發動機拉缸問題的探討與分析

趙世來，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

發動機是一種熱機，是將熱能轉化成機械能的一種裝置。發動機是汽車的心臟，活塞又是發動機的心臟，它與缸蓋、缸套、活塞環構成了一個燃燒的密封空間。在高溫和爆發壓力的作用下，活塞頭部和裙部發生膨脹，最終由最初橢圓型變成圓型。如果配缸間隙過小，產生咬缸、拉缸現象；如果配缸間隙過大，產生敲缸、機油耗大、漏氣量大、噪聲大等現象。

1 拉缸的嚴重性

拉缸是缸套與活塞或活塞環在工作表面彼此出現拉傷、拉毛、溝槽現象。這種現象通過目測可以觀察的很清楚。發動機設計驗證初期，拉缸是一種很常見的想象，但是在樣件最終確定后或批量生產時應絕對避免此現象的發生。如果汽車在高速行駛時，一旦發生拉缸，后果很嚴重。因此掌握活塞拉缸的原因，預防拉缸的出現，對我們設計者有著重要的指導意義。下面我們從設計方面和使用方面進行詳細的闡述。

2 設計方面

2.1 間隙方面原因

2.1.1 配缸間隙

活塞與氣缸的裝配間隙有嚴格規定，如果間隙過大，（一）、車在冷啟動時會“敲缸”，也會出現機油沿著缸壁向上流動，上下竄氣問題。（二）、活塞在換向時，擺動量加大，活塞局部會和缸內壁發生局部接觸，局部接觸的后果導致面壓很高，存在拉缸的可能性。從密封角度來講，活塞與缸套間隙越小，密封效果越好。但是間隙過小，也是不允許的，會導致環刮傷缸體。其原因，發動機長時間工作時，高溫會逐漸上升，這樣活塞、活塞環、缸套都會受熱膨脹。活塞一般都是鋁材料，活塞環都是鋼制材料，鋁的熱膨脹量比鐵的大很多，因此，一旦出現間隙很小的時候，油膜就很難形成，干膜后必然會導致拉缸。如圖1所示就是拉缸的活塞。因此在設計開發初級階段要考慮好配缸間隙，不同發動機配缸間隙不同，如某XX轎車發動機配缸間隙為0.08～0.10mm；某XX轎車發動機為 0.023～0.043mm；某 XX轎車發動機為0.03～0.08 mm。

圖1

2.1.2 環間隙

活塞與環的間隙包括側隙和背隙兩個方面：發動機在運轉時產生積碳，堆積在活塞環槽內，特別是第一氣環槽內的積碳會很多。積碳在環槽內，會使側隙和背隙變小，所以要合理設計此間隙，設計不合理就會從引起拉缸。

背隙計算公式：

Dn =[D-2(T+N)]±0.1

Dn—活塞環的環槽底徑,單位為mm；

D—公稱直徑，單位為mm；

T—活塞環徑向厚度，單位為mm。

表1 活塞環背隙值

側隙可以參照表 2，但不能以此來定側隙，在實際中還要考慮其它因素進行微調。

表2 活塞環側隙值

閉口形式包括直口、斜口、還有搭接口形式。活塞環的開口間隙變小后，可能會發生斷環的風險，折斷后果很可怕，會拉缸，會導致發動機報廢。不是所有發動機活塞環開口間隙都是一樣的，見表 3，因為發動機拉環的開口隙過小造成拉缸也有很多案例。

表3 活塞環開口間隙

2.1.3 銷與活塞銷孔間隙

當采用半浮式活塞銷連接時，活塞銷與活塞銷孔過盈量過大，會使活塞銷座變形，要是間隙過小，一會破壞油膜，引起干磨、抱死，拉缸。如果活塞銷與銷座孔的配合間隙過大，會出現敲擊聲。下邊是幾種競品發動機活塞銷與連桿孔、活塞銷與活塞銷孔間隙。

表4 競品數值

2.2 活塞型線、橢圓度、錐度

圖2

圖3

鋁活塞在工作過程中受熱、受力分布不均勻，活塞在活塞銷軸線方向膨脹量較大，因此在設計時就將活塞設計成橢圓形。活塞的裙部橢圓度一般在 0.30～0.65 mm，頭部橢圓度一般在 0.02～0.1mm，這樣活塞在受熱時，變成圓形，與氣缸周圍間隙均勻。活塞是存在上小下大的形狀的，即錐度：0.04～0.085 mm。通過有限元分析，裙部錐度在0.04 mm以下容易拉缸。型線的設計原理是模擬活塞在缸內運動姿勢，保證活塞在換向時能圓滑過渡。如果橢圓度和型線設計的不當，活塞很容易在氣缸中卡死，如圖2。如圖3做過熱磨損試驗的活塞，結果圖3很理想。

2.3 活塞表面硬度的影響

活塞表面硬度也會影響到拉缸，通過對好活塞和故障活塞表面硬度進行測量，發現好活塞表面硬度比故障活塞的硬度低 l2～32HBW。活塞熱處理后，如果產生表面硬度不一，活塞的內應力不能完全消除，高運轉的情況下，容易產生異常膨脹變形現象，造成拉缸。

2.4 表面處理的影響

活塞表面處理，活塞頂部、一環槽及部分二環槽陽極氧化處理，氧化層厚度為 0.012mm，裙部刷石墨，厚度0.01-0.02mm，還有全部鍍錫的，錫層厚度0.5-2.0um等等，所有這些都是為了初期磨合時潤滑，減少拉缸。相比之下，刷石墨會比鍍錫效果好，但成本也相對高些。

3 使用方面

3.1 空氣濾清器不密封

空氣濾清器不密封，過濾效果變差，空氣中的雜質吸入氣缸內，形成雜質磨損。試驗表明：假如每天吸進幾克灰塵，氣缸套的磨損量將增大10倍以上。

3.2 磨合不正確

對于新發動機或大修發動機，由于零件加工表面粗糙和裝配位置都存在一定的誤差，看似光滑表面，實際上卻存在微米級的高低突起，在這個階段內如果不按規定行駛，會造成早期磨損，嚴重時發生拉缸事故。為了使發動機在今后隨心所欲，必須嚴格遵守磨合規定，以保證磨合的質量。行駛初期2000km以內，要避免長時間高速超載行駛。

3.3 暖機啟動

冬季發動機冷起動后至少需15～30s才能大腳踩油門，進過暖機后潤滑系中形成油膜。如果沒有油膜，一旦直接達到最高轉速，這段時間活塞與缸體之間處于干摩擦狀態，很易引起拉缸和燒瓦。據研究部門測試，柴油機在冷卻水溫30℃以下負荷作業時，氣缸套等零件的磨損量是正常水溫時的5-7倍。

3.4 正確使用潤滑油

發動機工作時、溫度高、如果工作條件苛刻，選擇不合適的潤滑油，將會導致發動機拉缸燒瓦。選擇粘度過大潤滑油，其流動性差，特別是在低溫起動時，不易很短時間內形成油膜，加速了發動機的磨損；潤滑油的粘度過小，易造成潤滑油自摩擦面流失，不能形成可靠的油膜，也會加劇氣缸的磨損。因此，根據地域、季節的不同選擇適當牌號的機油。

3.5 控制水溫

發動機啟動后，如果冷卻水的正常溫度應保持在80℃～90℃時，這時發動機能輸出最大功率，燃油經濟性達到最佳狀態，零件磨損也不大。如果冷卻水的溫度過高，發動機總是長時間處在高溫狀態下，零件的強度、韌性和耐磨性能逐漸會下降；活塞在高溫條件下，使膨脹量超過限值，配缸間隙減小，造成活塞在氣缸內卡死。

3.6 過載

發動機超載運行，就要求發動機節氣門開度增大，這樣輸出功率增大，氣缸內平均指示壓力增加，易引起水溫、油溫升高，機油粘度下降，缸內油膜遭到到破壞后，從而加劇氣缸的磨損。因此汽車應避免發動機超載行駛，避免拉缸現象發生。

4 結論

發動機拉缸是一個非常嚴重的質量現象，發生拉缸的原因是多方面的，在最初設計當初，就要認真分析拉缸原因，對今后工作有一定指導作用。駕駛員按照使用手冊上正確操作，可以提高發動機使用壽命。

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