發(fā)動機臺架試驗活塞油環(huán)刮片翻邊故障解析

陽玲 張瑞強

摘 要：汽車發(fā)動機試驗是一項嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)工作，檢驗是一項重要的工作環(huán)節(jié)，他關(guān)乎各種產(chǎn)品的質(zhì)量。本文以發(fā)動機臺架試驗活塞環(huán)油環(huán)刮片翻邊故障為研究對象，詳細(xì)解析闡述活塞環(huán)的設(shè)計及工藝裝配要求，再通過案例解析活塞環(huán)刮片運行性能試驗驗證、失效模式分析，并制定裝配改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán) 工藝裝配 試驗驗證

Abstract：Automobile engine test is a rigorous scientific work， inspection is an important link in the work， he is related to the quality of various products. In this paper， the flanging failure of piston oil ring in engine bench test is taken as the research object， the design and process assembly requirements of piston ring are analyzed in detail， and then the operation performance test verification and failure mode analysis of piston ring scraper are analyzed through the case， and the assembly improvement scheme is formulated .

Key words：piston oil ring， process assembly， verification by test

活塞環(huán)是嵌在活塞槽溝內(nèi)部的金屬環(huán)，是影響發(fā)動機性能的核心零部件之一，其主要作用是密封、刮油、導(dǎo)熱和支撐?；钊h(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)。目前汽油發(fā)發(fā)動機大多采用兩道氣環(huán)和一道油環(huán)的三道環(huán)方案。從活塞頂部往下數(shù)：第一道環(huán)是氣環(huán)，主要起密封和導(dǎo)熱作用，用來減少燃燒室內(nèi)的氣體漏到曲軸箱、將熱量從活塞傳導(dǎo)至氣缸套；第二道環(huán)也是氣環(huán)，主要起密封和部分刮油作用；第三道環(huán)是油環(huán)，從缸壁上刮除機油，有效地控制發(fā)動機機油消耗量，同時在氣缸壁上涂一層均勻的機油膜，這樣既可以防止機油竄入氣缸燃燒，又可以減小活塞、活塞環(huán)與氣缸之間的摩擦阻力。

活塞環(huán)是發(fā)動機中唯一三維運動的零件，活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的運動十分復(fù)雜，包含了上下運動、徑向運動、回轉(zhuǎn)運動等。掌握其性能、結(jié)構(gòu)、安裝特點，是提高發(fā)動機可靠性和使用壽命的重要保證，因此活塞環(huán)有嚴(yán)格的設(shè)計及裝配要求。為保證裝配后的活塞環(huán)能實現(xiàn)刮油及密封的功能，以及防止活塞與氣缸壁直接接觸，在設(shè)計時，需要活塞環(huán)在自然狀態(tài)下有一定的彈張量，讓活塞環(huán)有適當(dāng)?shù)膹椓?，且不脫出環(huán)槽，如圖1。

1 尺寸設(shè)計要求

結(jié)合“活塞高溫?zé)诶住⒒钊獯?、冷機噠噠異響、拉缸燒機油”等常見故障處置的經(jīng)驗，在研發(fā)設(shè)計時，需對活塞及活塞環(huán)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行校驗核算，其中活塞環(huán)的關(guān)鍵尺寸為切向彈力、面壓、表面處理、自由開口、閉口間隙、環(huán)高、徑向厚度、截面形狀以及油環(huán)刮片的關(guān)鍵尺寸。在尺寸校核過程中需對活塞裙部活塞環(huán)裝配及使用應(yīng)力進(jìn)行核算比對，要求安裝和工作應(yīng)力均小于設(shè)計應(yīng)力要求，可以滿足要求。為了確?；钊h(huán)的彈力，活塞環(huán)自然狀態(tài)下有一定的彈張量，從而裝配后實現(xiàn)刮油及密封的功能。如為了達(dá)到活塞三環(huán)自然狀態(tài)下，不脫出環(huán)槽，如下圖3。

2 裝配技術(shù)要求

為確保活塞、活塞環(huán)、活塞以及連桿等配合零部件順暢工作，在安裝時需將活塞頂部箭頭指向正時端并確保活塞卡簧裝配凹槽在排氣側(cè)，連桿凸起標(biāo)記在進(jìn)氣側(cè)，如圖2所示。安裝活塞環(huán)時，需注意以下4點：

（1）一環(huán)與二環(huán)開口錯開約180°，一環(huán)與三環(huán)開口之間錯開45°～90°，且活塞環(huán)的開口位置不要在主副推力面方向。

（2）活塞一環(huán)和二環(huán)采用擴張法安裝，擴張后允許的自由開口尺寸不能超過21mm。注意安裝時，不能對活塞一環(huán)和二環(huán)進(jìn)行垂直于活塞環(huán)平面的扭曲。

（3）活塞三環(huán)刮片采用垂直于活塞環(huán)平面內(nèi)的扭曲安裝時，扭曲角度不能超過自由狀態(tài)下活塞環(huán)平面的±45°。

（4）所有的活塞環(huán)在安裝時應(yīng)避免產(chǎn)生永久性變形。

3 活塞環(huán)運行性能試驗

某單位某機型發(fā)動機在“正時磨損度試驗”運行過程中，在發(fā)動機運行至1000r/min扭矩86N·m工況時，缸第3至4缸之間出現(xiàn)異響。停機后采用內(nèi)窺鏡檢查缸體缸內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)第4缸孔內(nèi)壁刮傷嚴(yán)重。將發(fā)動機下臺架拆解檢查發(fā)現(xiàn)，第4缸活塞油環(huán)下刮片部分脫出變形，如圖4。

3.1 活塞片翻邊故障現(xiàn)象

活塞環(huán)刮片自然狀態(tài)下，當(dāng)開口位置處于最外端的情況下，開口處整個刮片均脫離活塞環(huán)槽，C機型活塞環(huán)刮片較軟，該狀態(tài)下自上而下裝配活塞，活塞環(huán)被擠壓翻邊。

3.2 設(shè)計參數(shù)比對

對活塞各關(guān)鍵點直徑進(jìn)行檢測并按圖進(jìn)行校驗核算，保證活塞環(huán)配合尺寸符合設(shè)計要求，同是對活塞環(huán)如下理論計算：

3.2.1 活塞環(huán)面壓

3.2.2 徑向彈力與切向彈力的關(guān)系

Fd=2.05 Ft—對熱處理和不經(jīng)熱處理的鑄鐵材料；

Fd=2.15 Ft—對球墨鑄鐵材料。

3.2.3 閉合應(yīng)力

閉合應(yīng)力σb是環(huán)裝入缸套后所產(chǎn)生的應(yīng)力值，對矩形截面環(huán)的σb，根據(jù)自由開口m表示為：

3.2.4 張開應(yīng)力

活塞環(huán)的最大應(yīng)力發(fā)生于裝配時，因為環(huán)必須撐開得足夠大以使內(nèi)輪廓能夠滑過活塞的外徑。資料上對張開應(yīng)力σbü標(biāo)準(zhǔn)公式的介紹是基于閉合應(yīng)力與張開應(yīng)力相等的假設(shè)，這個假設(shè)僅對特定的自由開口m和d/a比值才是正確的，對其它自由開口值m用這個公式時會引起較大的誤差。DIN/ISO活塞環(huán)標(biāo)準(zhǔn)在確定環(huán)的尺寸時，用到了一個新的計算張開應(yīng)力的公式，它對各種自由開口m均有效，并且還充分考慮了采用錐套安裝時的情況，然而用起卻非常復(fù)雜。按嚴(yán)密的數(shù)學(xué)關(guān)系得出：

σ——最外圓的應(yīng)力；

ρ1——環(huán)在未受力狀態(tài)下的曲率半徑；

ρ2——環(huán)在受力狀態(tài)下的曲率半徑，在同一點測量。

對以上環(huán)節(jié)進(jìn)行核算，并要求通過熱拉缸試驗、冷拉缸試驗、發(fā)動機臺架耐久試驗及整車耐久試驗等驗證。

3.3 裝配過程分析

圍繞人、機、料、法、環(huán)、測等方面進(jìn)行分析，在安裝方案核查時發(fā)現(xiàn)，在活塞裝配過程中，將活塞總成放入工裝缺口附近時，沒有確認(rèn)活塞三環(huán)是否已經(jīng)安裝到槽內(nèi)，如圖5，導(dǎo)致安裝時未能及時發(fā)現(xiàn)活塞油環(huán)翻邊的問題，最終導(dǎo)致發(fā)動機運行一段時間后出現(xiàn)拉缸和異響。

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

在試驗故障發(fā)生前，試驗過程數(shù)據(jù)正常，性能參數(shù)達(dá)標(biāo)，試驗參數(shù)穩(wěn)定，如圖6。

4 活塞環(huán)翻邊處置方案

修訂活塞環(huán)裝配工藝方案，在裝配活塞連桿總成過程，將整片油環(huán)刮片包括開口附近裝進(jìn)環(huán)槽，并在裝進(jìn)導(dǎo)套時確保為進(jìn)槽狀態(tài)，避免開口處刮片翻邊。同時修訂活塞總成裝配工藝方案和作業(yè)指導(dǎo)書，在活塞總成裝機時，在放入工裝缺口附近后，確認(rèn)活塞三環(huán)已經(jīng)安裝到槽內(nèi)，避免開口處刮片翻邊；同時，重新校核活塞、活塞環(huán)和氣缸孔的尺寸鏈，在設(shè)計限值范圍內(nèi)，增加活塞三環(huán)岸名義尺寸至74.20，以降低油環(huán)安裝時脫出的風(fēng)險。

5 改進(jìn)后試驗驗證

控制計劃中裝配活塞連桿總成過程，將整片油環(huán)刮片包括開口附近裝進(jìn)環(huán)槽，并在裝進(jìn)導(dǎo)套時確保為進(jìn)槽狀態(tài)，避免開口處刮片翻邊，如圖7。在裝配標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書中增加修訂裝配工藝和作業(yè)要求，增加作業(yè)過程活塞環(huán)開口按壓作業(yè)。經(jīng)過多臺發(fā)動機裝配檢查，未再發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)翻邊故障。

在修正活塞三環(huán)岸名義尺寸和調(diào)整裝配過程安裝要求后，杜絕了活塞油環(huán)翻邊問題，并重新裝機開展發(fā)動機“310h發(fā)動機正時系統(tǒng)耐磨損度試驗”，試驗驗證通過。后續(xù)其他臺架試驗過程中，該問題亦未再發(fā)，證明本次對策有效。

6 結(jié)語

針對某機型發(fā)動機活塞油環(huán)翻邊問題的診斷分析，對故障產(chǎn)生的原因提出了設(shè)計上和裝配工藝上的改進(jìn)方法，具有很好的借鑒意義：

（1）設(shè)計活塞環(huán)時，為了確?；钊h(huán)的彈力，活塞環(huán)自然狀態(tài)下有一定的彈張量，且不脫出環(huán)槽，從而裝配后實現(xiàn)刮油及密封的功能。因此在設(shè)計時，需考慮活塞三環(huán)在自然狀態(tài)下不脫出環(huán)槽；

（2）安裝活塞環(huán)時，需在發(fā)動機裝配作業(yè)指導(dǎo)書中做好明確要求，要求整片油環(huán)刮片包括開口附近裝進(jìn)環(huán)槽，并在裝進(jìn)導(dǎo)套時檢查確認(rèn)為進(jìn)槽狀態(tài)，避免開口處刮片翻邊

（3）通過修正活塞三環(huán)岸名義尺寸和調(diào)整裝配過程安裝要求，重新裝機開展“310h發(fā)動機正時系統(tǒng)耐磨損度試驗”通過，且后續(xù)沒有再發(fā)，證明本次故障采取的設(shè)計和裝配對策有效，在后續(xù)設(shè)計開發(fā)中可借鑒執(zhí)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮春晃.《工程機械內(nèi)燃機》大連海事大學(xué)出版社.

作者簡介

陽 玲：（1987—），女，漢族，廣西桂林人，中級工程師，學(xué)士學(xué)位。研究方向：發(fā)動機智能制造。

張瑞強：（1987—），男，漢族，河南人，高級工程師，學(xué)士學(xué)位。研究方向：發(fā)動機智能制造。