發(fā)動機連桿軸瓦裝配后變形與異響關系分析

于冬梅 高 波 那長沈

（1.沈陽汽車工業(yè)學院，沈陽 110015；2.沈陽航天三菱汽車發(fā)動機制造有限公司，沈陽 110179）

0 引言

某發(fā)動機制造公司開發(fā)的新型號發(fā)動機（1.6L）連桿軸瓦曾發(fā)生因軸瓦裝配后產(chǎn)生變形導致發(fā)動機異響故障。該新型號發(fā)動機是沿用原基本型1.5L排量發(fā)動機的曲軸、連桿、和軸瓦，技術質(zhì)量狀態(tài)相同，為何在新機型裝機或在整車使用時產(chǎn)生異響，在對異響故障機進行調(diào)查時，分別進行了系統(tǒng)排查故障活動，特別是對曲軸、連桿徑、軸瓦、連桿分別進行了全面的檢測和試驗，均未發(fā)現(xiàn)異常，這成為當時亟待解決的問題。后經(jīng)系統(tǒng)和深入的調(diào)查分析和試驗，最終驗證其連桿軸瓦在裝配后產(chǎn)生不規(guī)則變形是造成發(fā)動機異響的主兇。

1 問題的提出

1.1 發(fā)動機異響的故障模式

在對市場異響故障車進行調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在熱車后且處于怠速750-780rpm狀態(tài)下，發(fā)動機缸體下部發(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，對異響故障發(fā)動機進行拆卸、調(diào)查檢測并未發(fā)現(xiàn)相關零部件及干涉等異常。

多年來，無論是從發(fā)動機生產(chǎn)實踐，還是國內(nèi)外眾多連桿軸瓦專業(yè)制造公司均沒有專項考量連桿軸瓦在裝配后變形的問題，作為連桿軸瓦單品，嚴格按圖紙和相關標準生產(chǎn)、檢測和試驗均滿足要求，為何“合格的”連桿軸瓦在裝配后會產(chǎn)生變形以至于導致異響，其故障模式和失效機理如何？遍查找國內(nèi)外相關資料，尚無關于軸瓦在裝配狀態(tài)下變形量的控制及允許變差的標準介紹。在探訪德國馬勒和美國輝門公司的博士應用工程師，也沒有得到相應的解答。

圖1 發(fā)動機連桿

1.2 連桿軸瓦安裝壓緊后變形的故障模式

1）按軸瓦設計的主導思想，理論上當軸瓦被正確安裝并壓緊時，應保證軸瓦能與連桿內(nèi)孔貼靠良好，并通過對兩片軸瓦的端面對頂傳遞其壓緊力，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)下轉動。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）若當軸瓦存在制造過程不良，或半徑高等參數(shù)控制不良時，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)表面輪廓測繪

2 軸瓦結構及安裝使用狀態(tài)調(diào)查

1）發(fā)動機連桿軸瓦系無定位唇式結構，半徑高為21.508mm；中央壁厚為1.5mm，為非等壁厚軸瓦結構，相對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)動機曲軸連桿的配合關系：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（標準瓦）為：1.5-0.007 mm；瓦端10mm處相對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組別：即1# ：-0.010；2#：-0.007；3#：-0.004；裝配的配合間隙（計算）為0.014-0.059mm。

4）連桿為整體橫向水平漲斷式結構，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，兩片軸瓦端面對頂壓裝，采用兩個M6×35高強螺栓緊固，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構，為保證軸瓦不因沒有定位唇而產(chǎn)生轉動，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頂將壓緊力傳遞到連桿內(nèi)孔四周，見軸瓦的受力簡易示意圖（鋼背為主承載體，忽略摩擦關系），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：檢測連桿半徑高時是在專用靠模上施用的壓緊力為3000N,而實際裝配擰緊連桿時，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)動機在完成活塞與曲軸間的曲柄連桿運動過程中，連桿軸瓦與曲軸連桿徑的配合關系甚為重要，關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，一旦配合關系和油膜間隙出現(xiàn)不良，會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，檢測相關的質(zhì)量特性指標符合要求，但在裝入連桿孔后經(jīng)螺栓壓緊后，實際由上、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，相關圖紙、標準及資料沒有規(guī)范要求，但實踐表明軸瓦內(nèi)孔的實際形位尺寸特性，客觀上直接影響與曲軸徑兩者摩擦副的配合關系和實際使用功能。

3）在實際故障調(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配合關系，如圖5所示。從活塞的運動為吸氣-壓縮-作功-排氣四個階段分析，圖中的A點90o時，即活塞作功向下推動連桿軸瓦與曲軸徑間滑動摩擦運動中的受力關系，當曲軸徑中心迴轉處于90o時，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。

上海印刷集團在堅持印刷這一主營業(yè)務的同時，不斷發(fā)展文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，實施文化創(chuàng)新戰(zhàn)略，打造中國文物保護的文化服務行業(yè)。

當曲軸迴轉到180o后連桿的受力轉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)迅速轉換為下瓦處接觸狀態(tài)，故其轉換的間隙落差較大，當曲軸迴轉到270o時其受力狀態(tài)與90o時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）。

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

5）由前述并結合圖4和圖5的受力及運動狀態(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作用力對頂交匯，其合力為向心的法向方向，對于軸瓦產(chǎn)生向內(nèi)隆起變形的趨勢。當變形隆起達到一定程度（0.004mm左右），且在曲軸運轉到90o點或270o點時，此時，即在原有基本間隙、減薄區(qū)的間隙增量的基礎上再加上和軸瓦變形量，則導致軸瓦和曲軸徑的配合間隙發(fā)生突變，甚至在軸瓦變形達到一定程度時對圓順滑移狀態(tài)產(chǎn)生落差突降，由此產(chǎn)生振動及異響。

6）綜上結合故障機異響的節(jié)律特征，以及活塞連桿曲軸的運動關系的分析可知，在活塞連桿曲軸完成一個工作循環(huán)4個階段的過程中，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反映出的周期性節(jié)律異響關系。

4 連桿軸瓦半徑高等特性對變形的影響分析

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軸瓦變形產(chǎn)生直接影響。

表1 連桿和軸瓦過盈配合計算

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，材料流動受阻將會導致材料失穩(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，實踐測量表明：壓裝后軸瓦產(chǎn)生撐漲力對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，見測量數(shù)據(jù)表2。由于連桿孔結構原因，連桿蓋和連桿體的變形不均稱，通常連桿蓋較為明顯，也是導致軸瓦不規(guī)則變形的因素。

5）實踐中經(jīng)檢測和試驗表明，軸瓦在精鏜過程中的加工夾緊力與半徑高檢測時的壓緊力不協(xié)調(diào)，不僅可造成半徑高檢測失準，同時加工時的壓緊力與軸瓦裝配時壓緊力不協(xié)調(diào)，也會導致軸瓦在壓裝到連桿后不能很好地恢復到原精鏜加工時所形成的內(nèi)表面的輪廓形態(tài)，從而引起非預期的不規(guī)則變形。

6）綜上所述，可見影響軸瓦變形的因素較多，但筆者從分析和實踐的角度認為：引起發(fā)動機異響的主導原因是由于半徑高的控制處于偏上差狀態(tài)，在壓緊后導致軸瓦變形增大，加上如上述分析中提及的軸瓦加工成型引起的材料應力，以及精鏜過程的夾緊力與裝配的擰緊力不匹配，進一步增大的軸瓦的變形量。當連桿和曲軸迴轉到如90o點或270o點時，且是處于10mm減薄量區(qū)域，形成了較大配合間隙突降，故造成了落差振動異響。

表2 測量數(shù)據(jù)

5 改進對策及效果驗證

基于以上分析和認識，采取了如下對策；

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

2）對供應商的軸瓦工藝過程進行了調(diào)整，改進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。

按新對策實施后，將新狀態(tài)的軸瓦壓裝連桿孔后，測量內(nèi)孔表面輪廓圖形良好達到預期控制的要求，顯現(xiàn)的輪廓圖形與圖2（a）基本一致。又通過多臺試驗機交叉試驗和驗證未發(fā)異響效果良好，為此應用新狀態(tài)軸瓦對整車市場上的故障機實施排故以及在后續(xù)的批量裝機及售后市場的反饋均未發(fā)生異響，取得了良好的改進效果。