連桿小頭潤滑方式優化的可行性分析

莫漢忠，徐成思，王 庚，歐陽天成

（1.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

發動機作為一種能量轉換裝置，將燃料的化學能轉化為設備的機械能，因其高熱效率、結構緊湊、壽命長且可靠性高、輸出功率扭矩強勁等優點[1-3]，被廣泛應用于人們的日常生活中。發動機的整體結構較為復雜，眾多的零部件在整體的運行程中發揮著各自不同的作用[4-7]。而作為關鍵運動構件之一的連桿機構，其工作狀況的優劣將會直接影響到發動機整體的運行情況，從而決定了整車的性能指標。近年來，隨著科學技術的飛速發展與日新月異，生產力不斷的提高，消費者對發動機整體的NVH（noise，vibration，harshness）性能提出了越來越高的要求，而異響噪音往往在發動機活塞銷與連桿小頭連接處較容易出現[8-10]。因此，結合發動機實際運行工況，識別發動機的異響噪聲來源，進而消除異響，是不斷提高研發水平，實現產業可持續發展的重要途徑[11-12]。

1 異響故障識別

根據整車部門的反饋，某型號的發動機在冷機怠速和低速行駛時，發動機底部發出“噠噠噠”金屬敲擊異音，異響持續的時間約為5 min。考慮到可能引起異響的原因較多，如活塞與連桿的配合、氣門落座、挺柱敲擊、VVT定子與轉子的碰撞等，針對可能出現的原因，逐一排查。

首先，要確定發動機底部發出的異常響聲是否是由于發動機各零部件的裝配不當造成的。對該型號發動機進行了整機拆解分析。拆機后發現，氣門落座、挺柱等配件，VVT定子、轉子等均保持良好狀態，無明顯磨損，無擠壓形變，無表層金屬剝落，表面膠合。而活塞與連桿的配合處的連桿小頭則有異常磨損，聚焦這一配件做進一步分析。

將該型號發動機放置于半消聲室中進行聲壓測試，分析所采集的噪聲數據發現，噪聲頻率在3 kHz附近。根據活塞廠商經驗，此頻率噪聲可能來自活塞銷，故先對活塞銷和銷孔的配合情況進行排查。測量得該型號發動機的配缸間隙為0.028～0.04μm，活塞銷孔與活塞銷間隙為0.005～0.014μm，活塞銷為全浮式連接，與連桿小頭間隙為0.010～0.025μm。由摩擦和噪聲經驗圖（圖1）[11-12]分析得到，配缸間隙為0.025～0.035μm（帶涂層）時為摩擦功和噪聲最佳平衡區域。由于該型號發動機的配缸間隙為0.028～0.04μm，去掉涂層0.03μm之后，對應經驗圖中的范圍，因此，判斷該發動機的活塞銷和銷孔的配合正常，只能進行其他因素的排查。

圖1 配缸間隙、摩擦功與噪聲關系經驗圖

考慮到可能是潤滑方式引起的噪聲異響，將原批次的活塞及連桿，裝配在發動機試驗臺架上，進行了怠速下8 h的磨合試驗。試驗過程中，從發動機啟動開始至運行5 min左右，主觀上均能聽到“噠噠噠”的異響噪聲，但在熱機狀態啟動時，異響聲不明顯。在完成8 h的磨合測試后，觀察連桿小頭，其內襯表面的磨損情況如圖2所示。從圖2中可以明顯觀察到，連桿小頭內襯表面有清晰可見的磨痕，磨損較為嚴重。通過定量檢測連桿小頭的實際磨損量，發現連桿小頭孔直徑在磨合后超差2μm，圓柱度超差0.0262 mm，磨損量最大為4μm，活塞銷粗糙度及硬度等均合格，無其他異常。根據測量結果，可以判定為連桿小頭孔潤滑不夠充分，導致活塞銷與連桿小頭孔加劇磨損，從而引發異常噪聲。

圖2 連桿小頭內襯表面磨損狀況

2 “異響”噪聲優化

針對連桿小頭孔潤滑不夠充分的情況，考慮在連桿小頭頂端開集油孔，以此來收集發動機運轉時濺起的潤滑油滴，達到充分潤滑的作用。為驗證提出方法的可行性，我們設置了兩組方案進行實驗對照。方案一中使用同批次的連桿及活塞銷，方案二中同樣使用同批次的連桿及活塞銷，同時在連桿小頭頂端開一個集油孔，然后分別裝機進行8 h磨合試驗。其磨合試驗后的測量結果分別見表1及表2。從磨合試驗后的測試數據可以得出，方案一中的連桿小頭襯套磨損量最大為2μm，圓柱度超差0.018 7 mm；方案二中的連桿小頭襯套磨損量最大為2μm，圓柱度超差為0.0078 mm。同時進行了活塞銷磨合前后數據的對比分析，結果見表3和表4。方案一中，2#缸及4#缸對應的活塞銷圓柱度分別超差0.002 34 mm和0.002 8 mm；方案二中，3#缸活塞銷圓度超差0.001 66 mm，且2#、3#及4#缸活塞銷圓柱度超差，最大為0.003 35 mm。兩種方案構件的磨損量均處于合理范圍內。

表1 方案一檢測結果

表2 方案二檢測結果

表3 方案一活塞銷檢測結果

表4 方案二活塞銷檢測結果

更為直觀的磨合試驗結果如圖3和圖4所示。相比于方案一，方案二中磨合試驗后連桿小頭的襯套磨痕明顯更淺，且活塞銷表面無明顯磨痕。而方案一中不論是連桿小頭內襯套還是活塞銷表面，均可以觀察到凹槽劃痕，且活塞銷表面還有發黃的情況。同時在磨合試驗中，方案二條件下從發動機啟動開始均沒有聽到異響噪聲，而方案一條件下發動機底部可以聽到明顯“噠噠噠”金屬敲擊的異音。

圖3 連桿小頭襯套磨損狀況

圖4 活塞銷磨損狀況

從以上的測試分析數據來看，在連桿小頭前端開集油孔之后，機油更加容易進入到連桿小頭與活塞銷的接觸面中，形成油膜，從而一定程度上改善了潤滑狀況，減小了連桿小頭與活塞銷運動中的磨損撞擊，有效消除了發動機異響噪聲。

3 總結

通過對某型號發動機全浮式活塞銷與連桿小頭連接處發生異常響聲的原因做了深入探究。通過鎖定異響噪聲的頻率范圍，確定可能出現問題的部件，進而逐一排查了連桿小頭內襯套和活塞銷加工標準、配合間隙、潤滑方式等可能引起異響的原因，最終提出了有效可行的方案，消除了發動機異響噪聲。