（天潤(rùn)曲軸股份有限公司研究所，文登264400）

材料與加工工藝對(duì)連桿襯套可靠性的影響

孫軍，倪培相，于曉東

（天潤(rùn)曲軸股份有限公司研究所，文登264400）

采用成分檢測(cè)、組織觀察、尺寸測(cè)量、受力分析及疲勞試驗(yàn)手段，對(duì)連桿襯套的材質(zhì)、加工尺寸、裝配工藝、襯套實(shí)際受力等進(jìn)行了綜合研究分析，確定襯套可靠性的影響因素。研究結(jié)果表明，CuSn8Ni無(wú)鉛化青銅合金襯套的成分、組織和硬度能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)連桿襯套的實(shí)際使用要求。襯套內(nèi)側(cè)倒角大于外側(cè)倒角，能使襯套外沿受力時(shí)不會(huì)出現(xiàn)底部懸空，保證在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中襯套不會(huì)開(kāi)裂，提高了襯套的可靠性。

連桿襯套裂紋倒角受力分析疲勞試驗(yàn)

1 前言

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸?shù)暮诵牟考?，在工作過(guò)程中，它承受周期性變化的燃燒氣體壓力和往復(fù)慣性力作用，機(jī)械負(fù)荷嚴(yán)重，工作條件惡劣，因此對(duì)其強(qiáng)度的要求十分苛刻。連桿在發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫、高速環(huán)境下，自身的抗拉壓性能有著非常嚴(yán)格的要求[1]。連桿的可靠性一直是人們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)研究和改進(jìn)過(guò)程中關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。連桿小頭孔與襯套配合屬于厚壁圓筒與薄壁圓筒的過(guò)盈配合[2]。

某發(fā)動(dòng)機(jī)廠家對(duì)連桿進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)多支連桿小頭襯套內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致連桿提前失效。本文主要從襯套的材料、尺寸、裝配工藝和連桿加工尺寸等方面進(jìn)行理論和試驗(yàn)分析，對(duì)連桿襯套可靠性進(jìn)行了研究，從而確定尺寸、加工、裝配等各方面對(duì)襯套可靠性的影響，為連桿的生產(chǎn)制造提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)作用。

2 試樣制備

首先把襯套制成化學(xué)成分試樣、金相組織和硬度試驗(yàn)試樣，對(duì)襯套材料進(jìn)行成分、組織和硬度檢測(cè)，確定襯套材料的可靠性。

按正常加工工藝加工一批連桿試樣，檢測(cè)連桿小頭各項(xiàng)尺寸，從中抽取10支合格樣品。分別加工內(nèi)倒角大于外倒角、內(nèi)倒角小于外倒角的襯套各5件。加工過(guò)程中要保證該10件襯套的承載區(qū)寬度小于連桿小頭孔的承載區(qū)寬度。

3 試驗(yàn)設(shè)備

利用LAVMB18A型直讀光譜儀、HB－3000型布氏硬度計(jì)、連桿綜合測(cè)量?jī)x、HOMMEL-T8000表面粗糙度輪廓儀、連桿襯套裝配等設(shè)備分別對(duì)襯套材料、連桿和襯套尺寸、襯套受力情況及貼合等進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)及分析

4.1 襯套材料對(duì)可靠性的影響

連桿襯套材料的選用首先要考慮內(nèi)燃機(jī)連桿小頭軸承的工作條件和工作狀況。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)連桿小頭軸承的工作狀況，所設(shè)計(jì)和制造的連桿襯套應(yīng)達(dá)到下列主要要求：承載能力高，耐磨性好，冷態(tài)與工作狀態(tài)下軸承尺寸變化小，質(zhì)量輕，摩擦系數(shù)小，裝配狀態(tài)可靠性好等[3]。根據(jù)上述要求，襯套生產(chǎn)廠家選用了高強(qiáng)度無(wú)鉛化青銅合金CuSn8Ni材料作為合金鍍層，該材料是近幾年國(guó)外開(kāi)發(fā)的高耐磨、抗疲勞、抗腐蝕、無(wú)鉛合金材料，用于增壓強(qiáng)化連桿襯套[4]。

4.1.1 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)連桿小頭襯套的材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1襯套的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果看，該型號(hào)襯套的化學(xué)成分符合CuSn8Ni合金材料的技術(shù)要求。

表1 襯套化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果單位：質(zhì)量百分比

4.1.2 金相組織分析

圖1是襯套鋼背與合金層交接處的金相組織圖，圖2是襯套合金層的金相組織圖。從圖中可以看出，鋼背與合金鍍層連接良好，兩者間沒(méi)有開(kāi)裂或起層現(xiàn)象。合金鍍層組織經(jīng)硝酸高鐵和乙醇混合溶液腐蝕后出現(xiàn)黑色的均勻彌散的δ相，屬于正常的CuSn8Ni青銅合金組織。

圖1 .襯套鋼背與合金層(500×)

4.1.3 硬度檢測(cè)

對(duì)連桿小頭襯套進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2襯套的硬度檢測(cè)結(jié)果看，該型號(hào)襯套的硬度符合技術(shù)要求，強(qiáng)度合格。

通過(guò)對(duì)襯套的化學(xué)成分、金相組織和硬度檢測(cè)結(jié)果分析，表明襯套采用CuSn8Ni材料對(duì)可靠性不會(huì)產(chǎn)生不良影響。

圖2 .襯套合金層組織(500×)

表2 襯套硬度檢測(cè)結(jié)果

4.2 襯套尺寸對(duì)可靠性的影響

對(duì)上述加工的10件成品襯套，分別進(jìn)行外觀、粗糙度、襯套寬度、厚度等進(jìn)行檢測(cè)。除內(nèi)倒角兩項(xiàng)外，其它各項(xiàng)檢測(cè)均符合設(shè)計(jì)要求，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 襯套尺寸檢測(cè)結(jié)果

4.3 承載區(qū)對(duì)可靠性的影響

圖3是連桿小頭和襯套的實(shí)際有效承載區(qū)示意圖。分別檢測(cè)上述加工的10個(gè)襯套和10支連桿的承載區(qū)寬度，并進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)襯套承載區(qū)寬度均小于連桿承載區(qū)寬度，襯套的外邊緣完全在連桿小頭內(nèi)壁寬度范圍之內(nèi)。該尺寸保證襯套受力時(shí)，不會(huì)由于襯套伸出連桿小頭孔外造成外緣懸空而導(dǎo)致襯套開(kāi)裂[5]。如果襯套承載區(qū)寬度大于連桿小頭承載區(qū)寬度，襯套外邊緣會(huì)伸出連桿小頭外，當(dāng)襯套受力時(shí)，襯套外緣沒(méi)有支撐，容易導(dǎo)致開(kāi)裂。

4.4 倒角對(duì)襯套可靠性的影響

1#-5#襯套內(nèi)倒角大于外倒角，見(jiàn)圖5； 6#-10#襯套內(nèi)倒角小于外倒角，見(jiàn)圖6。2種襯套的倒角尺寸保證了后續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的可對(duì)比性。連桿綜合測(cè)量?jī)x檢測(cè)襯套的內(nèi)外倒角尺寸，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 襯套實(shí)際承載區(qū)示意圖

圖4 連桿及襯套承載區(qū)寬度對(duì)比圖

圖5 襯套內(nèi)倒角大于外倒角

圖6 襯套內(nèi)倒角小于外倒角

把上述加工的10件襯套分別按照正常裝配工藝裝配到經(jīng)檢測(cè)合格的連桿小頭上，連桿編號(hào)與襯套編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。分別選取襯套內(nèi)倒角大于外倒角和內(nèi)倒角小于外倒角的成品連桿各3支，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。連桿和試驗(yàn)機(jī)之間通過(guò)夾具和軸銷連接，大小頭軸銷均和相匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄銷和活塞銷尺寸一致。試驗(yàn)過(guò)程中連桿大小頭均用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。疲勞試驗(yàn)在1.5倍連桿名義載荷的拉壓力作用下進(jìn)行，循環(huán)次數(shù)超過(guò)1 000萬(wàn)次連桿未出現(xiàn)異常則認(rèn)為連桿合格，小于1 000萬(wàn)次出現(xiàn)裂紋或斷裂則認(rèn)為連桿失效，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以看出，內(nèi)倒角小于外倒角的連桿襯套均失效，拆卸后發(fā)現(xiàn)襯套內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋，而且裂紋均從襯套一側(cè)倒角延伸至內(nèi)部終止，見(jiàn)圖7。而內(nèi)倒角大于外倒角的連桿襯套均未失效，拆卸后觀察襯套內(nèi)壁，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，見(jiàn)圖8。

表4 襯套內(nèi)外倒角尺寸檢測(cè)結(jié)果

表5 連桿疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖7 襯套內(nèi)壁有裂紋

圖8 襯套內(nèi)壁完好

外側(cè)倒角大于內(nèi)側(cè)倒角，會(huì)導(dǎo)致襯套外側(cè)外沿出現(xiàn)懸空，此處成為受力薄弱區(qū)，見(jiàn)圖6。在頻繁的爆發(fā)壓力作用下，缺乏支撐的襯套外沿會(huì)首先開(kāi)裂[6]，連桿疲勞試驗(yàn)失效狀態(tài)很好的證明了這一點(diǎn)。

4.5 襯套裝配對(duì)可靠性的影響

襯套與連桿小頭內(nèi)壁的貼合度對(duì)襯套的可靠性有一定的影響。當(dāng)襯套非貼合總面積不大于總襯套外圓面積的15%時(shí)，襯套不會(huì)由于貼合不良導(dǎo)致失效[7]。

檢測(cè)貼合度的方法是將外壁涂抹紅丹粉的襯套按正常裝配方法壓入連桿小頭孔內(nèi)，然后再壓出，貼合處紅丹粉會(huì)剝落，用透明膠帶拓印襯套外圓表面痕跡，粘貼在預(yù)先制定的網(wǎng)格內(nèi)，即可得出非貼合面積，見(jiàn)圖9。

圖9 貼合度測(cè)量示意圖

為了檢測(cè)襯套與連桿小頭之間的貼合度，抽取10支合格襯套進(jìn)行貼合度試驗(yàn)，試驗(yàn)后計(jì)算得出連桿襯套貼合度均在85%以上。兩者之間85%以上的貼合度保證了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中連桿襯套不會(huì)局部受力過(guò)大引起開(kāi)裂。

5 結(jié)論

⑴CuSn8Ni無(wú)鉛化青銅合金襯套的化學(xué)成分、金相組織和硬度能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)連桿襯套的實(shí)際使用要求。

⑵連桿襯套的受力承載區(qū)寬度要小于連桿小頭孔的受力承載區(qū)寬度，較寬的連桿承載區(qū)保證了襯套受力時(shí)不至于伸出連桿小頭之外導(dǎo)致襯套失效。

⑶連桿襯套的外側(cè)倒角大于內(nèi)側(cè)倒角，使襯套外側(cè)外沿出現(xiàn)懸空，襯套外沿形成受力薄弱區(qū)，容易導(dǎo)致襯套在拉壓力作用下發(fā)生開(kāi)裂。襯套內(nèi)倒角大于外倒角，襯套受力時(shí)外沿有足夠支撐，保證襯套在受力過(guò)程中外沿不會(huì)開(kāi)裂，提高了襯套的可靠性。

1楊連生．內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981：226-228．

2歐貴寶．帶襯套的連桿小頭整體邊界元應(yīng)力的分析[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，1989，10（2）：13-18．

3馬偉.銅鉛合金-鋼燒結(jié)雙金屬材料在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿襯套上的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)，2006，06：44-46．

4李鵬.國(guó)外內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承材料無(wú)鉛化及其應(yīng)用[J]．汽車工藝與材料，2009，07：1-3．

5吳江，陳亮，?；⑸?連桿小頭襯套孔位置綜合誤差糾正方法與分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011,（3）：225-227．

6楊存平．連桿襯套的開(kāi)裂分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2008，44（2）：97-99．

7朱正德．連桿小頭孔襯套壓裝質(zhì)量控制的研究[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012，02（2）：37-44．

Effect of Material and Machining Process on Reliability of Con-rod Bushing

Sun Jun,Ni Peixiang,Yu Xiaodong
（Institute,TianRun Crankshaft Co.,Ltd.,Wendeng 264400,China）

To determine the factors effecting on the reliability of a con-rod bushing,investigation of the material,size,assembling process and stress of the bushing is carried out by a comprehensive analysis from its chemical composition and microstructure,dimension,assembly process,stress to its fatigue test.The results show that the composition,microstructure and hardness of the bushing made of CuSn8Ni lead-free bronze alloy can meet the requirement of an engine con-rod bushing.But when the outside chamfer of a bushing is larger than inside one,crack happens on the outer edge of a bushing due to the issue of hang over. Therefore the inside chamfer must be designed to be larger than outside one to avoid such crack,so as to ensure the reliability of the bushing in actual operation.

con-rod bushing,crack,chamfer;stress analysis,fatigue test

來(lái)稿日期：2013-12-19

孫軍（1974-），男，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.011