車用內燃機軸瓦早期失效原因分析

張東成

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

車用內燃機軸瓦正常使用過程中，只有非常小或沒有微粒呈現在軸瓦表面上。在這種情況下軸瓦有一個相當長的壽命循環周期。下面主要論述軸瓦在早期的失效原因及糾正方法。

1 車用內燃機軸瓦早期失效原因分析

軸瓦的常規磨損很大部分發生在發動機啟動或最初運行階段。本文主要闡述腐蝕、疲勞、潤滑油不足、氣蝕、間隙、雜質、軸瓦高度缺陷、連桿變形、曲軸變形、缸體變形等原因造成的軸瓦早期失效原因及應對措施。

1.1 失效原因一：腐蝕

腐蝕的典型現象表現為在軸瓦表面形成黑色合成物或小凹槽。腐蝕是潤滑油組成物在軸瓦合金上產生化學反應形成的。這些象水或發動機運行時潤滑劑氧化產生的氧化物不屬于潤滑系統，當軸瓦在腐蝕環境中運行時這些有害反應會加劇，導致軸瓦合金表面一種或多種合金元素剝落，或形成脆性氧化物。在第一階段，受腐蝕的金屬由于本身附著性差和強度疲勞脫離母體，在滑行表面上易脆裂的氧化層也由于疲勞或腐蝕剝落，少數附著性強的顆粒仍停留在這些表面上。潤滑油工業已經開發出添加劑來阻止發動機長時間運行過程中潤滑油氧化，極大降低了氧化危害， 但是并沒有完全消除它。發動機運行產生的熱量加速了氧化過程。軸瓦裸露在空氣和水里，或與潤滑油中的其它材料，包括能產生接觸反應的金屬，也會產生腐蝕。其它產生腐蝕的原因包括曲軸箱竄氣或高硫磺含量燃料燃燒，以及無機酸的形成都會引起腐蝕。

避免發生腐蝕的方法一般是從潤滑油入手，即根據規定更換潤滑油或縮短潤滑油更換期限。如果是曲軸箱竄氣引起的腐蝕，則要排除活塞環、缸孔和油氣分離器故障。

1.2 失效原因二：疲勞

普通疲勞：由于不正常或循環壓力引起強度疲勞，即達到了載荷峰值。疲勞斷裂起源于過載，垂直傳播到軸瓦表面上，達到軸瓦合金和支持材料（鋼背）焊縫以前，斷裂改變了其方向，平行傳播到焊縫。由于軸瓦材料分離，這些斷裂會相互連接。最常見的疲勞發生在三層軸瓦合金的最上層，當斷裂發生，經過垂直傳播后，它將平行傳播到鍍鎳層，導致一些區域鍍鎳層減少。

對于普通疲勞現象，需要檢查發動機運行溫度和載荷情況，消除可能存在的缺陷。

熱疲勞：當軸瓦的運行溫度高于熔點或高于錫的熔點，由于軸產生相當大的牽引力，防摩擦材料達到其熱碎裂點。在這種情況下，鉛和錫將會熔化，與銅分離，表面涂層失去鋼背支撐，因此材料剝落。熱條件下產生的易脆性是由于軸瓦某些區域過度受熱而形成的。過度受熱還能引起徑向間隙不足，產生雜質，曲軸頸部變形，缸體與曲軸中心線不重合等問題。

避免軸瓦發生熱疲勞需要根據標準間隙安裝軸瓦，更換潤滑油時要保證潤滑油絕對清潔。另外在發動機裝配時要去除所有加工殘渣和污垢，在安裝新軸瓦之前應仔細觀察所有曲軸頸部尺寸，核實缸體和曲軸中心重合度。

1.3 失效原因三：軸瓦潤滑油不足

軸瓦和軸承間潤滑油不足或潤滑油膜稀釋，將磨損軸瓦電鍍層，一般由垂直間隙不足、潤滑油稀釋或發動機長時間低速運轉造成的。潤滑油的缺乏，將導致軸瓦與曲軸軸頸相互撞擊，抗摩擦材料的剝落使得磨損加劇。當軸瓦由于缺乏潤滑油或潤滑油稀釋失效時，它的運行表面變得光亮。如果嚴重缺乏潤滑油，軸瓦表現為其與軸頸接觸的表面區域沿軸方向材料被剝落。

軸瓦潤滑不足通常由以下原因造成：部分潤滑油通道阻塞；選擇軸瓦尺寸過小；主軸瓦裝反（如下軸瓦反裝為上軸瓦）、機油泵功能不好。避免軸瓦潤滑不足需要在選擇新軸瓦時要檢查曲軸頸部尺寸、檢查油泵的工作狀況，避免使發動機長時間在低速下運轉、檢查潤滑油含燃油的稀釋情況。

1.4 失效原因四：氣蝕

氣蝕的一種損壞形式是軸瓦抗摩擦合金層上瞬間低壓油蒸氣泡爆炸而形成的。發動機循環運行中加載在軸瓦上的載荷在強度和方向上迅速起伏，導致軸瓦的潤滑油膜壓力迅速改變。這種壓力變化隨次數的增加越來越高，使得軸瓦和曲軸頸部的變形也變大。另外，曲軸潤滑油孔潤滑油流速過快，凹槽、窄溝、尖角等不連續的面引起的潤滑油流速改變也會引起軸瓦氣蝕。

軸瓦氣蝕主要有以下四種情況：吸氣引起的腐蝕；換氣引起的腐蝕；氣穴流動引起的腐蝕；氣穴撞擊引起的腐蝕。

避免軸瓦氣蝕的措施：按照設計要求粘度使用潤滑油；檢查潤滑油油壓；避免潤滑油被污染；檢查裝配間隙。

1.5 失效原因五：間隙

間隙過大：假如曲軸或曲軸頸部尺寸比推薦值最小值還小，而且軸瓦內腔尺寸比推薦的最大值還大，這樣會導致潤滑油間隙比允許的值大。間隙過大使得曲軸沒有液態動力支撐，曲軸與軸瓦表面接觸，引起軸瓦抗摩擦層融化或表面變形。表現為軸瓦側面邊界部分抗磨擦層合金變形/移位，引起微粒刮傷軸瓦表面。

軸向間隙不足 (縱向)：由于不正確安裝或曲軸壓在軸瓦邊緣引起電鍍層或金屬板位置不正確，導致間隙不足。從某種程度上說，引起摩擦和潤滑油膜缺乏，溫度上升，直到鉛從銅合金層分離，這些區域完全損壞。一般表現為軸瓦邊緣和在內表面曲軸高載荷端過度磨損，其它部分正常磨損。在磨損區域，產生熔化和抗摩擦金屬合金剝落。

1.6 失效原因六：雜質

固體雜質：潤滑油中的灰塵、污垢、磨削和金屬顆粒吸附在軸瓦表面上，損壞潤滑油膜，使抗磨合金材料移位，也可能使軸瓦表面有刮傷。

內腔雜質：軸瓦內腔及背面有雜質導致接觸面不充分并削弱熱量流動。這些區域的熱量和局部載荷使軸瓦疲勞強度上升，材料分離。

建議安裝新軸瓦時仔細遵照清洗指導清洗軸瓦，按照規定的時間間隔更換潤滑油和濾清器，保持濾清器和曲軸箱清潔。

1.7 失效原因七：連桿變形

連桿彎曲或扭曲：連桿彎曲或扭曲，內腔錯位，產生高壓力區域，甚至可能產生軸瓦和曲軸勁部金屬撞擊。一般表現為兩片軸瓦對應面對稱過度磨損。

橢圓形內腔：由于連桿在交變負荷下彎曲，內腔變成橢圓形。軸瓦也有形成這種形狀的趨勢，因此內表面形成橢圓形。由于內腔變形，軸瓦的分隔間隙明顯減小，這將導致抗磨擦合金與曲軸頸部之間的金屬撞擊。

1.8 失效原因七：軸瓦高度缺陷和軸瓦移位

軸瓦高度不足：緊固不夠，必要徑向壓力難以形成，軸瓦難以保持在軸瓦腔內。由于接觸面不充分，熱量流動困難，同時軸瓦跳動的其它磨擦，使得熱量增加。一般表現為軸瓦背面或某些表面可見一些光亮區域（拋光區域）。

導致軸瓦高度不足的原因有：由于軸瓦間分隔表面有灰塵和毛刺，軸瓦遠離內腔； 扭矩不足；螺栓與螺孔端部干涉；軸瓦內腔尺寸超過規定直徑。一般處理措施為：在扭緊螺母和螺栓之前，清洗軸瓦分隔表面；檢查軸瓦內腔尺寸和整體情況；使用合格的螺栓螺母并按照設計扭矩打緊。

軸瓦高度過高：在把軸瓦裝入曲軸腔內時，軸瓦分隔表面有凸出。當扭緊螺栓時，它將壓在曲軸內腔表面上，產生相當大的徑向接觸壓力。

最常見的原因是分隔表面重新加工（軸瓦分隔區、缸體或連桿被研磨過，重新加工連桿內腔來獲取內腔圓度）和螺栓擰緊扭矩過大。

頂部移位：軸瓦頂部移位， 迫使兩片軸瓦的一邊靠在曲軸上。這主要由以下原因引起：扭緊螺栓時，扭矩不足；瓦片倒置；孔、銷或其它中心位置改變；曲軸在磨削過程中中心移位；再使用連桿或軸瓦螺栓。一般表現為兩片軸瓦接近分隔區域的對稱面上過度磨損。

1.9 失效原因八：曲軸變形

曲軸變形：由于處理不足，存儲方式不對或極度條件下運行都有可能引起曲軸變形。曲軸變形使主軸瓦過載，在最高扭曲點形成高壓，由于這些原因也會導致間隙減小，軸瓦和曲軸頸部產生金屬撞擊。一般表現為在一付主軸瓦上部或下部有明顯的磨損條紋。這種磨損從一片軸瓦轉移到另一片軸瓦，但總的來說主要表現在中心軸瓦上。

曲軸頸部失圓：曲軸頸部失圓使得在軸瓦表面上的載荷不均衡，在某些區域產生高負荷，加速磨損。軸瓦與曲軸之間間隙變小，產生金屬撞擊。一般表現為軸瓦表面呈不均衡的磨損條紋。根據最高壓產生的區域，有三種區分形式，下面曲軸頸部插圖分別闡述了這三種故障現象。

圖1 曲軸頸部失圓

曲軸R角半徑影響：由于倒角半徑不正確，引起軸瓦側面區域金屬撞擊，導致過度磨損和早期局部強度疲勞。表現為軸瓦側面區域過度磨損。

1.10 失效原因九：缸體變形

突然加熱和冷卻系統缺少溫度調節閥是導致發動機缸體變形的原因之一。不良運行環境（如：發動機過載）、缸蓋螺栓扭緊程序不正確也會引起發動機缸體變形。由缸體變形導致的軸瓦失效主要表現在主軸瓦副上部或下部能觀察到很明顯的摩擦條紋。這種磨損可以從一片軸瓦延伸到另一片軸 瓦但總的來說，主要集中在中心軸瓦上。

2 結論

本文從故障導致軸瓦失效和裝配導致軸瓦失效兩方面分析了內燃機軸瓦早期失效原因。通過經驗分析，系統地總結了相關因素對軸瓦失效的影響，為發動機可靠性試驗分析和整車發動機軸瓦故障判斷提供一定的參考。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造(第3版).北京:人民交通出版社,2000.

[2] 張樂山. 軸瓦失效典型案例分析.河北:內燃機與配件.2011(3).