn)生不規(guī)則變形是造成發(fā)動(dòng)機(jī)異響的主兇。

1 問題的提出

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)異響的故障模式

在對(duì)市場(chǎng)異響故障車進(jìn)行調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在熱車后且處于怠速750-780rpm狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體下部發(fā)出帶有節(jié)律類似敲缸的咔咔異音。其節(jié)律約為 3次/秒左右，對(duì)異響故障發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆卸、調(diào)查檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)零部件及干涉等異常。

多年來，無論是從發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)實(shí)踐，還是國內(nèi)外眾多連桿軸瓦專業(yè)制造公司均沒有專項(xiàng)考量連桿軸瓦在裝配后變形的問題，作為連桿軸瓦單品，嚴(yán)格按圖紙和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、檢測(cè)和試驗(yàn)均滿足要求，為何“合格的”連桿軸瓦在裝配后會(huì)產(chǎn)生變形以至于導(dǎo)致異響，其故障模式和失效機(jī)理如何？遍查找國內(nèi)外相關(guān)資料，尚無關(guān)于軸瓦在裝配狀態(tài)下變形量的控制及允許變差的標(biāo)準(zhǔn)介紹。在探訪德國馬勒和美國輝門公司的博士應(yīng)用工程師，也沒有得到相應(yīng)的解答。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿

1.2 連桿軸瓦安裝壓緊后變形的故障模式

1）按軸瓦設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想，理論上當(dāng)軸瓦被正確安裝并壓緊時(shí)，應(yīng)保證軸瓦能與連桿內(nèi)孔貼靠良好，并通過對(duì)兩片軸瓦的端面對(duì)頂傳遞其壓緊力，使其軸瓦在連桿孔圓周方向內(nèi)產(chǎn)生適度的壓潰過盈配合，既不能造成連桿軸瓦壓潰產(chǎn)生變形又能防止軸瓦在工況狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)。故理想或正常的軸瓦安裝狀態(tài)下，其軸瓦內(nèi)表面輪廓如圖2(a)所示。

2）若當(dāng)軸瓦存在制造過程不良，或半徑高等參數(shù)控制不良時(shí)，在安裝壓緊狀態(tài)下則產(chǎn)生變形，平均單片軸瓦中央壁厚處變形隆起量約0.003-0.005mm，其軸瓦內(nèi)表面輪廓如圖2(b)所示。

圖2 軸瓦內(nèi)表面輪廓測(cè)繪

2 軸瓦結(jié)構(gòu)及安裝使用狀態(tài)調(diào)查

1）發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦系無定位唇式結(jié)構(gòu)，半徑高為21.508mm；中央壁厚為1.5mm，為非等壁厚軸瓦結(jié)構(gòu)，相對(duì)中央壁厚處減薄量為0.005-0.015mm；寬度13mm；鋼背厚度為1.20mm；材料為SPC熱軋板帶，合金層厚度0.30mm材料為中錫鋁合金材料，如圖3所示。

圖3 非等壁厚軸瓦

2）發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿的配合關(guān)系：其中曲軸連桿徑為Φ40+0.000 mm ，連桿大頭孔Φ43+0.014 mm，兩片軸瓦合成外徑為43.016+0.011 mm。

3）曲軸連桿軸瓦中央壁厚（標(biāo)準(zhǔn)瓦）為：1.5-0.007 mm；瓦端10mm處相對(duì)中央壁厚的減薄量為-0.005 mm，半徑高為21.508 + 0.055 mm；連桿瓦按中央壁厚公差分為三個(gè)組別：即1# ：-0.010；2#：-0.007；3#：-0.004；裝配的配合間隙（計(jì)算）為0.014-0.059mm。

4）連桿為整體橫向水平漲斷式結(jié)構(gòu)，連桿瓦的裝配方式為：將軸瓦裝入連桿體和連桿蓋半徑圓中，兩片軸瓦端面對(duì)頂壓裝，采用兩個(gè)M6×35高強(qiáng)螺栓緊固，螺栓擰緊力矩為15Nm加90o角度法擰緊（力矩為22Nm）。

5）連桿軸瓦裝配受力狀態(tài)：因軸瓦系無定位唇結(jié)構(gòu)，為保證軸瓦不因沒有定位唇而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并保證軸瓦貼靠連桿孔狀態(tài)良好，通過螺栓壓緊使得兩片軸瓦端面對(duì)頂將壓緊力傳遞到連桿內(nèi)孔四周，見軸瓦的受力簡(jiǎn)易示意圖（鋼背為主承載體，忽略摩擦關(guān)系），如圖4所示。

圖4 連桿軸瓦裝配狀態(tài)受力示意圖

6）連桿軸瓦裝配狀態(tài)的受力分析：檢測(cè)連桿半徑高時(shí)是在專用靠模上施用的壓緊力為3000N,而實(shí)際裝配擰緊連桿時(shí)，施用15Nm加90o角度法擰緊（力矩約為22Nm）其螺栓擰緊軸向力約在13-16KN的壓緊力。

3 軸瓦異響故障失效模式分析

1）發(fā)動(dòng)機(jī)在完成活塞與曲軸間的曲柄連桿運(yùn)動(dòng)過程中，連桿軸瓦與曲軸連桿徑的配合關(guān)系甚為重要，關(guān)鍵是取決于兩者配合狀態(tài)及合理的間隙，既要保證摩擦副間最大實(shí)體尺寸配合狀態(tài)良好并且須形成合理的油膜間隙，一旦配合關(guān)系和油膜間隙出現(xiàn)不良，會(huì)造成軸瓦早期失效或產(chǎn)生異響故障。

2）連桿軸瓦在安裝前在常規(guī)自由狀態(tài)下，檢測(cè)相關(guān)的質(zhì)量特性指標(biāo)符合要求，但在裝入連桿孔后經(jīng)螺栓壓緊后，實(shí)際由上、下連桿軸瓦形成的內(nèi)孔為近似橢圓形輪廓形狀是否能滿足配合和使用要求，相關(guān)圖紙、標(biāo)準(zhǔn)及資料沒有規(guī)范要求，但實(shí)踐表明軸瓦內(nèi)孔的實(shí)際形位尺寸特性，客觀上直接影響與曲軸徑兩者摩擦副的配合關(guān)系和實(shí)際使用功能。

3）在實(shí)際故障調(diào)查中發(fā)現(xiàn)失效連桿軸瓦安裝到連桿內(nèi)孔后，發(fā)現(xiàn)連桿軸瓦受來自螺栓擰緊力并通過連桿體內(nèi)孔表面壓潰后，軸瓦內(nèi)表面出現(xiàn)異常變形如圖2(b)所示，由圖4可見其變形規(guī)律與連桿軸瓦在連桿孔內(nèi)的受力關(guān)系相吻合，在中央壁厚處為集中受力區(qū)域其變形量最為凸顯。

圖5 曲軸、連桿、軸瓦工作狀態(tài)受力分析

4）連桿軸瓦與曲軸連桿徑的工作狀況及主受力點(diǎn)配合關(guān)系，如圖5所示。從活塞的運(yùn)動(dòng)為吸氣-壓縮-作功-排氣四個(gè)階段分析，圖中的A點(diǎn)90o時(shí)，即活塞作功向下推動(dòng)連桿軸瓦與曲軸徑間滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)中的受力關(guān)系，當(dāng)曲軸徑中心迴轉(zhuǎn)處于90o時(shí)，此狀態(tài)曲軸徑與軸瓦減薄區(qū)的作用最大，且處于軸瓦減薄區(qū)域。

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當(dāng)曲軸迴轉(zhuǎn)到180o后連桿的受力轉(zhuǎn)換為連桿軸瓦向上推拉桿活塞的排氣階段，即由原上瓦接觸狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為下瓦處接觸狀態(tài)，故其轉(zhuǎn)換的間隙落差較大，當(dāng)曲軸迴轉(zhuǎn)到270o時(shí)其受力狀態(tài)與90o時(shí)的受力基本反向類似，且處于2倍的減薄量區(qū)域（間隙增大0.01-0.03mm）。

當(dāng)活塞連桿及曲軸處于吸氣和壓縮階段時(shí)，其軸瓦與曲軸徑的接觸點(diǎn)及狀態(tài)基本機(jī)理與上述相同，不再累述。

5）由前述并結(jié)合圖4和圖5的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析可知，由于軸瓦在連桿體內(nèi)受到壓潰，在中央壁厚處受兩側(cè)作用力對(duì)頂交匯，其合力為向心的法向方向，對(duì)于軸瓦產(chǎn)生向內(nèi)隆起變形的趨勢(shì)。當(dāng)變形隆起達(dá)到一定程度（0.004mm左右），且在曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)到90o點(diǎn)或270o點(diǎn)時(shí)，此時(shí)，即在原有基本間隙、減薄區(qū)的間隙增量的基礎(chǔ)上再加上和軸瓦變形量，則導(dǎo)致軸瓦和曲軸徑的配合間隙發(fā)生突變，甚至在軸瓦變形達(dá)到一定程度時(shí)對(duì)圓順滑移狀態(tài)產(chǎn)生落差突降，由此產(chǎn)生振動(dòng)及異響。

6）綜上結(jié)合故障機(jī)異響的節(jié)律特征，以及活塞連桿曲軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的分析可知，在活塞連桿曲軸完成一個(gè)工作循環(huán)4個(gè)階段的過程中，若連桿軸瓦產(chǎn)生過量變形均有可能產(chǎn)生異響，也基本符合其故障機(jī)反映出的周期性節(jié)律異響關(guān)系。

4 連桿軸瓦半徑高等特性對(duì)變形的影響分析

1）連桿軸瓦的半徑高尺寸特性是軸瓦承載并傳遞來自螺栓壓緊力的重要特性，單片軸瓦圖紙要求公差為 +0.055mm,兩片軸瓦公差帶之和為：0.06mm，最小過盈0.05；最大過盈0.11；如此變差對(duì)連桿孔與軸瓦配合的過盈量影響是不容忽視，如表1所示，由過盈量計(jì)算可知，過盈量為0.027-0.071mm，在連桿孔尺寸一定的情況下，半徑高公差的尺寸特性將對(duì)軸瓦變形產(chǎn)生直接影響。

表1 連桿和軸瓦過盈配合計(jì)算

2）連桿軸瓦中央壁厚為1.5mm；寬度為13.5mm；鋼背壁厚1.20mm（主支撐材料）；材料為SPC熱軋板帶，由于軸瓦與連桿孔的壓配有0.027-0.071mm的過盈量，鋼背厚度僅為1.2mm薄壁軸瓦在壓載下，其軸瓦在連桿孔內(nèi)受約13-16KN螺栓軸力的壓潰，材料流動(dòng)受阻將會(huì)導(dǎo)致材料失穩(wěn)產(chǎn)生向內(nèi)隆起變形。

4）由于軸瓦裝配過程中存在過盈配合，實(shí)踐測(cè)量表明：壓裝后軸瓦產(chǎn)生撐漲力對(duì)連桿孔周邊本體也產(chǎn)生變形，通常表現(xiàn)在連桿蓋體部分，變形量約在0.005-0.012mm，見測(cè)量數(shù)據(jù)表2。由于連桿孔結(jié)構(gòu)原因，連桿蓋和連桿體的變形不均稱，通常連桿蓋較為明顯，也是導(dǎo)致軸瓦不規(guī)則變形的因素。

5）實(shí)踐中經(jīng)檢測(cè)和試驗(yàn)表明，軸瓦在精鏜過程中的加工夾緊力與半徑高檢測(cè)時(shí)的壓緊力不協(xié)調(diào)，不僅可造成半徑高檢測(cè)失準(zhǔn)，同時(shí)加工時(shí)的壓緊力與軸瓦裝配時(shí)壓緊力不協(xié)調(diào)，也會(huì)導(dǎo)致軸瓦在壓裝到連桿后不能很好地恢復(fù)到原精鏜加工時(shí)所形成的內(nèi)表面的輪廓形態(tài)，從而引起非預(yù)期的不規(guī)則變形。

6）綜上所述，可見影響軸瓦變形的因素較多，但筆者從分析和實(shí)踐的角度認(rèn)為：引起發(fā)動(dòng)機(jī)異響的主導(dǎo)原因是由于半徑高的控制處于偏上差狀態(tài)，在壓緊后導(dǎo)致軸瓦變形增大，加上如上述分析中提及的軸瓦加工成型引起的材料應(yīng)力，以及精鏜過程的夾緊力與裝配的擰緊力不匹配，進(jìn)一步增大的軸瓦的變形量。當(dāng)連桿和曲軸迴轉(zhuǎn)到如90o點(diǎn)或270o點(diǎn)時(shí)，且是處于10mm減薄量區(qū)域，形成了較大配合間隙突降，故造成了落差振動(dòng)異響。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

5 改進(jìn)對(duì)策及效果驗(yàn)證

基于以上分析和認(rèn)識(shí)，采取了如下對(duì)策；

1）下調(diào)和壓縮半徑高公差，由原+0.055mm調(diào)整為+0.040mm；

2）對(duì)供應(yīng)商的軸瓦工藝過程進(jìn)行了調(diào)整，改進(jìn)了加工靠模的退料孔；

3）調(diào)整了加工的壓緊力不協(xié)調(diào)的問題等措施；

4）調(diào)整壓縮了曲軸徑的的上公差0.007mm及連桿內(nèi)孔的上公差0.002mm。

按新對(duì)策實(shí)施后，將新狀態(tài)的軸瓦壓裝連桿孔后，測(cè)量?jī)?nèi)孔表面輪廓圖形良好達(dá)到預(yù)期控制的要求，顯現(xiàn)的輪廓圖形與圖2（a）基本一致。又通過多臺(tái)試驗(yàn)機(jī)交叉試驗(yàn)和驗(yàn)證未發(fā)異響效果良好，為此應(yīng)用新狀態(tài)軸瓦對(duì)整車市場(chǎng)上的故障機(jī)實(shí)施排故以及在后續(xù)的批量裝機(jī)及售后市場(chǎng)的反饋均未發(fā)生異響，取得了良好的改進(jìn)效果。