淺談連桿斷裂問題

趙世來，張治國

淺談連桿斷裂問題

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）

發動機實現批產，必須要完成耐久試驗，冷熱沖擊試驗，共振試驗，還有各項專項試驗等等。文章這個案例是發在試驗期間，連桿的斷裂故障直接導致發動機報廢。為了解決此問題，我們從活塞，曲軸，連桿瓦，連桿，連桿螺栓進行檢測分析，最后找到了發動機的故障的原因，根本是由于螺栓的縮頸所引發的。控制方案是禁止螺栓長時間裸露在外邊，保證螺栓的表面要有防銹油，這樣能減少故障的發生。

耐久試驗；發動機；故障；活塞

1 前言

發動機要實現批產上市，要經過多輪多項試驗驗證，例如耐久試驗，冷熱沖擊試驗，共振試驗，還有各項專項試驗等等。在試驗期間，零件出現小的故障，更換新零件后發動機還可以繼續試驗，但是有些致命的故障會直接導致發動機報廢，例如連桿斷裂。

結合自己的親身經歷，分享一個解決連桿斷裂的案例，希望對大家工作有所幫助。

2 問題描述

2.1 臺架描述

（1）問題來源：一款自然吸氣的國六發動機，800H臺架耐久試驗。

（2）發動機號：Hxxxxxx。

（3）冷卻噴嘴數量：4個1.2L。

（4）問題發現時間：2018年9月18，17點30分。

（5）問題發現地點：T9試驗室臺架。

（6）運行時間：320H。

（7）現象描述：試驗臺架上的發動機在6000rpm時扭矩突然下降，出現異響，臺架冒黑煙，按下急停開關后，進入試驗間后，發現缸體破損。

2.2 臺架數據

機油壓力、扭矩曲線見圖1、圖2：

圖1

圖2

2.3 拆機描述

缸體兩側破損，軸瓦抱死、連桿斷裂、螺栓折斷，一缸活塞破碎，氣門折彎，曲軸連桿軸頸拉傷嚴重。

2.3.1 缸體破損，機油相關信息。見圖3

圖3

2.3.2 一缸活塞組件中

圖4

圖5

活塞頂部斷裂，銷座被拉斷，連桿4處發生斷裂，兩根連桿螺栓都發生了斷裂。圖4和圖5。

2.3.3 二缸活塞組件中，只要連桿被折彎

其余件均正常無損。圖6。

圖6

2.3.4 曲軸的第一曲柄銷受到嚴重的敲擊

并且軸瓦微焊在軸頸下側。圖7。

圖7

3 問題分析

從故障現象來看，缸體是受害者，是活塞連桿的壞破被擊穿的，是什么原因導致的結果，需要逐條進行排查。根據多年的經驗，提出可能的原因有：活塞問題，曲軸問題，連桿瓦問題，連桿問題，連桿螺栓問題。

3.1 活塞問題

活塞的材料穩定性差，還有型線都可能導致活塞卡死，連桿斷裂。因為1缸的活塞已破損，活塞無法進行檢測，只能對其它缸活塞進行檢測，檢測結果如下。

3.1.1 化學成分

從數據來看，化學成分檢測結果是滿足圖紙規定的要求。見表1：

表1

表2

3.1.2 硬度檢測

從數據來看，檢測結果是滿足圖紙規定的硬度和溫度要求的。見表2和圖8。

圖8

3.1.3 顯微組織

基體：固溶體較大，共晶硅呈條狀，初晶硅≤0.08mm，呈塊狀，合金相較大，局部區域初晶硅和合金相偏聚。（三級）圖9。

鐵相：小塊狀魚骨狀鐵相夾雜物。（二級）

圖9

3.1.4 型線及橢圓

從檢測結果來看，目前型線是與設計時的型線處于重合狀臺，無異常波動。見圖10。橢圓度也是滿足圖紙要求。見圖11。

圖10

圖11

小結：從以上檢測結果中并沒有發現活塞異常現象。

3.2 曲軸問題

判斷油孔是否發生了堵塞，用一個鋼絲插入孔中，即可判斷結果。兩個圖片進過仔細對比，會發現左圖（故障機）油孔的倒角，出現偏移的問題，此問題屬于是一個風險相，按照經驗，此處不是致命的原因，但是需要整改，控制質量。

圖12

3.3 連桿瓦問題

3.3.1 外觀檢測

連桿瓦運行面呈現軸向劃傷的痕跡。見圖13，局部放大視圖見圖14。

圖13

圖14

3.3.2 尺寸檢測

厚度、偏心度、和自由彈漲量，其中只有彈力微微喪失，但是屬于正常范圍。

3.4 連桿問題

在拆解時，發現連桿端面有分層現象，利用放大鏡看端面，有了一條裂紋，見圖15。所以要高度重視，需要詳細檢查。

圖15

3.4.1 化學成分檢測

表3

3.4.2 硬度檢測

連桿硬度為302HBW，圖紙要求是266—310HBW。滿足要求。

3.4.3 宏觀觀察

連桿斷成多塊，斷口大多數磨損嚴重，連桿一側嚴重磨損，分模面不可見，另一側清晰，嚴重磨損一側可見分層現象，截取的金相試樣磨損面可見裂紋，裂紋位于分模面部分，試樣宏觀形貌。見圖16。

圖16

利用掃描電鏡觀察，裂紋呈撕裂狀，由表面向內逐漸變窄。（見圖17）裂紋中僅有少量制件過程的殘留異物，未見大型夾雜物。（見圖18）經硝酸酒精腐蝕后采用金相顯微鏡觀察，裂紋邊緣未見脫碳現象，組織為珠光體+少量的鐵素體。圖19。

圖17

圖18

圖19

小結：根據裂紋由外向內逐漸變窄的特征，可以判斷連桿在斷裂過程中產生了二次破壞所致。

3.5 連桿螺栓質量問題

3.5.1 外觀和斷口檢測

螺栓斷裂發生在螺紋處，斷口為塑性斷裂裂口。

圖20

3.5.2 金相和脫碳

回火馬氏體評為1級，要求1-3級。螺紋表面無脫碳層。

圖21

3.5.3 硬度檢測

HRC：39、39、40，硬度要求39—44HRC。

3.5.4 化學成分檢測

化學成分如下表（%）。

表4

小結：連桿金相組織正常，硬度、脫碳層、化學成分均合格，螺栓屬于塑性斷裂。

3.5.5 扭矩檢測

對連桿螺栓進行扭矩曲線檢測，檢測曲線結果如下圖22。

圖22

a點為打緊工藝點，從檢測結果開看，a點離最高點很近，存在縮頸的風險，是不能滿足要求的。這個連桿螺栓是新的，但是裸露在外邊半年以上。在與螺栓廠家交流時，他們提出，如果螺栓長時間裸露在外邊，防銹油消失，是不容許采用的，防銹油會影響其摩擦系數。圖23 是新的帶防銹油的螺栓做成的結果。

圖23

從檢測結果開看，是滿足要求的，不會存在破壞的風險，對4只連桿螺栓進行軸力檢測，檢測結果是滿足要求的。圖24。

圖24

為了驗證防銹油是否對扭矩是否有影響，我們把新螺栓的防銹油處理掉，進行扭矩檢測，見圖25。

圖25

4 結論

綜上所述，發動機的故障是由于連桿的斷裂引起的，連桿的斷裂又是由于螺栓的縮頸所引發的。控制螺栓的防銹油，禁止螺栓長時間裸露在外邊，減少故障的發生。

[1] 楊連生.內熱機設計[M].北京:中國農業出版社,1981.

[2] 楊成可,孔憲峰.汽車發動機構造與維修(1版)[M].北京:高等教育出版社,1997: 60.

[3] 陳慧,世界汽車技術發展跟蹤研究[M].北京:北京理工大學出版社,2008年.

Brief Talk Connecting Rod Breaking Problem

Zhao Shilai, Zhang Zhiguo

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

To achieve mass production of the engine, durability test, thermal shock test, resonance test and other special tests must be completed.The case in this paper was made during the test. The fracture failure of the connecting rod directly led to the engine scrapping. In order to solve this problem, we from the piston, crankshaft, connecting rod shoe, connecting rod, connecting rod bolt detection analysis, finally found the cause of engine failure, is caused by the bolt necking.The control scheme is to forbid the bolts to be exposed outside for a long time, and ensure that the bolts should have anti-rust oil on the surface, so as to reduce the occurrence of faults.

Endurance test; Engine; Fault;Piston

U467

A

1671-7988(2019)13-120-05

U467

A

1671-7988(2019)13-120-05

趙世來，工程師，本科，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.1671-7988.2019.13.041