發動機臺架試驗活塞油環刮片翻邊故障解析

陽玲 張瑞強

摘 要：汽車發動機試驗是一項嚴謹的科學工作，檢驗是一項重要的工作環節，他關乎各種產品的質量。本文以發動機臺架試驗活塞環油環刮片翻邊故障為研究對象，詳細解析闡述活塞環的設計及工藝裝配要求，再通過案例解析活塞環刮片運行性能試驗驗證、失效模式分析，并制定裝配改進方案。

關鍵詞：活塞環 工藝裝配 試驗驗證

Abstract：Automobile engine test is a rigorous scientific work， inspection is an important link in the work， he is related to the quality of various products. In this paper， the flanging failure of piston oil ring in engine bench test is taken as the research object， the design and process assembly requirements of piston ring are analyzed in detail， and then the operation performance test verification and failure mode analysis of piston ring scraper are analyzed through the case， and the assembly improvement scheme is formulated .

Key words：piston oil ring， process assembly， verification by test

活塞環是嵌在活塞槽溝內部的金屬環，是影響發動機性能的核心零部件之一，其主要作用是密封、刮油、導熱和支撐。活塞環分為氣環和油環。目前汽油發發動機大多采用兩道氣環和一道油環的三道環方案。從活塞頂部往下數：第一道環是氣環，主要起密封和導熱作用，用來減少燃燒室內的氣體漏到曲軸箱、將熱量從活塞傳導至氣缸套；第二道環也是氣環，主要起密封和部分刮油作用；第三道環是油環，從缸壁上刮除機油，有效地控制發動機機油消耗量，同時在氣缸壁上涂一層均勻的機油膜，這樣既可以防止機油竄入氣缸燃燒，又可以減小活塞、活塞環與氣缸之間的摩擦阻力。

活塞環是發動機中唯一三維運動的零件，活塞環在環槽內的運動十分復雜，包含了上下運動、徑向運動、回轉運動等。掌握其性能、結構、安裝特點，是提高發動機可靠性和使用壽命的重要保證，因此活塞環有嚴格的設計及裝配要求。為保證裝配后的活塞環能實現刮油及密封的功能，以及防止活塞與氣缸壁直接接觸，在設計時，需要活塞環在自然狀態下有一定的彈張量，讓活塞環有適當的彈力，且不脫出環槽，如圖1。

1 尺寸設計要求

結合“活塞高溫燒融拉缸、活塞漏氣大、冷機噠噠異響、拉缸燒機油”等常見故障處置的經驗，在研發設計時，需對活塞及活塞環關鍵尺寸進行校驗核算，其中活塞環的關鍵尺寸為切向彈力、面壓、表面處理、自由開口、閉口間隙、環高、徑向厚度、截面形狀以及油環刮片的關鍵尺寸。在尺寸校核過程中需對活塞裙部活塞環裝配及使用應力進行核算比對，要求安裝和工作應力均小于設計應力要求，可以滿足要求。為了確保活塞環的彈力，活塞環自然狀態下有一定的彈張量，從而裝配后實現刮油及密封的功能。如為了達到活塞三環自然狀態下，不脫出環槽，如下圖3。

2 裝配技術要求

為確保活塞、活塞環、活塞以及連桿等配合零部件順暢工作，在安裝時需將活塞頂部箭頭指向正時端并確保活塞卡簧裝配凹槽在排氣側，連桿凸起標記在進氣側，如圖2所示。安裝活塞環時，需注意以下4點：

（1）一環與二環開口錯開約180°，一環與三環開口之間錯開45°～90°，且活塞環的開口位置不要在主副推力面方向。

（2）活塞一環和二環采用擴張法安裝，擴張后允許的自由開口尺寸不能超過21mm。注意安裝時，不能對活塞一環和二環進行垂直于活塞環平面的扭曲。

（3）活塞三環刮片采用垂直于活塞環平面內的扭曲安裝時，扭曲角度不能超過自由狀態下活塞環平面的±45°。

（4）所有的活塞環在安裝時應避免產生永久性變形。

3 活塞環運行性能試驗

某單位某機型發動機在“正時磨損度試驗”運行過程中，在發動機運行至1000r/min扭矩86N·m工況時，缸第3至4缸之間出現異響。停機后采用內窺鏡檢查缸體缸內情況，發現第4缸孔內壁刮傷嚴重。將發動機下臺架拆解檢查發現，第4缸活塞油環下刮片部分脫出變形，如圖4。

3.1 活塞片翻邊故障現象

活塞環刮片自然狀態下，當開口位置處于最外端的情況下，開口處整個刮片均脫離活塞環槽，C機型活塞環刮片較軟，該狀態下自上而下裝配活塞，活塞環被擠壓翻邊。

3.2 設計參數比對

對活塞各關鍵點直徑進行檢測并按圖進行校驗核算，保證活塞環配合尺寸符合設計要求，同是對活塞環如下理論計算：

3.2.1 活塞環面壓

3.2.2 徑向彈力與切向彈力的關系

Fd=2.05 Ft—對熱處理和不經熱處理的鑄鐵材料；

Fd=2.15 Ft—對球墨鑄鐵材料。

3.2.3 閉合應力

閉合應力σb是環裝入缸套后所產生的應力值，對矩形截面環的σb，根據自由開口m表示為：

3.2.4 張開應力

活塞環的最大應力發生于裝配時，因為環必須撐開得足夠大以使內輪廓能夠滑過活塞的外徑。資料上對張開應力σbü標準公式的介紹是基于閉合應力與張開應力相等的假設，這個假設僅對特定的自由開口m和d/a比值才是正確的，對其它自由開口值m用這個公式時會引起較大的誤差。DIN/ISO活塞環標準在確定環的尺寸時，用到了一個新的計算張開應力的公式，它對各種自由開口m均有效，并且還充分考慮了采用錐套安裝時的情況，然而用起卻非常復雜。按嚴密的數學關系得出：

σ——最外圓的應力；

ρ1——環在未受力狀態下的曲率半徑；

ρ2——環在受力狀態下的曲率半徑，在同一點測量。

對以上環節進行核算，并要求通過熱拉缸試驗、冷拉缸試驗、發動機臺架耐久試驗及整車耐久試驗等驗證。

3.3 裝配過程分析

圍繞人、機、料、法、環、測等方面進行分析，在安裝方案核查時發現，在活塞裝配過程中，將活塞總成放入工裝缺口附近時，沒有確認活塞三環是否已經安裝到槽內，如圖5，導致安裝時未能及時發現活塞油環翻邊的問題，最終導致發動機運行一段時間后出現拉缸和異響。

3.4 試驗數據分析

在試驗故障發生前，試驗過程數據正常，性能參數達標，試驗參數穩定，如圖6。

4 活塞環翻邊處置方案

修訂活塞環裝配工藝方案，在裝配活塞連桿總成過程，將整片油環刮片包括開口附近裝進環槽，并在裝進導套時確保為進槽狀態，避免開口處刮片翻邊。同時修訂活塞總成裝配工藝方案和作業指導書，在活塞總成裝機時，在放入工裝缺口附近后，確認活塞三環已經安裝到槽內，避免開口處刮片翻邊；同時，重新校核活塞、活塞環和氣缸孔的尺寸鏈，在設計限值范圍內，增加活塞三環岸名義尺寸至74.20，以降低油環安裝時脫出的風險。

5 改進后試驗驗證

控制計劃中裝配活塞連桿總成過程，將整片油環刮片包括開口附近裝進環槽，并在裝進導套時確保為進槽狀態，避免開口處刮片翻邊，如圖7。在裝配標準作業指導書中增加修訂裝配工藝和作業要求，增加作業過程活塞環開口按壓作業。經過多臺發動機裝配檢查，未再發現活塞環翻邊故障。

在修正活塞三環岸名義尺寸和調整裝配過程安裝要求后，杜絕了活塞油環翻邊問題，并重新裝機開展發動機“310h發動機正時系統耐磨損度試驗”，試驗驗證通過。后續其他臺架試驗過程中，該問題亦未再發，證明本次對策有效。

6 結語

針對某機型發動機活塞油環翻邊問題的診斷分析，對故障產生的原因提出了設計上和裝配工藝上的改進方法，具有很好的借鑒意義：

（1）設計活塞環時，為了確保活塞環的彈力，活塞環自然狀態下有一定的彈張量，且不脫出環槽，從而裝配后實現刮油及密封的功能。因此在設計時，需考慮活塞三環在自然狀態下不脫出環槽；

（2）安裝活塞環時，需在發動機裝配作業指導書中做好明確要求，要求整片油環刮片包括開口附近裝進環槽，并在裝進導套時檢查確認為進槽狀態，避免開口處刮片翻邊

（3）通過修正活塞三環岸名義尺寸和調整裝配過程安裝要求，重新裝機開展“310h發動機正時系統耐磨損度試驗”通過，且后續沒有再發，證明本次故障采取的設計和裝配對策有效，在后續設計開發中可借鑒執行。

參考文獻：

[1]馮春晃.《工程機械內燃機》大連海事大學出版社.

作者簡介

陽 玲：（1987—），女，漢族，廣西桂林人，中級工程師，學士學位。研究方向：發動機智能制造。

張瑞強：（1987—），男，漢族，河南人，高級工程師，學士學位。研究方向：發動機智能制造。