何道明

摘要：通過對發(fā)動(dòng)機(jī)NVH進(jìn)行測試，確定發(fā)動(dòng)機(jī)異響源為活塞連桿組件，異響問題的直接原因?yàn)檫B桿襯套異常磨損。結(jié)合連桿襯套的失效機(jī)理，對可能導(dǎo)致的連桿襯套異常磨損的原因進(jìn)行分析排查，找出導(dǎo)致異常磨損的根本原因，制定相應(yīng)的改善對策。通過對活塞、連桿、活塞銷的受力情況、尺寸配合情況以及潤滑效果進(jìn)行分析，優(yōu)化尺寸配合以及改善潤滑條件。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)機(jī)試驗(yàn)以及整車路試進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示對發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響有明顯的改善效果，從而解決發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響的問題。

關(guān)鍵詞：NVH;發(fā)動(dòng)機(jī)異響;活塞;連桿;活塞銷;潤滑

0? 引言

隨著國民生活水平的不斷提高，汽車消費(fèi)者對整車的品質(zhì)需求也在不斷提升。除了價(jià)格、外觀、動(dòng)力性和使用經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)傳統(tǒng)核心因素外，整車舒適度也已成為購車的一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo)之一。根據(jù)最新市場統(tǒng)計(jì)情況，客戶對汽車的抱怨中，NVH（噪聲、震動(dòng)、聲震粗糙度）問題點(diǎn)占比日益增加，目前占比約30%，所反饋的問題主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響、急加速異響、怠速異響以及在特定轉(zhuǎn)速時(shí)的異響等，所以對發(fā)動(dòng)機(jī)異響問題的改善和優(yōu)化就尤為重要[1]。

本文主要針對某型發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響問題進(jìn)行深入研究，通過NVH測試、發(fā)動(dòng)機(jī)拆解分析和潤滑效果分析等確定異響源為活塞連桿組件。活塞連桿組件做為發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心運(yùn)動(dòng)件，其長期工作在高溫和往復(fù)沖擊的環(huán)境中，如果出現(xiàn)配合不當(dāng)或者潤滑不良的情況極易導(dǎo)致其成為各種異響的禍?zhǔn)琢悴考2]。本文旨在通過對活塞連桿組件的潤滑優(yōu)化改善過程說明，建立起科學(xué)的設(shè)計(jì)初期質(zhì)量保障方法、明確的設(shè)計(jì)優(yōu)化改善方向和連桿潤滑問題解決方法等。

1  問題概述

1.1 異響問題描述

在發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)驗(yàn)證階段發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)怠速狀態(tài)下，存在明顯的“噠噠噠”響聲，異響聲音可持續(xù)10秒鐘時(shí)間左右，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，怠速異響逐漸消失。

通過對發(fā)動(dòng)機(jī)外圍附件（如噴油器、節(jié)氣門閥、增壓器執(zhí)行器）進(jìn)行單體排查驗(yàn)證，排除其為異響源，進(jìn)而將異響源鎖定在發(fā)動(dòng)機(jī)本體內(nèi)部。根據(jù)筆者對發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體類導(dǎo)致的異響的主要原因有：①發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)，氣門完全關(guān)閉，氣門桿末端與挺柱之間有一定的間隙，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)狀態(tài)時(shí)，間隙變小，發(fā)動(dòng)機(jī)異響聲變小或消失;②發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)，VVT系統(tǒng)由于泄油等情況，零件內(nèi)部轉(zhuǎn)子間未形成油壓，在短時(shí)間內(nèi)也出現(xiàn)異響問題;③活塞連桿組件在冷機(jī)狀態(tài)，由于潤滑不充分，零件之間存在配合間隙，會(huì)存在異響問題[3]。

1.2 異響源排查

在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證異響與冷熱機(jī)、機(jī)油壓力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過主觀識別的方法，對異響源進(jìn)行排查確認(rèn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示異響在冷機(jī)怠速（1100轉(zhuǎn)）、點(diǎn)火（2000轉(zhuǎn)）都存在，而在相應(yīng)的熱機(jī)點(diǎn)火、倒拖轉(zhuǎn)速都不存在，所以異響產(chǎn)生與（低速段）轉(zhuǎn)速無關(guān)，但與冷熱機(jī)狀態(tài)以及機(jī)油壓力有關(guān)，在冷機(jī)狀態(tài)、或低油壓狀態(tài)均有異響。

根據(jù)以上的驗(yàn)證結(jié)果討論制定驗(yàn)證NVH的驗(yàn)證方案如下：

①1米聲壓級測試（5點(diǎn)法+后端測點(diǎn)）：用于整體評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平。1米聲壓級測試結(jié)果如圖1所示，有“噠噠噠”異響，綠線數(shù)據(jù)在3000Hz-4800Hz頻帶內(nèi)明顯高于其他數(shù)據(jù);

②近場噪聲測試：用于測量發(fā)動(dòng)機(jī)局部零部件的噪聲大小以及特征，與1米聲壓級配合使用，能較好的識別噪聲來源。近場噪聲測試結(jié)果如圖2所示，有“噠噠噠”異響，綠線數(shù)據(jù)在2000Hz-4800Hz頻帶內(nèi)明顯高于其他數(shù)據(jù);

③震動(dòng)測試：用于捕捉發(fā)出噪聲的激勵(lì)來源以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，與近場遠(yuǎn)場噪聲頻率比對配合使用。震動(dòng)測試結(jié)果如圖3所示，有“噠噠噠”異響綠線數(shù)據(jù)在2000Hz-4800Hz頻帶內(nèi)也是明顯高于其他數(shù)據(jù)。

通過以上的分析結(jié)果可得出判斷結(jié)論：“噠噠噠”異響為2000Hz-4800Hz寬頻的噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)異響與溫度有關(guān)、與潤滑有關(guān)、與缸內(nèi)壓力有關(guān)。

2? 原因分析

2.1 拆解分析

經(jīng)過對發(fā)動(dòng)機(jī)拆解分析，活塞銷表層有磨痕（圖4），檢查連桿襯套發(fā)現(xiàn)有燒蝕的情況（圖5）。在原機(jī)上控制變量更換活塞連桿組后，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行故障再現(xiàn)的驗(yàn)證，結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng) “噠噠噠”響聲消除。將原故障機(jī)的活塞、連桿、活塞銷進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)連桿襯套尺寸嚴(yán)重超差（表2），其中連桿襯套最大磨損量約為22μm。用圓度儀對連桿襯套進(jìn)行檢測，連桿襯套磨損的方向與受力方向一致，圓度、圓柱度已嚴(yán)重超差。用電子顯微鏡對連桿襯套進(jìn)行腐蝕分析，發(fā)現(xiàn)磨損部位晶界滑移，晶界滑移與溫度有直接的關(guān)系。從以上的檢測的結(jié)果分析，連桿襯套出現(xiàn)異常的磨損是導(dǎo)致冷啟動(dòng)異響的主要原因。

2.2 連桿襯套失效機(jī)理分析

連桿襯套是連桿小頭和活塞銷的重要連接部件，在實(shí)際工作中承受著連桿組件慣性力和活塞傳遞的爆發(fā)壓力的交替載荷作用，同時(shí)工作環(huán)境溫度較高。當(dāng)油膜潤滑不充分時(shí)，連桿襯套極易出現(xiàn)磨損、燒蝕和沖蝕現(xiàn)象。連桿小頭和襯套材料不同，受過盈壓力和活塞銷傳遞的交變載荷的影響，兩者接觸面上在承受相同的接觸壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，導(dǎo)致兩接觸體在接觸面上相互錯(cuò)動(dòng)，即為微動(dòng)。隨著活塞連桿組件長時(shí)間周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，微動(dòng)磨損增加，襯套過盈量逐漸減小。進(jìn)而使襯套出現(xiàn)裂紋或者產(chǎn)生過度磨損。

2.3 連桿襯套失效原因確定

結(jié)合連桿襯套失效的機(jī)理，對導(dǎo)致連桿、活塞銷異常磨損的原因進(jìn)行初步分析如下：①連桿襯套或活塞銷加工尺寸超差，配合間隙過大，無法形成油膜，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損;②連桿襯套材質(zhì)不良，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損;③活塞銷表面DLC涂層硬度過高，與連桿襯套存在硬度差，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損;④活塞連桿組潤滑不良，連桿襯套過熱燒蝕，導(dǎo)致連桿襯套異常磨損。針對以上四個(gè)可能原因，進(jìn)行主要原因的排查確認(rèn)如下：

①通過對同一生產(chǎn)批次的連桿襯套和活塞銷進(jìn)行尺寸測量，分別檢測100件和3000件，未發(fā)現(xiàn)尺寸不合的情況，可排除該潛在原因;但活塞銷與連桿襯套之間設(shè)計(jì)配合間隙過大，經(jīng)過文獻(xiàn)研究和對標(biāo)分析，活塞銷與連桿間隙為（0.010-0.020）mm為最佳的配合間隙，而該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷與連桿襯套配合間隙為（0.015-0.025）mm，配合間隙偏大，可能導(dǎo)致油膜無法形成，加快襯套的異常磨損;②對故障件以及正常件的材質(zhì)進(jìn)行分析，硬度檢測結(jié)果為122HB（故障件）和118HB（正常件），均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（80-130）HB;對故障件以及正常件的成分進(jìn)行分析，檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，無異常（表3）;對故障件以及正常件的金相進(jìn)行分析，空穴均為1級（圖9、圖10），符合標(biāo)準(zhǔn)要求;可排除材質(zhì)不良的潛在原因;③對活塞銷表面DLC涂層的硬度進(jìn)行檢測，DLC涂層硬度為1634HB，硬度等級為連桿襯套的10倍以上，在明顯硬度差的作用下，有可能導(dǎo)致連桿襯套的異常磨損;④該發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞連桿組上采取飛濺潤滑的潤滑方式，在低轉(zhuǎn)速有可能造成潤滑不良的情況。

根據(jù)排查結(jié)果，最終分析的主要原因?yàn)椋孩倩钊N表面DLC涂層與連桿襯套硬度差過大;②活塞連桿組潤滑不良;③活塞銷與連桿襯套配合間隙不合理。

3? 優(yōu)化方案

3.1 方案制定

針對上文排查出的三個(gè)主要因素，分別制定相應(yīng)優(yōu)化的措施：①優(yōu)化活塞銷涂層，用滲碳表面處理替代DLC涂層，在滿足表面硬度要求前提下，減少活塞銷與連桿襯套的硬度差，避免早期異常磨損;②優(yōu)化活塞連桿組的潤滑方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)增加機(jī)油噴嘴進(jìn)行強(qiáng)制潤滑;同時(shí)在活塞連桿組裝配時(shí)，采取預(yù)涂油的措施，確保在初始狀態(tài)有良好的潤滑作用;③優(yōu)化活塞銷與連桿襯套的配合間隙，對活塞銷、連桿進(jìn)行分組裝配，以保證配合的最優(yōu)間隙。

3.2 方案校核

3.2.1 優(yōu)化活塞銷涂層的方案校核

在取消DLC涂層后，采取滲碳處理，對活塞銷表層硬度以及靜態(tài)變形量進(jìn)行校核確認(rèn)。硬度的檢測82.4HRA，轉(zhuǎn)化為HB為615HB（標(biāo)準(zhǔn)要求≥79.6HRA），表層硬度與連桿襯套硬度差得以減小。同時(shí)對優(yōu)化后的活塞銷進(jìn)行靜態(tài)變形量的試驗(yàn)，測量示意圖如圖11。測量條件：歸零壓力5kN，測量壓力45kN，測量結(jié)果見表4。

方案校核結(jié)論：極限爆發(fā)壓力下，活塞銷彎曲變形量不大于其直徑的0.2%，在此壓力下活塞銷彎曲變形≤40μm。取消DLC涂層后的活塞銷靜態(tài)彎曲極限變形量符合要求。

3.2.2 優(yōu)化活塞連桿組潤滑方案校核

為優(yōu)化活塞連桿組的潤滑效果，通過增加機(jī)油噴嘴對活塞連桿組進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。（圖12）

同時(shí)為確保發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程對運(yùn)動(dòng)副零件潤滑效果，活塞銷裝配前對活塞銷、活塞銷孔及連桿襯套孔充分潤滑，活塞銷前端潤滑范圍不低于10mm。

3.2.3 優(yōu)化活塞銷與連桿襯套的配合間隙方案校核

根據(jù)活塞銷以及連桿襯套孔的尺寸標(biāo)準(zhǔn)要求，各分三組，通過對活塞銷以及連桿襯套的尺寸進(jìn)行分組裝配，分組情況如表5所示。

以上三個(gè)方案經(jīng)校核在發(fā)動(dòng)機(jī)上均有實(shí)施可行性。

4? 效果驗(yàn)證

為對以上的優(yōu)化方案進(jìn)行充分驗(yàn)證，筆者最終選擇兩種組合驗(yàn)證方案進(jìn)行開展：

①活塞銷取消DLC涂層，活塞銷與連桿進(jìn)行分組裝配，裝配前連桿、活塞、活塞銷進(jìn)行預(yù)涂油潤滑。經(jīng)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)啟動(dòng)至運(yùn)行10秒左右均有“噠噠噠”異響，但異響聲較反饋的故障問題有改善作用，熱機(jī)狀態(tài)無“噠噠噠”異響聲。 對該發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿襯套、活塞銷拆解檢測，連桿襯套內(nèi)部過熱燒蝕的情況較改善前有明顯改善，活塞銷表層未見明顯磨痕。尺寸檢測結(jié)果，連桿襯套最大磨損量為4μm（表6），較改善前的磨損量減少16μm。

②活塞銷取消DLC涂層，活塞銷與連桿進(jìn)行分組裝配，增加機(jī)油噴嘴，裝配前連桿、活塞、活塞銷進(jìn)行預(yù)涂油潤滑。經(jīng)驗(yàn)證，冷機(jī)啟動(dòng)無異響，熱機(jī)狀態(tài)無“噠噠噠”異響聲。增加機(jī)油冷卻噴嘴前后的機(jī)油壓力對未見明顯差異，判斷對其他潤滑機(jī)構(gòu)無影響。對該發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿襯套、活塞銷拆解檢測，連桿襯套內(nèi)部過熱燒蝕的情況較改善前有明顯改善，活塞銷表層未見明顯磨痕。尺寸檢測結(jié)果，連桿襯套最大磨損量為2μm（表7），較改善前的磨損量減少20μm。

通過以上兩個(gè)驗(yàn)證方案的結(jié)果可以看出，方案一、方案二對改善連桿襯套異常磨損有的改善效果，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)啟動(dòng)無異響反饋，連桿襯套無燒蝕異常磨損情況，方案二改善效果優(yōu)于方案一。

5? 結(jié)束語

通過對該發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)異響的分析和研究，我們發(fā)現(xiàn)連桿小頭和活塞銷配合、材料硬度差及潤滑效果是影響活塞連桿組件工作噪聲及可靠性的幾個(gè)最重要因素，對后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。本文中的整個(gè)問題排查過程和方式方法也對同類問題的排查和解決具有重要的參考價(jià)值。

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