汽車發(fā)動機活塞常見故障及其原因探索

藍恒

摘要：汽車發(fā)動機活塞是發(fā)動機中的重要零件之一，它與活塞環(huán)、活塞銷等零件組成活塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃氣作用力并通過活塞銷和連桿把動力傳給曲軸，以完成內(nèi)燃發(fā)動機的工作過程。由于活塞處于一個高速、高壓和高溫的惡劣工作環(huán)境，極易出現(xiàn)各種各樣的故障模式，分析各種故障模式產(chǎn)生的原因，有助于設(shè)計及生產(chǎn)過程中不斷改善，能有效提升發(fā)動機質(zhì)量，達成客戶滿意。關(guān)鍵詞：粉碎；磨損；潤滑；過熱

1活塞簡介

一般活塞都是圓柱形體，根據(jù)不同發(fā)動機的工作條件和要求，活塞本身的構(gòu)造有各種各樣，一般將活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分，如圖1所示。頭部是指活塞頂端和環(huán)槽部分?；钊敹送耆Q于燃燒室的要求，頂端采用平頂或接近平頂設(shè)計有利于活塞減少與高溫氣體的接觸面積，使應(yīng)力分布均勻。多數(shù)汽油機采用平頂活塞，有些發(fā)動機（例如直噴式柴油機和新型的缸內(nèi)噴注汽油機）為了混合氣形成的需要，提高燃燒效率，將爆燃減少到最小程度，需要活塞頂端具有較復(fù)雜的形狀，設(shè)有一定深度的凹坑作為燃燒室的一部分?；钊陌疾鄯Q為環(huán)槽，用于安裝活塞環(huán)。活塞環(huán)的作用是密封，防止漏氣和防止機油進入燃燒室。活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是盡量保持活塞在往復(fù)運動中垂直的姿態(tài)，也就是活塞的導(dǎo)向部分?；钊N座是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發(fā)動機活塞銷座的特別之處在于銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向一側(cè)偏移一點點，即向作功行程時活塞接觸缸壁的一側(cè)偏移，這樣當(dāng)活塞到上止點變換方向后活塞敲擊缸壁的程度會減少，從而減少了發(fā)動機噪聲。

1.1活塞粉碎：即發(fā)動機出故障后某個缸活塞已全部粉碎，其碎片大小不一，部分掉落在油底殼上（如圖2），大塊碎片卡在缸孔里面，缸孔出現(xiàn)磨損、連桿彎曲變形（如圖3）。

故障現(xiàn)象：發(fā)動機怠速或行駛時出現(xiàn)較大異響，且異響聲隨著轉(zhuǎn)速增加頻率增大，同時車上能感覺到發(fā)動機劇烈的震動或抖動，隨著發(fā)動機繼續(xù)運行，會出現(xiàn)缸體打壞或發(fā)動機突然抱死熄火情況，嚴(yán)重危及駕駛員及車上乘客的安全。

故障特性：多發(fā)生在新車剛下線或新購車上，在高速或快速行駛之后，行駛里程一般不到100km，故障發(fā)生前通常無任何征兆，故障發(fā)現(xiàn)時發(fā)動機已經(jīng)拋錨或損壞，故障修復(fù)成本高，需要更換活塞連桿甚至整臺發(fā)動機。

故障分析：首先，完成碎片收集。收集所有故障相關(guān)的碎片，將碎片按照各子零件進行分類，盡可能將所有子零件的碎片找全，比如活塞、活塞環(huán)等，不能隨意將碎片丟棄；同時嘗試將碎片拼出子零件的樣式，進一步確認零件碎片是否齊全，有沒有其他的異物或碎片混入其中。該故障缸相應(yīng)零件都出現(xiàn)不同程度的損壞，其基本功能如點火、壓縮及其做功等都已無法正常進行，所以會出現(xiàn)發(fā)動機劇烈抖動及異響等情況。然后，查找發(fā)動機活塞粉碎的影響因素：活塞粉碎除了自身的碎片外，未發(fā)現(xiàn)別的異物進入，可認定為活塞連桿總成套件運行時被打碎，另外從燃燒室、火花塞、缸孔、連桿表面碰傷損壞情況也能印證。很明顯活塞粉碎是受外力作用，而外力主要來源于曲軸旋轉(zhuǎn)時連桿的往復(fù)運動作用力，通常該作用力是保證氣缸能正常完成吸氣、壓縮及排氣過程，只有活塞連桿組零件中活塞銷位置出現(xiàn)變化時（如圖4），單個活塞銷孔受力，且成杠桿機構(gòu)狀態(tài)，在活塞連桿組高速運轉(zhuǎn)時，反復(fù)作用于單個活塞銷孔，最終導(dǎo)致該活塞銷孔撕裂，活塞銷孔撕裂后，活塞與連桿及活塞銷分離，活塞靜止在缸孔里，連桿則在曲軸的帶動下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，連桿小頭及活塞銷不斷撞擊活塞，導(dǎo)致活塞粉碎。最后，確定活塞銷竄動原因?；钊N通過活塞銷孔的兩端的卡簧固定，當(dāng)某一側(cè)的卡簧缺失時，活塞銷就會往這一側(cè)竄動，活塞銷竄動時因不斷受力頭部在銷孔內(nèi)相應(yīng)留下痕跡。判斷活塞銷往哪一側(cè)竄動可以通過銷孔上的痕跡判斷（如圖5），背離痕跡方向即為活塞銷竄動方向，說明這一側(cè)的活塞銷卡簧缺失或先脫落。

1.2活塞磨損：活塞頭部與環(huán)槽區(qū)域、裙部與缸孔接觸形成的表面損傷。

故障現(xiàn)象：怠速或急加速時發(fā)動機異響，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加到一定范圍后（通常在2500轉(zhuǎn)/分以上），該異響聲逐漸被發(fā)動機轟鳴聲掩蓋。

故障特性：該故障開始發(fā)生時只出現(xiàn)發(fā)動機有異響，但隨著發(fā)動機的繼續(xù)使用，異響聲會慢慢變大，同時還會伴隨發(fā)動機冒藍煙、機油消耗快等現(xiàn)象，嚴(yán)重也會導(dǎo)致發(fā)動機熄火，無法啟動。

故障分析：活塞磨損是活塞最常見的故障模式，磨損位置不同其影響因素也不一樣，以下是最常見的三種磨損形式：

1.2.1間隙不足引起的磨損：活塞和缸孔的間隙在兩者的尺寸關(guān)系出現(xiàn)偏差的情況下會在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時導(dǎo)致缸孔變形，或者在過高溫度影響下，導(dǎo)致間隙變得過小甚至消失。另外，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，活塞的溫度要明顯高于缸孔，這就勢必導(dǎo)致活塞和缸孔的熱膨脹會互不相同，活塞的熱膨脹程度要明顯大于包圍著它的缸孔。一旦活塞和缸孔間的間隙減小，由于缸孔壁上的油膜因活塞膨脹被擠開，會首先產(chǎn)生混合磨擦。之后，活塞裙的支承面會首先被磨光。由于混合磨擦以及因此所產(chǎn)生的磨擦熱量，部件的溫度會進一步升高。在此過程中，活塞會進一步壓迫氣缸壁，使得氣缸壁上的油膜完全失去作用。此時，活塞將在缸孔內(nèi)無潤滑運行，導(dǎo)致接觸面被磨光且呈深色。間隙不足引起的特征可以歸納為：高光的受壓點，并漸漸過渡為光滑且呈深色的磨損痕跡，磨損既出現(xiàn)在受壓側(cè)，同時也會出現(xiàn)在對應(yīng)的壓力側(cè)。如圖6。

1.2.2無潤滑運行造成的磨損：此種磨損在缸孔和活塞間隙足夠的情況下也會發(fā)生，由于溫度過高或者由于燃油過盈，造成局部位置上的油膜中斷，導(dǎo)致在這些位置上，活塞、活塞環(huán)及缸壁在沒有潤滑的情況下相互磨擦，繼而在短時間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損的表面。另外，當(dāng)潤滑油不足時，也就是說在活塞和缸壁間完全沒有形成潤滑油膜層的情況下，也會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。其特點可以歸納總結(jié)為：a）在油膜中斷的情況下，主要是在活塞裙部上產(chǎn)生相互擠在一起且毫無過渡的磨損。其表面嚴(yán)重磨損并且呈現(xiàn)深色，在磨損的開始階段往往在活塞的對面一側(cè)找不到任何磨損跡象；b）在潤滑油不足的情況下，除了磨損表面的顏色不同以外，其他都與上面描述的油膜被中斷的情況相同。磨損部位表面呈現(xiàn)金屬純色而非深色。由于潤滑油不足會體現(xiàn)在整個缸壁上，因此在磨損發(fā)生初期就已經(jīng)可以在受壓側(cè)以及對應(yīng)壓力側(cè)看到磨損的跡象。如圖7。

1.2.3過熱造成的磨損：對于因過熱造成的磨損，油膜會因為溫度過高而發(fā)生中斷。接下來會首先導(dǎo)致混合磨擦并出現(xiàn)部分磨損痕跡。隨著磨損進一步加劇，由于磨損部位的溫度進一步增高，導(dǎo)致活塞在缸孔內(nèi)完全處于無潤滑狀態(tài)。磨損部位呈現(xiàn)深色并有嚴(yán)重撕裂的痕跡。根據(jù)磨損原因的不同，此類磨損現(xiàn)象可能會首先出現(xiàn)在活塞裙部，也可能會出現(xiàn)在活塞頭部。如圖8。

2結(jié)語

活塞是發(fā)動機的核心部件，活塞一旦出現(xiàn)異常，發(fā)動機的工作狀態(tài)馬上發(fā)生變化，比如出現(xiàn)異響，發(fā)動機冒藍煙、動力下降等。在此也提醒廣大用戶朋友，當(dāng)車子出現(xiàn)異常時，切勿盲目行駛，安全停車并向車輛服務(wù)商或?qū)I(yè)技術(shù)人員尋求技術(shù)支持以獲取對方的幫助和確認。