莫漢忠，徐成思，王 庚，歐陽(yáng)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(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械能，因其高熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)且可靠性高、輸出功率扭矩強(qiáng)勁等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，眾多的零部件在整體的運(yùn)行程中發(fā)揮著各自不同的作用[4-7]。而作為關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之一的連桿機(jī)構(gòu)，其工作狀況的優(yōu)劣將會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)整體的運(yùn)行情況，從而決定了整車的性能指標(biāo)。近年來(lái)，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(fèi)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體的NVH（noise，vibration，harshness）性能提出了越來(lái)越高的要求，而異響噪音往往在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)的異響噪聲來(lái)源，進(jìn)而消除異響，是不斷提高研發(fā)水平，實(shí)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(shí)別

根據(jù)整車部門(mén)的反饋，某型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)怠速和低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)底部發(fā)出“噠噠噠”金屬敲擊異音，異響持續(xù)的時(shí)間約為5 min。考慮到可能引起異響的原因較多，如活塞與連桿的配合、氣門(mén)落座、挺柱敲擊、VVT定子與轉(zhuǎn)子的碰撞等，針對(duì)可能出現(xiàn)的原因，逐一排查。

首先，要確定發(fā)動(dòng)機(jī)底部發(fā)出的異常響聲是否是由于發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的裝配不當(dāng)造成的。對(duì)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了整機(jī)拆解分析。拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)，氣門(mén)落座、挺柱等配件，VVT定子、轉(zhuǎn)子等均保持良好狀態(tài)，無(wú)明顯磨損，無(wú)擠壓形變，無(wú)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(jìn)一步分析。

將該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)放置于半消聲室中進(jìn)行聲壓測(cè)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(yàn)，此頻率噪聲可能來(lái)自活塞銷，故先對(duì)活塞銷和銷孔的配合情況進(jìn)行排查。測(cè)量得該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)圖（圖1）[11-12]分析得到，配缸間隙為0.025～0.035μm（帶涂層）時(shí)為摩擦功和噪聲最佳平衡區(qū)域。由于該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的配缸間隙為0.028～0.04μm，去掉涂層0.03μm之后，對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)圖中的范圍，因此，判斷該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞銷和銷孔的配合正常，只能進(jìn)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(yàn)圖

考慮到可能是潤(rùn)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，進(jìn)行了怠速下8 h的磨合試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，從發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始至運(yùn)行5 min左右，主觀上均能聽(tīng)到“噠噠噠”的異響噪聲，但在熱機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，異響聲不明顯。在完成8 h的磨合測(cè)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(jiàn)的磨痕，磨損較為嚴(yán)重。通過(guò)定量檢測(cè)連桿小頭的實(shí)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(wú)其他異常。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可以判定為連桿小頭孔潤(rùn)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(duì)連桿小頭孔潤(rùn)滑不夠充分的情況，考慮在連桿小頭頂端開(kāi)集油孔，以此來(lái)收集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)濺起的潤(rùn)滑油滴，達(dá)到充分潤(rùn)滑的作用。為驗(yàn)證提出方法的可行性，我們?cè)O(shè)置了兩組方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)在連桿小頭頂端開(kāi)一個(gè)集油孔，然后分別裝機(jī)進(jìn)行8 h磨合試驗(yàn)。其磨合試驗(yàn)后的測(cè)量結(jié)果分別見(jiàn)表1及表2。從磨合試驗(yàn)后的測(cè)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(shí)進(jìn)行了活塞銷磨合前后數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。方案一中，2#缸及4#缸對(duì)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(cè)結(jié)果

表2 方案二檢測(cè)結(jié)果

表3 方案一活塞銷檢測(cè)結(jié)果

表4 方案二活塞銷檢測(cè)結(jié)果

更為直觀的磨合試驗(yàn)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(yàn)后連桿小頭的襯套磨痕明顯更淺，且活塞銷表面無(wú)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(shí)在磨合試驗(yàn)中，方案二條件下從發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始均沒(méi)有聽(tīng)到異響噪聲，而方案一條件下發(fā)動(dòng)機(jī)底部可以聽(tīng)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(cè)試分析數(shù)據(jù)來(lái)看，在連桿小頭前端開(kāi)集油孔之后，機(jī)油更加容易進(jìn)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(rùn)滑狀況，減小了連桿小頭與活塞銷運(yùn)動(dòng)中的磨損撞擊，有效消除了發(fā)動(dòng)機(jī)異響噪聲。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)鎖定異響噪聲的頻率范圍，確定可能出現(xiàn)問(wèn)題的部件，進(jìn)而逐一排查了連桿小頭內(nèi)襯套和活塞銷加工標(biāo)準(zhǔn)、配合間隙、潤(rùn)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(dòng)機(jī)異響噪聲。