藍(lán)恒

摘要：汽車發(fā)動機(jī)活塞是發(fā)動機(jī)中的重要零件之一，它與活塞環(huán)、活塞銷等零件組成活塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃?xì)庾饔昧Σ⑼ㄟ^活塞銷和連桿把動力傳給曲軸，以完成內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的工作過程。由于活塞處于一個高速、高壓和高溫的惡劣工作環(huán)境，極易出現(xiàn)各種各樣的故障模式，分析各種故障模式產(chǎn)生的原因，有助于設(shè)計及生產(chǎn)過程中不斷改善，能有效提升發(fā)動機(jī)質(zhì)量，達(dá)成客戶滿意。關(guān)鍵詞：粉碎；磨損；潤滑；過熱

1活塞簡介

一般活塞都是圓柱形體，根據(jù)不同發(fā)動機(jī)的工作條件和要求，活塞本身的構(gòu)造有各種各樣，一般將活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分，如圖1所示。頭部是指活塞頂端和環(huán)槽部分。活塞頂端完全取決于燃燒室的要求，頂端采用平頂或接近平頂設(shè)計有利于活塞減少與高溫氣體的接觸面積，使應(yīng)力分布均勻。多數(shù)汽油機(jī)采用平頂活塞，有些發(fā)動機(jī)（例如直噴式柴油機(jī)和新型的缸內(nèi)噴注汽油機(jī)）為了混合氣形成的需要，提高燃燒效率，將爆燃減少到最小程度，需要活塞頂端具有較復(fù)雜的形狀，設(shè)有一定深度的凹坑作為燃燒室的一部分?；钊陌疾鄯Q為環(huán)槽，用于安裝活塞環(huán)?；钊h(huán)的作用是密封，防止漏氣和防止機(jī)油進(jìn)入燃燒室?；钊共渴侵富钊南虏糠郑淖饔檬潜M量保持活塞在往復(fù)運(yùn)動中垂直的姿態(tài)，也就是活塞的導(dǎo)向部分?；钊N座是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發(fā)動機(jī)活塞銷座的特別之處在于銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向一側(cè)偏移一點點，即向作功行程時活塞接觸缸壁的一側(cè)偏移，這樣當(dāng)活塞到上止點變換方向后活塞敲擊缸壁的程度會減少，從而減少了發(fā)動機(jī)噪聲。

1.1活塞粉碎：即發(fā)動機(jī)出故障后某個缸活塞已全部粉碎，其碎片大小不一，部分掉落在油底殼上（如圖2），大塊碎片卡在缸孔里面，缸孔出現(xiàn)磨損、連桿彎曲變形（如圖3）。

故障現(xiàn)象：發(fā)動機(jī)怠速或行駛時出現(xiàn)較大異響，且異響聲隨著轉(zhuǎn)速增加頻率增大，同時車上能感覺到發(fā)動機(jī)劇烈的震動或抖動，隨著發(fā)動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，會出現(xiàn)缸體打壞或發(fā)動機(jī)突然抱死熄火情況，嚴(yán)重危及駕駛員及車上乘客的安全。

故障特性：多發(fā)生在新車剛下線或新購車上，在高速或快速行駛之后，行駛里程一般不到100km，故障發(fā)生前通常無任何征兆，故障發(fā)現(xiàn)時發(fā)動機(jī)已經(jīng)拋錨或損壞，故障修復(fù)成本高，需要更換活塞連桿甚至整臺發(fā)動機(jī)。

故障分析：首先，完成碎片收集。收集所有故障相關(guān)的碎片，將碎片按照各子零件進(jìn)行分類，盡可能將所有子零件的碎片找全，比如活塞、活塞環(huán)等，不能隨意將碎片丟棄；同時嘗試將碎片拼出子零件的樣式，進(jìn)一步確認(rèn)零件碎片是否齊全，有沒有其他的異物或碎片混入其中。該故障缸相應(yīng)零件都出現(xiàn)不同程度的損壞，其基本功能如點火、壓縮及其做功等都已無法正常進(jìn)行，所以會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)劇烈抖動及異響等情況。然后，查找發(fā)動機(jī)活塞粉碎的影響因素：活塞粉碎除了自身的碎片外，未發(fā)現(xiàn)別的異物進(jìn)入，可認(rèn)定為活塞連桿總成套件運(yùn)行時被打碎，另外從燃燒室、火花塞、缸孔、連桿表面碰傷損壞情況也能印證。很明顯活塞粉碎是受外力作用，而外力主要來源于曲軸旋轉(zhuǎn)時連桿的往復(fù)運(yùn)動作用力，通常該作用力是保證氣缸能正常完成吸氣、壓縮及排氣過程，只有活塞連桿組零件中活塞銷位置出現(xiàn)變化時（如圖4），單個活塞銷孔受力，且成杠桿機(jī)構(gòu)狀態(tài)，在活塞連桿組高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，反復(fù)作用于單個活塞銷孔，最終導(dǎo)致該活塞銷孔撕裂，活塞銷孔撕裂后，活塞與連桿及活塞銷分離，活塞靜止在缸孔里，連桿則在曲軸的帶動下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，連桿小頭及活塞銷不斷撞擊活塞，導(dǎo)致活塞粉碎。最后，確定活塞銷竄動原因?；钊N通過活塞銷孔的兩端的卡簧固定，當(dāng)某一側(cè)的卡簧缺失時，活塞銷就會往這一側(cè)竄動，活塞銷竄動時因不斷受力頭部在銷孔內(nèi)相應(yīng)留下痕跡。判斷活塞銷往哪一側(cè)竄動可以通過銷孔上的痕跡判斷（如圖5），背離痕跡方向即為活塞銷竄動方向，說明這一側(cè)的活塞銷卡簧缺失或先脫落。

1.2活塞磨損：活塞頭部與環(huán)槽區(qū)域、裙部與缸孔接觸形成的表面損傷。

故障現(xiàn)象：怠速或急加速時發(fā)動機(jī)異響，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加到一定范圍后（通常在2500轉(zhuǎn)/分以上），該異響聲逐漸被發(fā)動機(jī)轟鳴聲掩蓋。

故障特性：該故障開始發(fā)生時只出現(xiàn)發(fā)動機(jī)有異響，但隨著發(fā)動機(jī)的繼續(xù)使用，異響聲會慢慢變大，同時還會伴隨發(fā)動機(jī)冒藍(lán)煙、機(jī)油消耗快等現(xiàn)象，嚴(yán)重也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火，無法啟動。

故障分析：活塞磨損是活塞最常見的故障模式，磨損位置不同其影響因素也不一樣，以下是最常見的三種磨損形式：

1.2.1間隙不足引起的磨損：活塞和缸孔的間隙在兩者的尺寸關(guān)系出現(xiàn)偏差的情況下會在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時導(dǎo)致缸孔變形，或者在過高溫度影響下，導(dǎo)致間隙變得過小甚至消失。另外，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞的溫度要明顯高于缸孔，這就勢必導(dǎo)致活塞和缸孔的熱膨脹會互不相同，活塞的熱膨脹程度要明顯大于包圍著它的缸孔。一旦活塞和缸孔間的間隙減小，由于缸孔壁上的油膜因活塞膨脹被擠開，會首先產(chǎn)生混合磨擦。之后，活塞裙的支承面會首先被磨光。由于混合磨擦以及因此所產(chǎn)生的磨擦熱量，部件的溫度會進(jìn)一步升高。在此過程中，活塞會進(jìn)一步壓迫氣缸壁，使得氣缸壁上的油膜完全失去作用。此時，活塞將在缸孔內(nèi)無潤滑運(yùn)行，導(dǎo)致接觸面被磨光且呈深色。間隙不足引起的特征可以歸納為：高光的受壓點，并漸漸過渡為光滑且呈深色的磨損痕跡，磨損既出現(xiàn)在受壓側(cè)，同時也會出現(xiàn)在對應(yīng)的壓力側(cè)。如圖6。

1.2.2無潤滑運(yùn)行造成的磨損：此種磨損在缸孔和活塞間隙足夠的情況下也會發(fā)生，由于溫度過高或者由于燃油過盈，造成局部位置上的油膜中斷，導(dǎo)致在這些位置上，活塞、活塞環(huán)及缸壁在沒有潤滑的情況下相互磨擦，繼而在短時間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損的表面。另外，當(dāng)潤滑油不足時，也就是說在活塞和缸壁間完全沒有形成潤滑油膜層的情況下，也會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。其特點可以歸納總結(jié)為：a）在油膜中斷的情況下，主要是在活塞裙部上產(chǎn)生相互擠在一起且毫無過渡的磨損。其表面嚴(yán)重磨損并且呈現(xiàn)深色，在磨損的開始階段往往在活塞的對面一側(cè)找不到任何磨損跡象；b）在潤滑油不足的情況下，除了磨損表面的顏色不同以外，其他都與上面描述的油膜被中斷的情況相同。磨損部位表面呈現(xiàn)金屬純色而非深色。由于潤滑油不足會體現(xiàn)在整個缸壁上，因此在磨損發(fā)生初期就已經(jīng)可以在受壓側(cè)以及對應(yīng)壓力側(cè)看到磨損的跡象。如圖7。

1.2.3過熱造成的磨損：對于因過熱造成的磨損，油膜會因為溫度過高而發(fā)生中斷。接下來會首先導(dǎo)致混合磨擦并出現(xiàn)部分磨損痕跡。隨著磨損進(jìn)一步加劇，由于磨損部位的溫度進(jìn)一步增高，導(dǎo)致活塞在缸孔內(nèi)完全處于無潤滑狀態(tài)。磨損部位呈現(xiàn)深色并有嚴(yán)重撕裂的痕跡。根據(jù)磨損原因的不同，此類磨損現(xiàn)象可能會首先出現(xiàn)在活塞裙部，也可能會出現(xiàn)在活塞頭部。如圖8。

2結(jié)語

活塞是發(fā)動機(jī)的核心部件，活塞一旦出現(xiàn)異常，發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)馬上發(fā)生變化，比如出現(xiàn)異響，發(fā)動機(jī)冒藍(lán)煙、動力下降等。在此也提醒廣大用戶朋友，當(dāng)車子出現(xiàn)異常時，切勿盲目行駛，安全停車并向車輛服務(wù)商或?qū)I(yè)技術(shù)人員尋求技術(shù)支持以獲取對方的幫助和確認(rèn)。