浅谈发动机轴瓦的失效模式

摘 要：发动机是一种是将热能转化为机械能的一种装置，它是汽车的核心部件。在发动机内部设计着高速旋转的曲柄连杆机构，轴瓦也是此机构中不可缺少的零件之一，轴瓦分为连杆瓦和主轴瓦，它的应用能够满足发动机的可靠性，运转平稳性，维修方便，成本低廉，它是决定发动机是否能够长期可靠运转的关键零件。失效分析是零部件的难点问题，文章主要讲述了常见故障引起的轴瓦失效模式和安装错误引起的轴瓦的失效模式，分别通过出现的现象，进行具体原因分析。这是经验的总结和知识的积累，希望对今后设计有指导作用。

关键词：轴瓦；发动机；可靠性；失效模式

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）09-188-04

Talking about engine bearing bush failure mode

Zhang Zhiguo， Zhao Shilai

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

Abstract： The engine is a device that converts thermal energy into mechanical energy. It is the core part of a car. Crank connecting rod system with high-speed rotation is designed in the engine. The bearing bush includes a connecting bearing and a main shaft bearing.， Its application can meet the reliability of the engine， running stability， convenient maintenance， low cost， it is the key part to determine whether the engine can be reliable for a long time. Failure analysis is a difficult problem of parts， This paper mainly introduces the failure mode of bearing bush caused by common faults and the failure mode of bearing bush caused by installation errors， Through the phenomenon that appears respectively， undertake specific reason analysis. This is a summary of experience and knowledge of the accumulation of future design guidance.

Keywords： Bearing bush； Engine； Reliability； Failure mode

CLC NO.： U464 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）09-188-04

1 前言

发动机是将热能转化为动能的一种装置，最终驱动汽车行驶，它是汽车的心脏。在发动机中存在很多摩擦副，例如，活塞销与活塞销孔、环与缸壁、活塞与缸壁、轴瓦与曲轴的主轴颈、轴瓦与连杆轴颈。发动机工作时，就会存在摩擦。

轴瓦是一种由金属材料作为钢背，并与减摩擦图层结合在一起构成的一种零件。已经被广泛应用在汽车发动机上，发动机上轴瓦主要是指主轴瓦和连杆轴瓦。轴瓦在设计时很简单，成本很低廉，但是，它却是决定发动机是否能够长期可靠运转的关键零件。

失效分析是汽车行业中难点工作，尤其发动机零件的失效，因为工作时，一直处于高温，高压的环境，例如，轴瓦在工作时，承受高压的气体压力的作用，工作条件复杂，失效模式多种多样，所以分析问题时，不仅要借用专业的检测设备，往往也需要我们储备的知识和积累的经验才能解决。

2 故障分析

发动机试验验证阶段，轴瓦相对于其他零件发生的失效的机率要多些，经常会出现想不到的问题，基于不同的故障现象，失效原因也是多种多样，对于轴瓦失效模式进行分类总结，可以根据不同的失效状态推断故障的原因，对发动机工作状况研究是很有好处的。现在向大家分享一下軸瓦失效的常见现象和发生的原因。

2.1 腐蚀

2.1.1 现象

腐蚀的典型现象，在轴瓦表面形成黑色合成物或者表面出现小凹槽。见图 1。

2.1.2 分析原因

腐蚀是润滑油工作后产生的有害物质在轴瓦合金上发生化学反应。发动机运行时润滑剂氧化产生的氧化物不属于润滑系统，当轴瓦在腐蚀环境中运行时，这些有害物反应速度会加剧，导致轴瓦表面一种或多种合金剥落，或形成脆性氧化物。曲轴箱窜气或者高硫含量燃料的燃烧，再加上无机酸的形成，也会一起对轴瓦进行腐蚀。

2.2 热疲劳

2.2.1 现象

表面大部分区域抗磨材料脱落，有被烧焦的痕迹，钢背裸漏在外。见图 2。

2.2.2 分析原因

运行的轴瓦出现异高温现象，温度高于图层的熔点，在这种情况下，铅和锡将会融化，与铜分离，表面涂层失去钢背的支撑，材料剥落。

2.3 润滑油不足

2.3.1 现象

润滑油不足，导致轴瓦与轴颈之间产生干摩，由于摩擦现象长时间存在，金属表面融化，材料就会剥落，磨损机会逐渐加剧。见图 3。

2.3.2 分析原因

（1）由于杂质或者异物的存在，部分润滑通道阻塞。

（2）选择轴瓦尺寸过小，油压建立不起来。

（3）主轴瓦上瓦和下瓦装反，导致主油道无法供油。

（4）油泵或减压阀功能失效，失去工作能力。

2.4 气蚀

2.4.1 现象

轴瓦内表面部分区域被腐蚀，一些严重腐蚀能穿透轴瓦合金层厚度，达到钢背。见图 4。

2.4.2 分析原因

气蚀属于点蚀的一种损坏形式，是轴瓦合金层上的润滑油产生了汽泡，并且突然爆破而形成的。发动机在循环运转中，加载在轴瓦上的载荷，迅速变化，导致轴瓦的润滑油膜的压力也随之迅速改变。这种压力变化随次数的增加而越来越高，使得轴瓦和曲轴的变化也越大。

轴瓦气蚀有以下四种情况：

吸气引起腐蚀，发生在曲轴运动之后。

换气引起的腐蚀，发生在曲轴运动之前。

气穴流动引起的腐蚀。

气穴撞击引起的腐蚀。

2.5 间隙过大

2.5.1 现象

轴瓦侧面边界部分的合金变形。见图 5。

2.5.2 分析原因

假如曲轴轴颈尺寸比推荐的最小值还小，轴瓦内径比推荐的最大值还大，这样会导致润滑间隙比允许值大。间隙大，没有液态压力支撑，曲轴与轴瓦接触，引发轴瓦表面变形。

2.6 轴向间隙不足

2.6.1 现象

曲轴高载荷时，轴瓦边沿和内表面过渡磨损，其他部分正常磨损。在磨损区域，产生融化和合金层剥落。见图 6和见图 7。

2.6.2 分析原因

由于不正确安装，或曲轴压在轴瓦边沿，导致间隙不足。从某种程度上来讲，引起异常摩擦和润滑油膜缺乏，温度上升，直到铅从铜合金层分离，这些区域完全破坏。

2.7 固体杂质

2.7.1 现象

外界物质侵入到合金层上，导致合金层移位，也可能导致轴瓦表面有划伤。见图 8。

2.7.2 分析原因

润滑油中的灰尘，污垢，磨削和金属颗粒吸附在轴瓦表面，使合金材料移位，这些发射出来的合金材料和微粒达到曲轴上，引起局部摩擦，损坏润滑油膜。见图 9。

2.8 椭圆形内腔

2. 8.1 现象

轴瓦边沿附近区域过渡磨损。见图 10。

2.8.2 分析原因

由于连杆在交变负荷下会发生弯曲，内腔变成椭圆形，轴瓦也形成这种趋势，因此内表面形成椭圆形。由于内腔变形，轴瓦分隔间隙明显变小，这将导致合金层与曲轴之间相互撞击。见图 11。

2.9 轴瓦半径高不足

2.9.1 现象

轴瓦背面或某些可见光亮区域，也包括分割区表面。见图 12。

2.9.2 分析原因

紧固不够，必要的径向压力难以形成，轴难以保持在轴瓦内腔内正常运转。由于接触不充分，轴瓦会发生跳动导致摩擦，热量增加。

导致轴瓦高度不足的原因：扭矩不足；轴瓦内腔尺寸超差；螺栓虚假力矩。

2.10 顶部移动

2.10.1 现象

两片轴瓦接近分隔区域的对称面上过度磨损。见图13。

2.10.2 分析原因

轴瓦顶部发生位移，会迫使两片轴瓦的一边靠在曲轴上，主要由以下原因引起：紧螺栓时，扭矩不足；瓦片错位；孔、销或其他中心位置改变；曲轴在磨削过程中，中心移位；重新使用连杆或轴瓦 螺栓。

2.11 曲轴轴径失圆

2.11.1 现象

轴瓦出现偏磨现象，单侧磨损，两侧同时发生磨损，中间部分发生磨损。见图14、图 15、图 16。

2.11.2 分析原因

曲轴轴颈插图分别阐述了三种故障现象。

曲轴轴颈失圆使得施加在軸瓦表面的载荷不均匀，在某些区域产生高负荷，加速磨损。轴瓦与曲轴之间的间隙变小，产生金属撞击。

3 结论

以上是轴瓦的主要失效现象和原因的分析，在解决发动机问题时，首先是按照经验来判断可能发生的什么问题，如果无法判断，采用专用的，同时要结合数据，进行具体问题，具体分析。在开发试验阶段，由于发动机工作条件复杂，必然会出现复杂的现象。一旦发现问题，我们应做到及时分析，及时解决，直到验证通过。

轴瓦的各种失效模式往往是发动机各系统中运行故障的不同体现，因此在工程实践中对各种失效模式的积累和分析是重要基础工作。

参考文献

[1] 周龙保.等.内燃机学.[M]北京：机械工业出版社，1999.

[2] 杨连生.内燃机设计.[M]北京：中国农业机械出版社，1981.

[3] 万欣，林大渊.内燃机设计[M].天津：天津大学出版社，1992.

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