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某兩缸柴油機(jī)活塞銷咬合問題研究

王乾1,2，胡志遠(yuǎn)2，鄧君1，邢東仕1

（1.上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201206；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

摘要針對某兩缸柴油機(jī)活塞銷咬合問題，從活塞銷的橢圓變形、活塞銷軸承的配合間隙等方面分析了活塞銷咬合的原因，通過調(diào)整活塞銷軸承配合間隙，制訂了活塞銷抗咬合解決方案，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了該機(jī)的活塞銷咬合問題，為活塞銷軸承間隙設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)活塞銷咬合橢圓變形

來稿日期：2015-04-07

1　概述

活塞銷連接活塞與連桿，并承受著周期變化的沖擊載荷。活塞銷與活塞銷孔、連桿小頭孔共同組成活塞銷軸承，由于活塞銷軸承副之間的相對運(yùn)動角度小，難以建立良好的潤滑油膜，潤滑條件較差。一旦潤滑油膜厚度不足或被破壞，就會發(fā)生活塞銷軸承拉毛或咬合。因此，在活塞銷軸承設(shè)計時，不僅要保證有足夠的承載面積，減少接觸應(yīng)力，還應(yīng)該減小活塞銷自身的橢圓變形，并設(shè)計足夠的配合間隙，以保證能建立足夠的潤滑油膜厚度。

為改善某兩缸柴油機(jī)的振動問題，對連桿及活塞、活塞銷組成的總成進(jìn)行了減重設(shè)計。但在隨后的試驗(yàn)驗(yàn)證中，連續(xù)出現(xiàn)了2例活塞銷咬合故障。針對上述活塞銷咬合問題，利用經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行了計算，分析了根本原因，制訂了解決方案，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

2　故障描述

為驗(yàn)證活塞連桿總成的減重效果，安排了2臺發(fā)動機(jī)同時進(jìn)行臺架試驗(yàn)，分別為快速拉缸試驗(yàn)和250 h發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)?？焖倮自囼?yàn)運(yùn)行7 min時，突然故障停機(jī)，且不能再次起動。拆解發(fā)動機(jī)后，發(fā)現(xiàn)第一缸的活塞銷與連桿小頭嚴(yán)重咬合，無法轉(zhuǎn)動，且外表面有發(fā)藍(lán)情況，如圖1所示；同時活塞裙部表面與缸套表面也有大面積拉傷。

而250 h可靠性試驗(yàn)，不僅完成了發(fā)動機(jī)全部工況試驗(yàn)，而且試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)未出現(xiàn)任何異常。但在拆解時發(fā)現(xiàn)活塞銷、連桿小頭孔、活塞銷孔的表面存在明顯拉痕，如圖2所示。

3　原因分析及排查

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致活塞銷咬合的原因主要有如下3種[1]：（1）活塞銷軸承處的配合間隙小，潤滑油膜不易建立，形成干摩擦；（2）活塞銷軸承處變形過大，產(chǎn)生局部干摩擦；（3）潤滑或冷卻不足，摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時被帶走，油膜被破壞，導(dǎo)致干摩擦。而導(dǎo)致上述問題的因素可能是由零部件設(shè)計、質(zhì)量、裝配、試驗(yàn)運(yùn)行等各個環(huán)節(jié)引起，因此排查工作圍繞上述各環(huán)節(jié)展開。

圖1　快速拉缸試驗(yàn)解析結(jié)果

圖2　250 h可靠性試驗(yàn)解析結(jié)果

對250 h耐久試驗(yàn)后的連桿進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示連桿小頭孔的最大磨損量為0.014 mm，而所測得的各截面最大圓度為0.002 mm。由此判斷連桿小頭孔在試驗(yàn)過程中基本沒有變形。

追溯檢查各零件對應(yīng)的檢測報告，活塞銷、活塞銷孔、連桿小頭孔的尺寸公差、位置公差及表面粗糙度均符合圖紙要求。裝配過程也都嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行操作并記錄，可以排除零部件質(zhì)量及裝配過程導(dǎo)致的間隙不合格、變形過大等問題。

試驗(yàn)監(jiān)控記錄顯示，整個試驗(yàn)過程中主油道壓力均保持在400 kPa以上，滿足潤滑設(shè)計要求。拆解后的活塞冷卻噴嘴經(jīng)檢測，功能完好，未見性能下降或失效?；钊N處潤滑主要依靠潤滑油的飛濺，油壓正常且活塞冷卻噴嘴功能完好，說明試驗(yàn)過程中可以提供良好的潤滑條件。

綜合分析，造成活塞銷咬合問題是由于活塞銷軸承處的配合間隙過小、或者活塞銷軸承處變形過大，導(dǎo)致干摩擦而引起。

4　校核計算

活塞銷在氣缸壓力及慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形和橢圓變形?；钊N彎曲變形大，會導(dǎo)致活塞銷座損壞，而活塞銷橢圓變形過大，則會導(dǎo)致配合間隙變小，形成干摩擦，從而引起活塞銷咬合[2]。因此重點(diǎn)檢查活塞銷的橢圓變形情況。

4.1活塞銷的橢圓變形分析

根據(jù)里卡多咨詢公司推薦的Rothmann經(jīng)驗(yàn)公式，計算活塞銷的橢圓變形量公式和所研究的柴油機(jī)各參數(shù)對應(yīng)值如下：

式中，

p——最大氣缸壓力，16 MPa；

D——?dú)飧字睆剑?0 mm；

d——活塞銷外徑，27 mm；

L——活塞銷長度，66 mm；

E——活塞銷材料的彈性模量，MPa；

t——活塞銷壁厚，7 mm。

活塞銷的材料為20Cr合金鋼，其彈性模量E 取2.1×104MPa。由公式（1），可求得活塞銷的最大橢圓變形量為0.017 4 mm。

同樣，根據(jù)里卡多咨詢公司推薦的活塞銷最大橢圓變形量許用值的經(jīng)驗(yàn)公式：

可求得該發(fā)動機(jī)活塞銷橢圓變形量的許用值為0.021 mm。因此活塞銷的橢圓變形量處于合理范圍。

4.2活塞銷軸承的配合間隙分析

活塞銷軸承處的配合間隙包括活塞銷與活塞銷孔的配合間隙、活塞銷與連桿小頭孔的配合間隙。活塞銷孔、活塞銷和連桿小頭孔的尺寸公差如表1所示。

表1　活塞銷等零件尺寸公差

由表1可知，活塞銷與活塞銷孔之間的初始裝配間隙為0.01 mm~0.02 mm?；钊N的體積脹大量按ISO 18669-1標(biāo)準(zhǔn)《內(nèi)燃機(jī)-活塞銷-第1部分：一般要求》進(jìn)行控制，即要求220℃條件下保溫4 h后，外徑膨脹量不大于0.006 mm。因此，在工作時，活塞銷外徑受溫度的影響很小，可以忽略不計。一般情況下，活塞銷座設(shè)計，除能夠承受較高的壓力外，還需采用特殊結(jié)構(gòu)使之有一定彈性，以適應(yīng)活塞銷的變形。且鋁合金活塞的熱膨脹系數(shù)比較大，通常為(17~22)×10-6/℃，在工作時活塞銷孔受熱直徑會脹大，可以抵消活塞銷的橢圓變形量[3]。因此，活塞銷與活塞銷孔的配合間隙處在合

理范圍，并不會受到活塞銷橢圓變形的影響。由表1可知，活塞銷與連桿小頭孔的初始裝配間隙為0.018 mm~0.032 mm。由于連桿小頭及連桿小頭襯套與活塞銷的熱膨脹系數(shù)差別不大，因此活塞銷與連桿小頭孔的配合間隙受溫度影響較小。連桿小頭的下半圓有連桿桿身的加強(qiáng)作用，剛度很大，所以連桿小頭設(shè)計時一般只考慮強(qiáng)度問題?；钊N與連桿小頭孔的初始裝配間隙除抵消活塞銷的橢圓變形外，還應(yīng)有一定的工作間隙用于確保足夠油膜厚度，從而避免干摩擦、咬合[4]。

由下式計算初始裝配間隙啄：

式中，

啄——初始裝配間隙，mm；

啄憶——最小工作間隙，mm。

根據(jù)馬勒公司的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于輕型柴油機(jī)，活塞銷與連桿小頭孔的最小工作間隙為[5]：

啄憶＞6‰d（5）

由公式（4）和（5）可知，活塞銷與連桿小頭孔的初始配合間隙至少應(yīng)大于0.033 6 mm。顯然該機(jī)活塞銷與連桿小頭孔的初始裝配間隙小于計算值，說明活塞銷與連桿小頭孔的初始配合間隙過小，由此導(dǎo)致了活塞銷與連桿小頭孔的咬合。二者咬合后引起溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致活塞銷軸承處的潤滑條件惡化，致使活塞銷孔與活塞銷咬合。

5　解決措施

根據(jù)上述分析，對連桿小頭孔與活塞銷的配合間隙進(jìn)行了調(diào)整，使之符合馬勒公司的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。調(diào)整后的數(shù)據(jù)如表2所示。

連桿按調(diào)整后的設(shè)計方案重新制作樣件，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果表明，該改進(jìn)方案通過了快速拉缸、250 h耐久等一系列試驗(yàn)；活塞銷孔、活塞銷、連桿小頭孔的表面磨損情況得到較大改善，未發(fā)生咬合現(xiàn)象。250 h耐久試驗(yàn)后的解析結(jié)果如圖3所示。

表2　調(diào)整后的各零件公差

圖3　改進(jìn)方案250 h耐久試驗(yàn)解析結(jié)果

6　結(jié)論

通過活塞銷的橢圓變形量、活塞銷軸承處的配合間隙分析與計算，分析了某兩缸柴油機(jī)活塞銷發(fā)生咬合的根本原因，制訂了解決措施、并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果可以對活塞銷軸承間隙設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)

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[5] Mahle Gmbh. Cylinder Components: Properties, Applications, Materials [M]. Vieweg+Teubner, 2010: 35-37.

Study on Piston Pin Scuffing of a Two-Cylinder Diesel Engine

Wang Qian1,2, Hu Zhiyuan2, Deng Jun1, Xing Dongshi1

（1. SAIC Group Co., Ltd., Technical Center, Shanghai 201206, China;

2. Tongji University, School of Automotive Studies, Shanghai 201804, China）

Abstract:To deal with the scuffing issue of piston pin bearing of a two-cylinder diesel engine, the piston pin oval deformation was calculated and the piston pin bearing fit clearances were analyzed to find out the root cause. The scuffing issue was fixed by increasing the clearances between piston pin and small end bush. The solution was validated by engine bench test with good result. The experience can be referenced.

Key words:diesel engine, piston pin, scuffing, oval deformation

作者簡介：王乾（1977-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)設(shè)計開發(fā)。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.009