淺談發動機軸瓦的失效模式

張治國，趙世來

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淺談發動機軸瓦的失效模式

張治國，趙世來

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

發動機是一種是將熱能轉化為機械能的一種裝置，它是汽車的核心部件。在發動機內部設計著高速旋轉的曲柄連桿機構，軸瓦也是此機構中不可缺少的零件之一，軸瓦分為連桿瓦和主軸瓦，它的應用能夠滿足發動機的可靠性，運轉平穩性，維修方便，成本低廉，它是決定發動機是否能夠長期可靠運轉的關鍵零件。失效分析是零部件的難點問題，文章主要講述了常見故障引起的軸瓦失效模式和安裝錯誤引起的軸瓦的失效模式，分別通過出現的現象，進行具體原因分析。這是經驗的總結和知識的積累，希望對今后設計有指導作用。

軸瓦；發動機；可靠性；失效模式

1 前言

發動機是將熱能轉化為動能的一種裝置，最終驅動汽車行駛，它是汽車的心臟。在發動機中存在很多摩擦副，例如，活塞銷與活塞銷孔、環與缸壁、活塞與缸壁、軸瓦與曲軸的主軸頸、軸瓦與連桿軸頸。發動機工作時，就會存在摩擦。

軸瓦是一種由金屬材料作為鋼背，并與減摩擦圖層結合在一起構成的一種零件。已經被廣泛應用在汽車發動機上，發動機上軸瓦主要是指主軸瓦和連桿軸瓦。軸瓦在設計時很簡單，成本很低廉，但是，它卻是決定發動機是否能夠長期可靠運轉的關鍵零件。

失效分析是汽車行業中難點工作，尤其發動機零件的失效，因為工作時，一直處于高溫，高壓的環境，例如，軸瓦在工作時，承受高壓的氣體壓力的作用，工作條件復雜，失效模式多種多樣，所以分析問題時，不僅要借用專業的檢測設備，往往也需要我們儲備的知識和積累的經驗才能解決。

2 故障分析

發動機試驗驗證階段，軸瓦相對于其他零件發生的失效的機率要多些，經常會出現想不到的問題，基于不同的故障現象，失效原因也是多種多樣，對于軸瓦失效模式進行分類總結，可以根據不同的失效狀態推斷故障的原因，對發動機工作狀況研究是很有好處的。現在向大家分享一下軸瓦失效的常見現象和發生的原因。

2.1 腐蝕

2.1.1 現象

腐蝕的典型現象，在軸瓦表面形成黑色合成物或者表面出現小凹槽。見圖 1。

圖1

2.1.2 分析原因

腐蝕是潤滑油工作后產生的有害物質在軸瓦合金上發生化學反應。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，這些有害物反應速度會加劇，導致軸瓦表面一種或多種合金剝落，或形成脆性氧化物。曲軸箱竄氣或者高硫含量燃料的燃燒，再加上無機酸的形成，也會一起對軸瓦進行腐蝕。

2.2 熱疲勞

2.2.1 現象

表面大部分區域抗磨材料脫落，有被燒焦的痕跡，鋼背裸漏在外。見圖 2。

圖2

2.2.2 分析原因

運行的軸瓦出現異高溫現象，溫度高于圖層的熔點，在這種情況下，鉛和錫將會融化，與銅分離，表面涂層失去鋼背的支撐，材料剝落。

2.3 潤滑油不足

2.3.1 現象

潤滑油不足，導致軸瓦與軸頸之間產生干摩，由于摩擦現象長時間存在，金屬表面融化，材料就會剝落，磨損機會逐漸加劇。見圖 3。

圖3

2.3.2 分析原因

（1）由于雜質或者異物的存在，部分潤滑通道阻塞。

（2）選擇軸瓦尺寸過小，油壓建立不起來。

（3）主軸瓦上瓦和下瓦裝反，導致主油道無法供油。

（4）油泵或減壓閥功能失效，失去工作能力。

2.4 氣蝕

2.4.1 現象

軸瓦內表面部分區域被腐蝕，一些嚴重腐蝕能穿透軸瓦合金層厚度，達到鋼背。見圖 4。

圖4

2.4.2 分析原因

氣蝕屬于點蝕的一種損壞形式，是軸瓦合金層上的潤滑油產生了汽泡，并且突然爆破而形成的。發動機在循環運轉中，加載在軸瓦上的載荷，迅速變化，導致軸瓦的潤滑油膜的壓力也隨之迅速改變。這種壓力變化隨次數的增加而越來越高，使得軸瓦和曲軸的變化也越大。

軸瓦氣蝕有以下四種情況：

吸氣引起腐蝕，發生在曲軸運動之后。

換氣引起的腐蝕，發生在曲軸運動之前。

氣穴流動引起的腐蝕。

氣穴撞擊引起的腐蝕。

2.5 間隙過大

2.5.1 現象

軸瓦側面邊界部分的合金變形。見圖 5。

圖5

2.5.2 分析原因

假如曲軸軸頸尺寸比推薦的最小值還小，軸瓦內徑比推薦的最大值還大，這樣會導致潤滑間隙比允許值大。間隙大，沒有液態壓力支撐，曲軸與軸瓦接觸，引發軸瓦表面變形。

2.6 軸向間隙不足

2.6.1 現象

曲軸高載荷時，軸瓦邊沿和內表面過渡磨損，其他部分正常磨損。在磨損區域，產生融化和合金層剝落。見圖 6和見圖 7。

圖 7

2.6.2 分析原因

由于不正確安裝，或曲軸壓在軸瓦邊沿，導致間隙不足。從某種程度上來講，引起異常摩擦和潤滑油膜缺乏，溫度上升，直到鉛從銅合金層分離，這些區域完全破壞。

2.7 固體雜質

2.7.1 現象

外界物質侵入到合金層上，導致合金層移位，也可能導致軸瓦表面有劃傷。見圖 8。

圖8

2.7.2 分析原因

圖9

潤滑油中的灰塵，污垢，磨削和金屬顆粒吸附在軸瓦表面，使合金材料移位，這些發射出來的合金材料和微粒達到曲軸上，引起局部摩擦，損壞潤滑油膜。見圖 9。

2.8 橢圓形內腔

2. 8.1 現象

軸瓦邊沿附近區域過渡磨損。見圖 10。

圖10

2.8.2 分析原因

由于連桿在交變負荷下會發生彎曲，內腔變成橢圓形，軸瓦也形成這種趨勢，因此內表面形成橢圓形。由于內腔變形，軸瓦分隔間隙明顯變小，這將導致合金層與曲軸之間相互撞擊。見圖 11。

圖11

2.9 軸瓦半徑高不足

2.9.1 現象

軸瓦背面或某些可見光亮區域，也包括分割區表面。見圖 12。

圖12

2.9.2 分析原因

緊固不夠，必要的徑向壓力難以形成，軸難以保持在軸瓦內腔內正常運轉。由于接觸不充分，軸瓦會發生跳動導致摩擦，熱量增加。

導致軸瓦高度不足的原因：扭矩不足；軸瓦內腔尺寸超差；螺栓虛假力矩。

2.10 頂部移動

2.10.1 現象

兩片軸瓦接近分隔區域的對稱面上過度磨損。見圖13。

圖13

2.10.2 分析原因

軸瓦頂部發生位移，會迫使兩片軸瓦的一邊靠在曲軸上，主要由以下原因引起：緊螺栓時，扭矩不足；瓦片錯位；孔、銷或其他中心位置改變；曲軸在磨削過程中，中心移位；重新使用連桿或軸瓦螺栓。

2.11 曲軸軸徑失圓

2.11.1現象

軸瓦出現偏磨現象，單側磨損，兩側同時發生磨損，中間部分發生磨損。見圖14、圖 15、圖 16。

圖14

圖15

圖16

2.11.2 分析原因

曲軸軸頸插圖分別闡述了三種故障現象。

圖17

曲軸軸頸失圓使得施加在軸瓦表面的載荷不均勻，在某些區域產生高負荷，加速磨損。軸瓦與曲軸之間的間隙變小，產生金屬撞擊。

3 結論

以上是軸瓦的主要失效現象和原因的分析，在解決發動機問題時，首先是按照經驗來判斷可能發生的什么問題，如果無法判斷，采用專用的，同時要結合數據，進行具體問題，具體分析。在開發試驗階段，由于發動機工作條件復雜，必然會出現復雜的現象。一旦發現問題，我們應做到及時分析，及時解決，直到驗證通過。

軸瓦的各種失效模式往往是發動機各系統中運行故障的不同體現，因此在工程實踐中對各種失效模式的積累和分析是重要基礎工作。

[1] 周龍保.等.內燃機學.[M]北京:機械工業出版社,1999.

[2] 楊連生.內燃機設計.[M]北京:中國農業機械出版社,1981.

[3] 萬欣,林大淵.內燃機設計[M].天津:天津大學出版社,1992.

Talking about engine bearing bush failure mode

Zhang Zhiguo, Zhao Shilai

( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

The engine is a device that converts thermal energy into mechanical energy. It is the core part of a car.Crank connecting rod system with high-speed rotation is designed in the engine.The bearing bush includes a connecting bearing and a main shaft bearing.,Its application can meet the reliability of the engine, running stability, convenient maintenance, low cost, it is the key part to determine whether the engine can be reliable for a long time.Failure analysis is a difficult problem of parts,This paper mainly introduces the failure mode of bearing bush caused by common faults and the failure mode of bearing bush caused by installation errors,Through the phenomenon that appears respectively, undertake specific reason analysis.This is a summary of experience and knowledge of the accumulation of future design guidance.

Bearing bush;Engine;Reliability;Failure mode

U464

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1671-7988(2019)09-188-04

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張治國，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發動機設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.061