（光学工程专业论文）发动机活塞故障原因与诊断方法研究.pdf

青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 随着我国汽车工业的不断发展，国民汽车保有量呈现逐年升高的趋势，伴随 而来，汽车故障率也是逐年上升，汽车核心技术一般体现在发动机上，世界各大 著名汽车品牌公司在提高车辆外观审美水平的同时也在不断地提升发动机的综合 性能。活塞作为汽车发动机的关键零部件之一，它的工作性能、工作状态直接影 响汽车发动机的良好性能的发挥。 伴随着发动机的新技术不断地应用，发动机不断向着强化、增压、大功率方 向发展，人们不但要求发动机动力性能优越，还要求发动机达到理想的经济性。 在这样的背景下活塞的结构设计趋向复杂化，其工作环境也越来越恶劣，活塞故 障率也呈现上升的趋势。 在对国内各大主机厂( 主要包括j m c 江铃汽车股份有限公司、长城汽车股份 有限公司、北汽福田汽车股份有限公司、一汽无锡柴油机厂等) 厂内及市场上反 馈的发动机故障率进行了调查，有近5 0 的发动机故障是由于发动机活塞问题引 起的。 本文通过对发动机活塞出现的主要问题，从设计、制造、运行工况等多方面 进行了分析与研究，总结出了活塞故障的诊断方法。以便更好的预防和解决发动 机活塞发生的故障。 关键词：发动机故障率，发动机活塞，发动机活塞诊断方法 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r y ，t h e n a t i o n a la u t op o s s e s s i o np r e s e n ti n c r e a s i n gi nt h et r e n d ，a c c o m p a n i e db y ，c a rf a i l u r e r a t ei sr i s i n gy e a rb yy e a r ，c a rc o r et e c h n o l o g ya r eg e n e r a l l yr e f l e c t e di nt h ee n g i n e ，t h e m a j o rw o r l df a m o u sa u t oc o m p a n yi m p r o v ev e h i c l ea p p e a r a n c ei nt h ea e s t h e t i cl e v e l a l s oc o n t i n u et oi m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fe n g i n e t h ep i s t o n sa so n e o ft h ek e yp a r t so ft h ec a re n g i n e ，i t st h ej o bo ft h ep e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gs t a t e d i r e c t l yi n f l u e n c et h ee n g i n e sg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ep l a y w i t ht h en e wt e c h n o l o g yo fe n g i n ec o n s t a n t l ya p p l i c a t i o n ，t h ee n g i n eh a sb e e nt o s t r e n g t h e na n dp r e s s u r i z e d ，h i g h - p o w e rd i r e c t i o nd e v e l o p m e n t ，p e o p l en o to n l yr e q u i r e e n g i n ep o w e rs u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，a l s or e q u i r e se n g i n et oa c h i e v et h ei d e a lo ft h e e c o n o m y i nt h i sc o n t e x to ft h es t r u c t u r eo ft h ep i s t o nd e s i g nt r e n dc o m p l i c a t e d ，t h e w o r k i n ge n v i r o n m e n ti sm o r ea n dm o r es e v e r e ，t h ep i s t o nf a i l u r er a t ea l s os h o w e da r i s i n gt r e n d o nt h ed o m e s t i ca u t o m a k e r s ( m a i n l yi n c l u d i n gj m cj i a n g l i n gc o ，l t d ， g r e a t w a l lm o t o r ss t o c kc o ，l t d ，f u t i a na u t o m o b i l ec o ，l t d ，f a ww u x id i e s e lf a c t o r y ， e t c li nf a c t o r yi nt h em a r k e ta n dt h ef e e d b a c ko fe n g i n ef a i l u r et oc a r r yo nt h e i n v e s t i g a t i o n ，n e a r l y5 0 o f t h ee n g i n ei sd u et ot h ee n g i n ep i s t o np r o b l e m sc a u s e t h i sa r t i c l et h r o u g ht ot h ep r o b l e m se m e r g e di nt h ee n g i n ep i s t o n ，f r o mt h ed e s i g n ， m a n u f a c t u r e ，o p e r a t i o nc o n d i t i o na n ds oo nh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h ， a n ds u m su ps o m es e to fs o l u t i o n s i no r d e rt ob e t t e rt op r e v e n ta n ds o l v et h ee n g i n e p i s t o nt h ef a u l to c c u r r e d k e y w o r d s ：t h ee n g i n ef a i l u r er a t e ，t h ee n g i n ep i s t o n ，p i s t o ne n g i n ef a u l ts o l u t i o n i i 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 近几年中国汽车市场出现了一个井喷式的发展，汽车用发动机技术随之不断 的提高，无论从动力性、经济型、环保性等各方面都进行了深入的研究，技术在 进步对发动机组成各部件也有了很高的要求。活塞是发动机的核心部件，它的结 构形式、材料等直接影响着发动机的性能。 近年来各大汽车公司主机厂对活塞供应商的选择非常的严格，无论从资质、 发展历史、国际知名度，还是从技术水平等各方面都进行了严格的审核。尤其是 当发动机在试验或者客户使用过程中出现问题，而故障发生在活塞部件上面，主 机厂和活塞供应商技术部门都会花费很长时间去查找原因，往往效果不是很理想。 笔者在汽车活塞公司担任技术工程师，主要负责处理主机厂反馈的与活塞相 关的故障问题，由于长期与主机厂技术部门联系，解决活塞相关问题，对活塞相 关故障问题有了比较深入的了解和研究，所以选择此课题进行研究。 1 1 2 研究目的与意义 在工作这几年的时间里，越来越发现发动机的故障与活塞的关系愈发密切， 解决处理起来非常复杂，当主机厂接到客户抱怨，会及时与我司技术部门联系， 并限我们在很短的时间将问题解决。在接到抱怨后，我们会迅速对故障现象、故 障活塞进行分析。在处理过程中发现很多不能解决的难题，往往需要与德国、韩 国等专家共同进行分析解决。 为了在以后的工作中能够保质保量迅速的给主机厂一个满意的分析整改方 案，笔者对活塞相关故障原因分析和诊断方法进行了一定的研究与总结，也为同 行提供一个参考。 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 2 研究的主要内容和方法 1 2 1 主要内容 1 分析三种典型活塞的故障，研究其诊断其发生的原因和故障诊断流程。 2 列举三种典型活塞故障，并详细的使用上面阐述的产生原因和诊断流程去分析 这四种故障。 1 2 2 研究方法 1 通过对近几年处理过的活塞的故障，进行分类整理。 2 对整理后的故障进行故障现象、故障产生原因总结。 3 整理解决方案的思路，从而对相近故障的研究分析出其发生原因和诊断方法。 1 3 本章小结 由于目前发动机上所使用的材料绝大部分是铝硅合金，铝硅合金具有质量轻 强度高的特性，其在发动机活塞领域至今仍占据着主导的地位。为了使发动机具 有强劲的动力性和好的经济性环保性，发动机的工作条件日趋呈现高温高压高强 度，这对于铝硅合金材料来说，其承载能力已经接近于或达到了材料的疲劳极限。 所以故障率也是逐渐上升，在解决这些故障问题时，就是一个更改活塞结构设计， 提高活塞材料强度，改善活塞生产工艺的过程。 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章发动机活塞故障诊断的理论基础 2 1 发动机活塞的材料 目前各大活塞制造公司主要使用的活塞的材料有以下三类： 1 铝合金材料 铝合金有很多种类，目前活塞行业使用的主要是铸造铝合金。其突出的特点 是密度小，比强度高，导热性好。如果在经过一定的形变强化和热处理强化，其 强度还可以大大提高。由于在同样强度的条件下，他比钢、铁等材料质量轻得多， 所以铝合金活塞在工作过程中产生的惯性小，对于降低发动机振动，减小发动机 整机质量有着重要意义。此外，发动机运行过程中，质量低的活塞对缸壁产牛的 侧压力和冲击力也比较小，这样可以减小活塞组与缸壁以及活塞销的摩擦力，并 降低他们的磨损量。铝合金导热性好，活塞运行时，可以及时将汽缸内部产生的 热量及时带走散到缸体外部。防止产生拉缸熔顶等故障。 目前使用的铝合金活塞材料大致有四类：铝硅系铝合金、a i c u 系铝合金、 a i m g 系铝合金、a l z n 系铝合金。国内使用的铝合金活塞材料主要是共晶铝硅 合金( 含s i l l t 3 的共晶铝硅合金) ，其线膨胀系数比较低。对比结果如表2 一l 所示同时其铸造性能很好。常用的共晶铝硅合金有z l l 0 8 和z l l 0 9 两种。 表2 i 三种铝合金对比表 t a b l e2 1t h ec o n t r a s ts h e e to f t h r e ea i r a f e r 密度导热率线膨胀系数3 0 0 抗拉强度 ( g c m 2 ) ( w m )1 0 ( n m m 2 ) 共晶铝硅合金 2 6 9 2 7 41 0 4 “1 6 7 4 82 0 2 1 56 0 1 0 0 过共晶铝硅合金 2 6 5 2 6 811 7 2 1 4 6 5 51 7 1 9 56 0 9 0 铝铜合金 2 8 2 8 51 3 8 1 7 1 5 9 12 3 2 41 5 0 2 6 0 由于铝硅合金材料存在不规则粗大块状初晶硅和共晶硅组织，使其抗磨性及 体积稳定性能和切削性能较差，所以使用前要进行变质处理，来细化组织结构 目前各大公司一般进行磷变质处理来达到细化初晶硅和共晶硅的目的。还有铝硅 青岛理工大学工程硕士学位论文 合金是高温强度差、热膨胀系数大。这也使其在使用方面受到一定的限制。 2 铸铁材料 由于铝合金存在高温强度差、热膨胀系数大的缺点，目前大部分柴油机功率 大、进气压力大、热效率高等特点，使其活塞材料采用铸铁。 常用的铸铁有灰口铸铁和球墨铸铁。铸铁的密度约为铝合金的三倍。与铝合 金相比，它有较低的热膨胀系数及较高的高温力学性能。铸铁的主要缺点是密度 大即质量大，导热性差，在运行过程中对气缸套产生较大的摩擦力，加速了活塞 气缸的磨损。但是近年来对活塞设计结构进行了改进，采用薄壁结构降低了其密 度大的缺点。 3 铸钢材料 铸钢具有良好的机械性能，较高的耐热性和机加工性能，较强的耐腐蚀性以 和耐磨性，但是铸钢密度较大，对缸套的磨损严重。所以铸钢活塞一般应用在大 型内燃机上( 船舶柴油机等) ，在汽车上比较少用。 由于本公司所生产的活塞是以铝硅系铝合金为原材料。所以本文主要以铝硅 系铝合金材料发动机活塞为研究对象，来进行发动机活塞的故障原因分析。 2 2 发动机活塞的结构 2 2 1 概述 活塞用于承受汽缸中高温高压气体压力所产生的作用力，并将此压力通过活 塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞顶部还与汽缸盖及汽缸壁共同组成燃烧室。 活塞顶部承受着燃气带有冲击性的高压力，特别是作功行程压力最大，汽油 机高达3 - - - 6 5 m p a ，柴油机高达6 9 m p a ，在作功过程中可燃混合气的温度非常 高，最高温度可达到1 5 0 0 2 0 0 0 ，高温燃气的热量大部分传播到活塞顶部和汽 缸内壁上，而活塞裙部温度较低，这样导致活塞温度分布很不均匀：活塞在汽缸 内的运动速度很高( 8 1 2 m s ) ，且速度在不断地变化。其在这种恶劣多变的条件 下工作，活塞受正压、侧压力，受高温等，活塞会产生变形并加速磨损。因此活 塞应具有以下设计要求： 1 具有较轻的结构重量，足够的刚度和强度； 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 避免各部分截面尺寸变化及壁厚差别太大； 3 避免局部过热，使温度分布尽可能均匀； 4 使用导热良好、耐疲劳性好、高温屈服点高的材料； 5 加强局部冷却。 2 2 2 活塞的构造 活塞的基本结构分为顶部、头部和裙部三部分。活塞结构图如图2 1 所示。 活 活 图2 - 1 活蓉结构 f i g u r e2 - 1p i s t o ns t r u c t u r e 1 活塞顶部 活塞顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力，其形状、位置、大小都 和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求。 按照活塞项部形状可将活塞分为平顶活塞、凸项活塞、凹顶活塞和成型顶活 塞等四种类型( 如图2 2 所示) 。平顶活塞顶部是一个平面，其优点是吸热面积 小、制造工艺简单、项部应力分布较为均匀。但是发动机单缸的压缩比只能靠汽 缸盖内部的形状来调节；凸顶活塞顶部的凸起部分一般呈半球形，与平顶活塞相 比较其顶部强度高，而且可以很好的增大压缩比，在一些汽车改装机构往往利用 更换凸顶活塞来增大压缩比；凹顶活塞顶部呈凹陷状，凹部的形状往往是根据可 燃混合气进入气缸的方向位置不同而不同，主要目的是利于高压气体的充分混合 和完全燃烧；成型顶活塞顶部是按照活塞设计要求直接进行铸造，再经过一定的 机械加工得到，有的直接是铸造得到无需机加工。其顶部形状一般是无规则的并 且形状各异，主要目的是保证发动机的压缩比和高压气体进入缸体形成高速气流 青岛理工大学工程硕士学位论文 保证可燃混合气混合均匀。 目前汽油机活塞顶部多采用凸项或凹顶，主要是为了改善混合气形成和燃烧， 顶部形状还可以用来调节发动机的压缩比；柴油机的活塞顶部多采用成型顶，其 具体形状、位置和大小都必须与柴油机混合气的形成或燃烧要求相适应。 西亩图 l - ：to ”mx m _ 目_ 厂、 ” 。乜于 i 平漂浮嚣凸鳆活辫 黝藏活塞茂糍瑷活塞 图2 - 2 活塞】页形状 f i g u r e2 - 2t h ef o r mo fp i s t o nt o p 2 活塞头部 活塞头部是活塞销孔以上到第一道活塞环槽的部分。它主要包括三到四道环 槽，这些环槽主要用以安装活塞环，与活塞环共同起密封作用( 如图2 一1 ) 。 汽油机一般有三道环其中一、二环是气环起密封作用，第三道环是油环，在 油环槽底部开有很多径向回油孔，在活塞运动过程中，油环将气缸壁多余的润滑 油刮走并通过回油孔流到油底壳中。柴油机压缩比高，一般有四道环槽甚至更多， 上部三道安装气环，下部安装油环。由于第一道环槽工作条件最恶劣，一般离顶 部较远。 活塞头部的主要作用有：承受气体压力，并传给连杆；与活塞环一起实现汽 缸的密封，防止可燃混合气漏到曲轴箱内；将活塞顶部所吸收的7 0 8 0 的热量 通过活塞环传导到汽缸壁上，再由冷却水散发出去。活塞头部一般做得比较厚， 以便于热量从活塞顶部经活塞环传给汽缸的冷却壁面上，从而防止活塞顶部的温 度过高。有的发动机活塞在第一道环槽上面，切出一道较环槽窄的隔热槽，以隔 断从活塞顶部流下来的部分热流通道，迫使热流方向折转，把原来应由第一道活 塞环散走的热量，分散给第二、三环，以消除第一环过热后产生积炭和卡死在环 槽中的可能性。 3 活塞裙部 活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分。其作用是为活塞在汽缸 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 中做往复直线运动导向和承受侧压力。它包括活塞销座孔。裙部的长短取决于侧 压力的大小和活塞直径。 所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水 平分力使活塞压向汽缸壁( 如图2 3 所示) 。图2 3a 表示作功行程，在此过程中 活塞受到燃气爆发压力f 1 ，使活塞给气缸一个侧压力f p 2 ，图2 3 b 表示压缩行程， 在此过程中连杆给活塞向上的推力f z ，活塞给气缸一个侧压力f p 2 ，。压缩行程和 作功行程气体的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力f l 大大高于压缩压力f 2 ，所 以，作功行程中的侧压力f p 2 也大大高于压缩行程中的侧压力fp 2 ，。活塞裙部承受 侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。 f 1 图a 2 2 3 活塞的结构特点 图b 图2 - 3 气体作用力 f i g u r e2 - 3g a sf o r c e 活塞工作时，由于机械负荷和热负荷的影响，会使活塞产生变形。在圆周方 向，其裙部直径沿活塞销座轴线方向增大，使裙部变成长轴在活塞销座轴线方向 上的椭圆。为了保证活塞在工作时与气缸壁间保持比较均匀的间隙，以免在气缸 内卡死或引起局部磨损，必须在结构上采取各种措施。 1 冷态下将活塞制成其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆。 青岛理工大学工程硕士学位论文 正常状态下活塞在工作时应具有正确的圆柱形。但是，由于活塞裙部的厚度 不均匀，活塞销座孔部分比较厚，受热膨胀量大，活塞裙部其他部分比较薄，受 热膨胀量较小，所以沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。 另外，前面所述裙部承受气体侧压力的作用，也会导致沿活塞销轴向变形量 较垂直活塞销方向大。这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会 变成一个椭圆，使活塞与汽缸内壁之间的间隙不相等，可能产生拉缸等故障。 因此，在加工时预先将活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直， 短轴方向沿销座方向，这样在活塞工作时活塞裙部就会趋近于正圆。 2 冷态下活塞制成沿活塞轴线方向为上小下大的近似圆锥形。 由于活塞沿高度方向的温度分布不均匀，在发动机运行过程中，可燃混合气 燃烧产生的压力直接作用到活塞顶面，大量热量直接与活塞顶面接触导致活塞头 部的温度是最高的，越向下温度越低，相应的活塞的膨胀量也是上部大最大、下 部最小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞 制成上小下大的锥形。 3 为了防止活塞裙部接受大量的热，一般在活塞裙部受侧压力小的一侧开 “n ”形槽或“t ”形槽，如图2 4 所示。 其中横槽称绝热槽，可减少从活塞头部向裙部的传热，使裙部膨胀量减少； 纵槽称膨胀槽，使裙部具有弹性，开槽活塞冷态下的问隙可减小，热态下又因切 槽的补偿作用，使活塞不致卡死在气缸中。 丌嗍l 凌嬲鬻 图2 4 活塞开槽 f i g u r e2 - 4p i s t o ng r o o v e 4 活塞销偏移布置。 活塞在气缸内运行过程当穿越过上止点改变方向时，由于侧压力瞬时换向， 8 青岛理工大学工程硕士学位论文 使活塞与缸壁的接触面突然有一侧平移至另一侧，便产生活塞对气缸的敲击。为 了消除这种冲击，有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的，向 作功行程中受主侧压力的一方偏移了e = 1 2m m ( 如图2 5 所示) 。这种结构 可使活塞接近上止点时，作用在活塞销座轴线右侧的气体压力大于左侧，使活塞 绕过活塞销轴线转过一个角度，裙部下端首先与左侧的缸壁，提前换向。当活塞 越过上止点，侧压力由右向变为左向时，活塞便以左下端接触处位置点，顶部向 左转，完成换向，而是换向冲击力大为减弱，从而也减小了敲缸的声音。 m ，一_a 立 、 、 勉， 、。 缮萄 孤飞 萋 ，j一 太 孙- l j j1 1一-吣 n 喜 妾 誉 毒蒌 乓 、， i气 、 i 厂 欠 一) 、， l l l j j、 。j h 、 ， l 一7 。 图2 5 活塞销偏移布置 f i g u r e2 - 5p i s t o np i ns k e w i n g 5 为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座 内嵌入“恒范钢片”。恒范钢片式活塞的结构特点是：由于恒范钢为含镍3 3 一 3 6 的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的1 1 0 ，而销座通过恒范钢片与裙部相 连，牵制了裙部的热膨胀变形量。有的则在裙部镶铸圆筒式钢片，其作用也是牵 制裙部的热膨胀。 2 3 活塞的加工制造 发动机活塞制造加工过程一般经过三个阶段：铸造、机械加工、检查包装。 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 3 1 铸造 1 熔炼 将出库的铝锭与废铝合金按照3 ：l 的比例投入到熔炼炉中，将熔炼炉温度调 至8 0 0 。c 左右，每次投入的重量按照“塔式熔炼炉作业指导书”进行。熔炼完毕， 取出一定量铝液法入设定的容器中冷却后送到实验室使用光谱仪进行成分的检 测，根据检测结果向坩埚中的铝液加入添加剂调节成分。 2 变质处理 由于铝硅合金中存在粗大的不规则的初晶硅和共晶硅，降低了铝硅合金的稳 定性和机加工性能，所以在使用前必须经过变质处理，来细化晶体颗粒。目前采 用的变质处理方式主要是加入磷变质剂来进行变质处理。铝液从熔炼炉里流入到 坩埚里，进行保温使铝液温度保持在7 5 0 。c 8 0 0 c 之间，然后放入三个变质剂( 每 个约1 0 0 9 ) ，进行搅拌变质，变质完毕后将铝液在保温条件下静置三十分钟左右。 然后实验员取样检测，各项指标合格后运入浇注车间使用。 3 浇注 铝液在浇注前，由于在变质处理过程中铝液中存在一部分气体没有被排除， 浇注完的毛坯中容易存在气孑l 不良现象。所以必须先要除气。使用除气机对铝液 按照不同的转速分两次进行搅拌，在除气过程中要向铝液中不断充入氮气并添加 清渣剂，使铝液中的杂质和气体，充分析出排除，在除气过程中继续放入变质剂 进行二次变质处理。 除气变质完毕后，将坩埚放入到浇注机坩埚放置位置静止三十分钟，然后进 行浇注。首先将所生产活塞的模具安装到浇注机上，完毕后进行调试包括模具温 度( 温度过低会导致活塞毛坯产生裂纹、缩松等不良) 、模具位置等。机械手将 铝液倒入到模具浇注口，在水冷的条件下铝液凝固，活塞毛坯成型脱模放入铁框 中。 4 活塞毛坯热处理 由于毛坯中存在内应力，并且铝硅合金的硬度并没有达到规定值，所以对毛 坯要进行热处理。将毛坯按框送入到热处理炉中，热处理炉的温度一般在2 2 0 2 5 0 。c 之间，时间一般在5 小时之间( 根据活塞种不同，热处理的温度和时间不同) 。 完成以后抽检毛坯硬度是否在标准范围内。一般要求硬度值在h b l 0 0 , 、, 1 3 0 之间。 青岛理工大学工程硕士学位论文 活塞铸造流程图如图2 - 6 所示 2 3 2 机械加工 图2 - 6 活塞铸造流程图 f i g u r e2 - 6p i s t o nc a s t i n gf l o wc h a r t 1 车外圆 将活塞毛坯安装到数控车床夹具上，活塞销座作为定位基准，按照尺寸设定 对外圆和活塞顶面进行加工，活塞顶面加工成平面。主要控制的尺寸有活塞头部 直径、裙部直径、壁厚差、头部到外圆的距离。车外圆只是对毛坯进行的初步加 工，对尺寸要求并不严格，尺寸公差较大，主要是为下一步加工确立基准位置。 2 精车止口 利用活塞项面为定位基准进行加工。主要控制的尺寸有止口深度、止口直径。 精车止口的目的也是确定下一步加工的基准位置，尺寸要求比较严格。 3 精车环槽 青岛理工大学工程硕士学位论文 利用止口作为定位基准进行加工。主要控制的尺寸有环槽底径、环槽宽度、 活塞总长度、环槽内倒角，环槽平面度圆跳动。环槽对气缸与活塞之间的密封性， 其关键性的作用，在加工过程中必须严格控制活塞环槽的相关尺寸，多频次进行 监控。由于活塞一环槽和二、三环槽形状一般不同，所以加工三道环槽是分开加 工的，一般一环槽单独加工。 4 粗镗销孔 利用活塞顶面为定位基准，使用镗床进行加工。主要控制的尺寸有销孔直径、 压缩高度、偏心距。活塞销孔还要进一步加工，所以粗镗销孔对尺寸要求不是很 严格，公差范围比较大。 5 车燃烧室、铣气门室 这两步加工是在同一台铣床上进行的，利用活塞止口作为定位基准进行加工。 主要控制的尺寸有活塞顶面到燃烧室底面的距离、燃烧室开口直径、燃烧室容积、 形状、气门室位置、深度、底径。燃烧室和气门室对发动机的性能有很大的影响， 可以导致发动机燃烧不完全，撞气门等故障产生。所以加工尺寸要求非常严格。 尤其是其直径和位置。 6 加工形线 活塞形线就是活塞裙部的椭圆度和活塞上小下大的锥形。这步加工的重要性 不言而喻。直接影响发动机的工作性能。它是利用活塞头部为定位基准进行加工。 主要控制的尺寸有基准点的外径、收缩轮廓、椭圆。 7 精镗销孔 对活塞销孑l 的进一步加工，主要控制尺寸有销孔直径、压缩高度、销孑l 偏心、 表面粗糙度、销孔圆柱度、销孔对裙部轴线垂直度。 8 表面处理 部分活塞为了增加其耐腐蚀性、耐磨性，需要对活塞表面进行处理，还需要 对活塞裙部进行印刷石墨层处理。一般对活塞表面首先进行清洗，然后根据不同 要求进行镀锡、磷化、印刷石墨等表面处理。 活塞机械加工流程图如图2 7 所示 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 3 3 检查包装 图2 7 活塞机械加工流程图 f i g u r e2 - 7p i s t o nm a c h i n i n gf l o wc h a r t 完成品活塞，首先进行关键尺寸测量。然后需要对其外观进行检查，主要项 目：有无碰伤、压痕、刮伤、毛刺、污渍、砂眼等加工不良。确认无误进行装箱 作业。活塞检查、包装流程图如图2 8 所示。 青岛理工大学工程硕士学位论文 图2 8 活塞检查包装流程图 f i g u r e2 - 8p i s t o nc h e c k i n ga n dp a c k i n gf l o wc h a r t 2 4 活塞主要的材料性能和关键尺寸控制 2 4 1 活塞材料的成分、金相组织和硬度 对活塞而言其形状、大小固然重要，但是其材料的相关性能也直接影响活塞 在气缸内工作的稳定性。所以控制活塞材料的成分、金相、硬度非常重要。 1 活塞材料的成分 活塞材料使用的是铝硅合金材料，为了改善铝硅合金的性能在其中还需要加 入其他的元素主要有s i 、c u 、m g 、n i 等，每一种成分的含量有标准规定( 如表 2 2 所示) 。如果活塞材料中某种元素超标会直接影响活塞的强度、硬度、膨胀量 等材料性能。 表2 - 2 铝硅合金元素成分表 t a b l e2 2t h ee l e m e n tc o m p o s i t i o ns h e e to fa l u f e r 元素 c t l m g s if em nn iz np bt i 3 0o 51 0 00 50 2 02 0o 2o 0 8o 2 规格 3 81 o1 3 0m a xm a x2 7m a xm a xm a x 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 活塞材料的组织结构 在铝硅合金原材料经过熔炼以后，内部组织结构存在不规则粗大块状初晶硅 和共晶硅组织，这样使其抗磨性及体积稳定性能和切削性能较差，所以使用前要 进行磷变质处理，来细化组织结构。如果变质处理并没有使其组织结构均匀化， 细致化同样会影响活塞的使用性能。下图2 - 9 是经过变质处理以后的铝硅合金的 金相组织图，图中黑色点表示的是初晶硅，黑色条纹表示的是共晶硅，其余白色 的是q 固溶体也就是铝元素结构。三者组织分布均匀，结构细化符合使用要求。 图2 - 9 变质处理后的铝硅合金标准相图谱( s 2 n ) f i g u r e2 - 9t h em e t a l l o g r a p h i c a lf i g u r eo fa t t e ri n o c u l a t i o n ( s 2 n ) 3 活塞材料的硬度 铝硅合金活塞的最大缺点就是其硬度值小，这也是影响发动机正常工作，限 制发动机功率的重要因素。所以活塞制造过程中，各大制造厂总是尽量将活塞的 硬度值提高。 2 4 2 活塞的关键尺寸 1 活塞外径尺寸( 收缩、椭圆度) 活塞外径尺寸主要包括活塞的椭圆度和活塞的形线，活塞的椭圆度是指活塞 裙部加工成长轴垂直于活塞销孔轴线的椭圆形，沿裙部测量几个点的椭圆度即为 活塞的椭圆度。活塞的形线是指活塞加工成上小下大的形状，其轮廓即为活塞的 形线。此尺寸主要是使用形线仪进行检测。 2 活塞环槽宽度 活塞环槽宽度是指活塞环槽上下侧面之间的距离( 如图2 10 所示) 。此尺寸 青岛理工大学工程硕士学位论文 是控制活塞环和活塞之间间隙的，主要有侧隙、背隙。属于关键尺寸，直接影响 气缸的密封性。使用三坐标或卡尺进行检测。 至氅 |w 攀蕈 i n 葛髯 i n 一 的国。掰 诞 溯册 弛 螂i 3 销孔直径 图2 1 0 活塞环槽宽度 f i g u r e2 - 10t h ew i d t ho fp i s t o nr i n gg r o o v e 销孔直径是活塞与活塞销的配合尺寸，是在精镗销孔后得到的尺寸，其值直 接影响活塞销在销孔中的运转，间接影响活塞在气缸中的运行状态。所以是关键 控制尺寸( 如图2 1 1 4 销孔偏心距 图2 - 1 1 活塞销孔直径 f i g u r e2 - 11t h ep i s t o np i nh o l ed i a m e t e r 为了消除活塞经过上止点时对气缸的敲击，将活塞销孔中心线偏离活塞中心 线平面的，向作功行程中受主侧压力的一方偏移一个小距离称为销孔偏心距，用 e 来表示( 如图2 1 2 所示) 。使用专用的偏心距检测仪检测。 青岛理工大学工程硕士学位论文 图2 1 2 活塞销孔偏心距 f i g u r e2 - 12t h ep i s t o np i nh o l ep a r t i a l i t yd i s t a n c e 5 压缩高度 压缩高度是指活塞销孔中心到活塞顶面之间的距离( 如图2 1 3 所示) 。压缩 高度决定活塞销的位置。在保证气环良好工作的条件下，宜缩短压缩高度，以力 求降低整机的高度尺寸。使用专用的压高检测义检测。 图2 1 3 活塞压缩高度 f i g u r e2 - 13t h ep i s t o nc o m p r e s sh e i g h t 6 燃烧室容积 燃烧室容积是指活塞在上止点时，活塞顶部上方整个空间( 活塞顶、气缸盖 底面和气缸套表面之间所包围的空间) 的容积称为燃烧室容积，一般用毫升( c c ) 表示。但是此处主要是指活塞顶面加工成的燃烧室，控制活塞顶面燃烧室的容积。 青岛理工大学工程硕士学位论文 使用滴定法进行检测。 以上为活塞控制的关键尺寸，由于这几项尺寸直接影响活塞的使用性能，也 直接关乎整机的性能，所以在加工过程中对其检测也非常严格。 2 5 本章小结 本章主要介绍了以下几方面的内容： 1 介绍了发动机活塞材料的种类，主要有三种：铝合金材料、铸铁材料、铸 钢材料。目前主要使用的是铝合金材料，本文研究的活塞的材料是铝硅合金材料。 在分析活塞故障时，需要从活塞材料方面进行分析。 2 介绍了发动机活塞的结构，主要分三部分：活塞顶部、活塞头部、活塞裙 部。活塞的每一部分均有各自的结构特点，这些特点影响了活塞在发动机中运行 状态，工作性能。在分析活塞故障时，首先要分析其结构特点然后运用设备仪器 进行分析。 3 介绍了活塞的加工制造流程，主要有三个阶段：铸造、机械加工、检查包 装。了解活塞的加工制造过程对于分析活塞相关故障是必要的。 4 介绍了活塞的主要材料性能和关键控制尺寸。无论活塞出现何种的故障， 与其材料性能和关键尺寸有直接关系，所以掌握材料性能和尺寸是很重要的。 青岛理工大学工程硕士学位论文 第3 章发动机活塞故障诊断使用的仪器 3 1 测量仪器 1 三坐标仪测量仪 三坐标测量仪是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及 圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量机或三坐标量床。三坐标测量仪 又可定义“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移 动，测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置 把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。有了这种测量机后，在测量容积里 任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的采点发讯装 置是测头，在沿x ，y ，z 三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是 当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于 机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理。 三坐标测量仪的在活塞尺寸控制上可测量活塞的压缩高度、销孔直径、环槽 宽度等关键尺寸。图3 1 a 为三坐标测量仪，图3 1 b 是三坐标测量仪的测针，红 色小球是感应器，当其接触到物体时就会给电脑一个信号。图3 1 c 是测头可以前 后、上下、左右三个方向移动。 图3 - 1 三坐标测量仪 f i g u r e3 - 1t h et h r e ec o o r d i n a t eg a u g e 1 9 hjjjjjji0 忍wvil 岛uh日 hh= 禺v甄_=l 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 圆度仪 圆度仪以其主轴的布局形式分为转轴式和转台式两种。本公司使用的是转台 式圆度仪( 如图3 2 ) ，此种圆度仪是将被测工件安装在回转工作台上。测量时， 被测零件随工作台转动，因旋转工作台的承载能力有限，这种圆度仪不能测量较 重的零件，所以对于测量重量较轻、尺寸较小的零件的圆度仪，最好设计成转台 式。因为它体积小，实现测量控制和误差修正比较方便。 在理想情况下可认为圆度仪回转运动轨迹是“真”圆。当被测件有回转体形 状误差时，必定相对“真圆”产生径向偏差，该偏差值被传感器感知并转换成电 信号。该信号再经电子放大、圆度计算及计算机处理，最后用数字显示出回转体 形状误差值，或记录下来被测件轮廓图形。主要测量活塞的圆柱度，收缩等尺寸。 图3 - 2 圆度测量仪 f i g u r e3 - 2t h er o u n d n e s sg a u g e 3 形线仪 形线仪( 如图3 。3 a 所示) 是用来检测活塞的形线的即活塞的轮廓线。形线仪 有两个测头( 如图3 3 b 所示) ，这两个测头其中测头一是传感器，测头二是卡紧 装置。以活塞顶面为基准倒放后，设置两测头松紧度，使之卡到活塞的两侧( 如 图3 3 b 所示) ，然后向形线仪输入检测起始点和结束点的位置，开始检测，两侧 头从起始位置向上慢慢移动直到结束。 检测结果如图3 - 4 a 所示，由于只有一个测头是传感器，所以形线图只有活塞 一个侧面的轮廓，图3 _ 4 b 中活塞的裙部、头部其形线在图3 4 a 中分别是箭头所 指的部分。其中图3 _ 4 a 中方框表示的一系列“h ”形是形线的标准公差范围。 青岛理工大学工程硕士学位论文 图3 - 3 形线仪 f i g u r e3 - 3t h em a s t e r d r o pg a u g e 图3 4 形线图 f i g u r e3 - 4t h em a s t e r d r o pf i g u r e 2 1 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 2 检测仪器 1 光谱仪 光与物质相互作用引起物质内部原子及分子能级间的电子跃迁，使物质对光 的吸收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，而检测并处理这类变化的 仪器被称为光谱仪。因此，光谱仪的基本功能，就是将复色光在空间上按照不同 的波长分离延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成分的强度 等原始信息以供后续处理分析使用。 本公司使用的是直线火花式光谱仪( 如图3 5 ) ，主要是用来对铝硅合金各成 分的含量进行检测，也就是光谱仪的定量分析。对这种检测方式主要是使用发射 光谱也就是明线来对其进行检测。在检测过程中根据二方面因素，光谱仪对铝硅 合金各元素的成分进行计算，分别是光谱的波长，谱线的强度。依据波长可以决 定是那一种元素，这就是光谱的定性分析。另一方面谱线的强度是由发射该谱线 的光子数目来决定的，光子数目多则强度大，反之则弱，而光子的数目又和处于 基态的原子数目所决定，而基态原子数目又取决于某元素含量多少，这样，根据 谱线强度就可以得到某元素的含量。 图3 - 5 光谱仪图3 - 6 硬度仪 f i g u r e3 - 5t h es p e c t r o m e t e r f i g u r e3 - 6t h eh a r d n e s sg a u g e 2 布氏硬度计 使用布氏硬度计( 如图3 6 ) 测量材料硬度时把一定直径的钢球，在规定的 载荷作用下并在一定时间内压入试样或工件，传感器将小钢球的压入深度转换成 青岛理工大学工程硕士学位论文 电信号，硬度计根据小钢球的直径和压入深度计算被测材料的硬度值。 以布氏法进行硬度试验时，载荷的施加必须平稳、无冲击及振动，对轻合金 及塑性大的金属( 铝、铝锡及轴承合金等) 载荷施加和保持时间一般为一分钟左右。 布氏硬度计的优点是其硬度代表性全面，因压痕面积较大，能反映较大范围内金 属各组成相综合影响的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。因 此特别适用于测定灰铸铁、铝硅合金和具有粗大晶粒的金属材料，试验数据稳定， 数据重复性强。 3 金相显微镜 用入射照明来观察金属试样表面( 金相组织) 的显微镜称为金相显微镜( 如图 3 7 ) 。电脑型金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机( 数码相机) 通过 光电转换有机的结合在一起，不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机( 数 码相机) 显示屏幕上观察实时动态图像，电脑型金相显微镜并能将所需要的图片 进行编辑、保存和打印。 金相分析是研究材料内部组织和缺陷的主要方法之一，是利用金相显微镜将 试样放大1 0 0 1 5 0 0 倍来研究材料内部组织。显微分析可以研究材料内部的组织 与其化学成分的关系；可以确定各类材料经不同加工及热处理后的显微组织；可 以判别材料质量的优劣，如活塞铝硅合金中初晶硅和共晶硅变质细化的程度，a i 和s i 元素的分布均匀程度等。 _ _ m _ _ 蠢趴a 黼魍戮 1i煅掣孥 童鼻，l - _ *一日 一。 。 图3 7 金相显微镜 f i g u r e3 - 7t h em e t a l l o s c o p e 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 3 本章小结 本章介绍了主要的测量仪器和检测仪器的测量和检测范围，还介绍了仪器的 工作原理和过程。以上几种仪器是故障活塞诊断分析的必不可少的工具，在诊断 和分析中占有很重要的地位。 青岛理工大学工程硕士学位论文 4 1 概述 第4 章活塞故障原因及诊断流程分析 由于活塞相关故障多而杂，在对活塞相关故障进行分析时，每种故障的分析 思路是不相同的，但是同类型的活塞故障诊断思路也是有相似性的。本章主要研 究活塞拉缸故障、活塞开裂故障、活塞穿孔故障、活塞熔顶故障四类活塞故障的 诊断思路，为以后进行此四类活塞故障分析提供一定理论基础。 4 2 原因分析与诊断流程研究 4 2 1 活塞拉缸故障原因与诊断流程 1 拉缸产生原因 拉缸：活塞组在气缸内运动过程中，由于某种原因引活塞与气缸内壁产生摩 擦现象，当达到到一定程度时，活塞表面产生金属熔物，发动机伴有轻微的敲缸 声。特别严重时，活塞及气缸套内表面将出现沟槽甚至活塞与气缸套发生卡死。 拉缸产生的原因有很多方面主要集中在以下几方面： ( 1 ) 活塞的配缸间隙过小 如果活塞在制造过程中发生尺寸误差过大，在铸造过程中材料的材质不良， 那么活塞在运行过程中就会发生受热膨胀量变大，会造成活塞与气缸的配合间隙 变小，进而拉伤气缸壁。 ( 2 ) 发动机过热 发动机冷却系统发生异常或发动机超负荷运行( 产生爆燃爆震) ，均会造成发 动机热量不能及时散出去导致发动机过热，从而会使活塞过分膨胀，环槽与环卡 死等问题产生，导致拉缸发生。也会导致润滑油膜不能完全建立，或者是润滑油 过稀或失效，导致活塞裙部出现拉缸。 ( 3 ) 装配不良 活塞销与活塞销孑l 配合过紧，气缸在装配过程中操作不当造成圆度、圆柱度 超差，装配时活塞与汽缸壁之间误进入异物等造成发动机拉缸。 ，5 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 诊断流程 ( 1 ) 拉