汽车发动机轴瓦介绍.pdf

2013-10-11 汽车发动机汽车发动机滑动轴承滑动轴承 罗罗 世世 明明 功能、装配及失效分析功能、装配及失效分析 2013-10-11 目 录 一、轴瓦的功能 二、轴瓦的装配与使用 三、轴瓦的失效分析和纠正 四、案 例 2013-10-11 第一部分 轴瓦的功能 一、轴瓦的作用 轴瓦也称滑动轴承，它在轴与座孔之间主要起支 承载荷和传递运动的作用。 作为运动学来说，轴瓦是主要的摩擦副，大家都 知道对于两个相对运动的物质（零件）来说，必然有 一个要磨损乃至损坏。那么在发动机里面，无任是主 轴还是机体磨损后的更换其成本都很高，所以人们就 想到在轴与机体座孔之间增加一种容易更换且成本较 低的零件-那就是轴瓦。要损坏就首先损坏轴瓦。 所以有专家说，轴瓦相当于电路中的保险丝，当电路 短路时或负荷增大时，首先烧坏的就是保险丝。 2013-10-11 二、轴瓦材料 1、轴瓦对材料的要求 、高的疲劳强度：疲劳强度是材料在弹性极限以下 受周期性载荷的作用而不致发生开裂或产生表面凹坑 的能力。 、良好的摩擦相容性：摩擦相容性是指主轴与瓦在 相对运行中，轴瓦材料防止与轴颈材料发生冷焊和咬 合的能力。 、良好的顺应性：所谓顺应性是指轴瓦材料通过弹 性变形和塑性变形而自行适应轴的挠曲或轻微不对中 （由于安装不良，轴和轴瓦座孔不同心，以及轴和轴 瓦变形或磨损所致）而保持正常运转的能力。 2013-10-11 、良好的嵌入性：嵌入性是指轴瓦材料可嵌进硬的 污物微粒，从而防止或减轻它们将轴和轴瓦表面擦伤 与磨损的能力。即使在精心维护的情况下，也很难使 内燃机保持绝对清洁，很难避免污物微粒进入轴和轴 瓦的间隙内。 、良好的耐蚀性：润滑油在高温下易氧化，生成腐 蚀性物质-有机酸和氧化物，此外油中的某些添加 剂，特别是含硫、磷的添加剂，在很高的温度下，易 于形成无机酸和氧化物，所有这些会引起轴瓦和轴颈 的严重腐蚀。因腐蚀而形成的凹坑，一方面会影响正 常的油膜的建立，加之腐蚀脱落的小颗粒会作为磨粒， 从而使磨损加重，另一方面,这些小凹坑能形成疲劳 源，使轴承加速疲劳失效。 2013-10-11 、高的承载能力：承载能力是指轴瓦材料在不致产生过 渡摩擦、磨损和疲劳损伤下所承受的最大单位压力。 、高的熔点：以防止由高温引起的损坏。现代重载内燃 机的曲轴轴瓦材料应能在200之内的温度下长期稳定的 工作而不致熔化或软化。 、较低的线膨胀系数，以便轴瓦间隙在工作中不会有很 大的变化。 2013-10-11 2、轴瓦材料的种类 目前使用的轴瓦材料均为钢背-合金双金属材料使用 最广泛的是钢背-铝基合金和钢背-铜基合金。 铝基合金主要是铝、锡及硅组成。 高锡铝合金：内圆表面不需电镀减磨合金层。具有中 等疲劳强度、承载能力、良好的耐蚀性，有较好的轴承 表面性能。适用于软曲轴。 中锡铝合金：内圆表面不需电镀减磨合金层。具有中 等疲劳强度、承载能力、良好的耐蚀性，有较好的轴承 表面性能。特别适用于球铁曲轴。 低锡铝合金：内圆表面需电镀减磨合金层。具有中等 疲劳强度、承载能力、良好的耐蚀性，有较好的轴瓦表 面性能。适用于硬曲轴。 2013-10-11 铜铅合金主要由铜、铅及少量的锡组成。 铜铅合金：内圆表面需电镀减磨合金层。具有高的疲 劳强度、承载能力、抗冲击能力、耐蚀性，有较好的轴 瓦表面性能。用于高速、重载的柴油机。 铜铅合金表面镀层材料有铅锡铜三元和铅锡铜铟四元 合金材料。 三元镀层轴瓦适用于普通的柴油机。 四元镀层轴瓦适用于强化的柴油机和高转速的柴油轿 车。 2013-10-11 轴瓦的材料结构 铝基瓦的材料结构 铜铅合金的材料结构 2013-10-11 三、轴瓦的结构要素 1、自由状态弹开量 轴瓦在自由状态下并非正圆，它是一个椭圆形的，其 开口尺寸大于座孔尺寸。它的主要目的是使轴瓦与座孔 产生过盈配合，在工作时轴瓦不发生转动。 2013-10-11 2、厚度（壁厚） 轴瓦的厚度主要是保证装配后工作时，轴瓦内圆与主 轴颈具有一定的间隙。 2013-10-11 3、对口减薄量 轴瓦对口要有一定的减薄量，因为轴瓦在装配压紧后 起对口会增厚，容易引起咬轴烧瓦。 2013-10-11 4、半圆周长高出度（简称半径高） 半圆周长高出度主要是保证轴瓦压入座孔后产生过 盈配合，使轴瓦外圆与座孔紧紧贴合。不使轴瓦产生转 动和有良好的导热性。 2013-10-11 5、油槽及油孔 油槽及油孔主要是保证油压的正常供给。 2013-10-11 6、定位唇 定位唇有2个作用，其一是保证轴瓦在座孔中的正确 装配位置；其二是保证轴瓦因弹开量缩小而防止轴瓦转 动。 2013-10-11 四、叙 语 1、上连杆瓦：安装在连杆体上的轴瓦称为上连杆瓦。 2、下连杆瓦：安装在连杆盖上的轴瓦称为下连杆瓦。 3、上主轴瓦：安装在缸盖上的轴瓦称为上主轴瓦。 4、下主轴瓦：安装在缸体上的轴瓦称为下主轴瓦。 其称法与发动机的工作位置恰好相反。 2013-10-11 第二部分 轴瓦的装配与使用 轴瓦的装配部位： 连杆瓦、曲轴瓦、连杆衬套统称为轴瓦，它们都是安装 在发动机的内部，连杆瓦安装在连杆和曲轴的连接部位， 曲轴瓦安装在曲轴和缸体的固定托架上，连杆衬套是安 装在连杆小端与活塞销的链接部位。 2013-10-11 第二部分 轴瓦的装配与使用 轴瓦的装配要注意以下几点： 一、要有良好的清洁度 因清洁度不好，轴瓦内圆表面有颗粒杂质或因油中或 油道中的颗粒杂质夹在轴与轴瓦之间，很容易并很快使 轴与瓦发生划伤，且产生烧瓦。 二、要有良好的贴合度 轴瓦外圆与座孔的贴合度主要是保证其导热性。 特别对于旧车或连杆、主轴损坏比较大的车，其座孔 变形均比较严重，那么在装配时必须要修磨座孔。不允 许因座孔的变形而加垫铜片等异物。 三、预紧力 装配时座孔盖的预紧力要适当。预紧力过大容易使 2013-10-11 轴瓦产生塑性变形，而使瓦的弹开量消失导致咬轴烧瓦。 预紧力过小会使轴瓦在工作时产生微量转动而使瓦异常 磨损。 四、装配间隙 发动机在工作时，其主轴与瓦之间是有一层润滑油膜 将主轴浮起来而使轴与瓦产生相对运动。那么就要求轴 颈与瓦之间具有一定的配合间隙。 装配间隙的大小与轴瓦材料和主轴颈的大小有关。其 装配间隙具体的大小在我们的产品使用说明中已明确。 在调整装配间隙时严禁在瓦背与座孔间垫铜片、纸 片等物质；严禁铲刮轴瓦内圆。 2013-10-11 五、润滑油 一定要按照发动机的使用说明来选用更换润滑油。 要定期更换润滑油。不能使用老化的润滑油。 六、不得长时间超负荷工作。 七、避免频繁的急刹车或快速（不换档）启动。 八、更换轴瓦后一定要使车空转2小时左右，保证轴与瓦 的充分磨合。决不能带负荷立即行使。 2013-10-11 第三部分 轴瓦的失效分析和纠正 大家都知道，轴瓦是易损零件，其正常的失效形 式为磨损失效。当工作很长时间（运行了很长的路程） 后，轴与瓦之间的间隙经过磨损后超过了极限，即轴 瓦磨损得已不能正常工作。此时轴瓦的磨损寿命已达 到了设计寿命。此类磨损属于正常的磨损，也称为正 常失效。 在此我们仅对非正常的失效进行分析和采取纠正 措施。 2013-10-11 1、嵌入与拉伤 A 形貌特征 在轴瓦滑动表面散布着许多小黑点，用肉眼或放大 镜观察有的为压入物，有的为小凹坑-嵌入。 (2) 在滑动表面有沿运动方向的长擦痕或具有明显终止 界线的无数细微划痕-擦伤或划伤。 (3) 沿圆周方向有较深的拉伤沟槽，有的边部有材料迁 移；严重时有可能深及钢背-拉伤或刮伤。 B 损坏机理 润滑油中的硬质颗粒对合金作用的结果：有的被压入， 并将周围合金挤高。挤高合金被磨平，其中有的被旋转 的轴颈刮落则留下的陷坑；有的被轴颈带动一同旋转， 并随杂质本身大小为细微、细小或较大的差异而在合金 表面留下深浅宽窄不一的运动轨迹，轻微的为擦伤、 较重的为划伤、严重的为拉(刮)伤。 C 发生原因 (1) 发动机零件加工，组装过程中清洁度差、切屑、焊 渣、型砂等积存与主油道及钻孔中的死角处未清理 干净。 (2) 配件毛刺未除尽，在工作中脱落而混入润滑油。 (3) 使用中其他配件产生的磨粒或损坏碎屑进入润滑油。 (4) 机油滤清器过滤元件损坏短路或过滤精度太低，不 能阻止机械杂质进入润滑油中。 (5) 道路上的沙尘因空气滤清元件精度或损坏而侵入发 动机。 2013-10-11 D 预防和纠正措施 (1) 提高配件及发动机组装清洁度。 (2) 按规定周期及时检修或更换空气及润滑油的滤清器元 件。 (3)加强机油中机械杂质含量的分析监控并及时更换润滑油。 (4)更换严重拉伤的轴瓦。 (5)检查并在必要时磨削拉伤的曲轴。 2 磨损 A 形貌特征 (1) 工作表面主要承载区呈现大面积沿旋转方向的细微磨 痕，有时为发亮的抛磨痕迹，轴承间隙加大。 2013-10-11 (2) 在油孔，油槽边缘出现冲刷状磨痕。 (3) 工作表面主要承载区出现比较光滑的磨痕，从无磨损 区到磨损区过渡平滑，磨损总量明显可测，油隙显著加 大。 B 损坏机理 (1) 形貌(1)为机油中含有大量细小杂质长期缓慢磨损的结 果-磨粒磨损。 (2) 形貌(2)为高速流动的滑油中含有磨粒，长期冲蚀合金 的结果-侵蚀磨损。 (3) 形貌(3)为油隙偏小，轴承长期混合油膜润滑状态的结 果-混合摩擦磨损。 2013-10-11 C 发生原因 (1)润滑油滤器精度低导致大粒度磨粒污染润滑油。 (2) 油膜厚度太薄，油膜承载力不够；发动机长时间过载 或频繁启动、停机。 D 预防和纠正措施 (1) 提高滤清元件精度。 (2) 提高发动机零部件及整机组装清洁度，减少机械杂 质对润滑油的污染。 2013-10-11 3 偏磨 A 形貌特征 （1）上瓦和/或下瓦的同一端部出现月牙形或D字形磨损 区域 （2）上瓦和/或下瓦的两端边缘出现宽度不大的磨损带。 （3）上瓦和/或下瓦中部出现带状磨损区。 （4）上下瓦相反端或对角线方向出现局部磨损区。 （5）上下瓦相反的对口面一侧合金出现局部磨损。 B 损坏机理 轴颈、轴承孔的形状误差，使得某些区域油隙不足， 2013-10-11 造成轴颈对轴瓦表面施加额外的附加载荷，增加了摩擦 热，加速了轴瓦（也包括轴颈）的磨损。 C 发生原因 （1）轴颈锥形或座孔锥形。 （2）轴颈马鞍形或轴承座孔马鞍形。 （3）轴颈鼓形或座孔鼓形。 （4）连杆杆身弯曲或扭曲，造成大小端孔轴线在垂直平 面和/或水平投影平面内的不平行。 （5）轴承盖在径向偏移。 D 预防和纠正措施 （1）提高曲轴、机体和连杆（轴瓦座孔）的加工精度， 减小形状误差。 （2）已发生偏磨的，要针对性地检查： 轴颈有无严重磨损，必要时予以磨修消除缺陷。 检查连杆，若发现扭曲或弯曲，应修复或更换。 组装之前，要采取妥善措施避免连杆受到摔打、瞌 碰，已防变形。 采取正确的组装工艺，防止轴瓦盖径向错位（包括 认真检查轴瓦座孔在剖分面上下15。范围处的直径 差）。 2013-10-11 防止超速超载之类极端工作状态，以免连杆杆变形。 4 疲劳 A 形貌特征 （1）下主轴瓦、上连杆瓦主要承载区出现大面积合金或 镀覆层网状裂纹及龟裂脱落。 （2）轴瓦合金局部龟裂脱落。 偏磨部位合金龟裂、脱落。 定位唇对应的冲槽周围合金局部龟裂脱落。 对口面附近合金局部龟裂脱落。 油槽边缘对应部位合金局部龟裂脱落。 （3）这种龟裂脱落有如下显著特点： 脱落部位留下一层薄薄的不规则的合金残留物。 定位唇对应的冲槽周围合金局部龟裂脱落，往 往在脱落区的附近有严格接触磨损和刮伤痕迹。 B 损坏机理 由于发动机施加于轴瓦的重交变载荷，导致轴 瓦表面金属材料因疲劳而龟裂。随后，疲劳裂纹 逐渐加宽加深，当接近结合面时，转向沿平行与 结合面方向发展，最终裂纹相连，导致合金或镀 层呈片状脱落，由于几何形状误差和不对中造成 的轴颈与轴瓦局部接触而产生的附加静载荷，以 及高温等原因，使疲劳损坏的危险进一步增加。 2013-10-11 C 发生原因 （1）下主轴瓦、上连杆瓦主要承载区大面积疲劳的主要 原因：可能是轴瓦使用时间超过了规定寿命期；汽 缸爆发压力过高；超速超载；工作温度太高，使轴 承材料机械性能降低等原因。 （2）各种局部疲劳损坏，则多半由于摩擦副系统中的相 关零部件几何形状误差及组装失误造成轴瓦工作表面局部 凸起，凸起部位与轴径发生直接接触，产生了附加静载荷 和局部高温，导致材料疲劳脱落。这些误差与失误主要来 自于： 2013-10-11 轴颈锥形或轴瓦孔锥形导致上、下瓦一单边缘加载。 轴颈马鞍形或轴瓦孔马鞍形上、下瓦两端边缘加载。 轴颈鼓形或轴瓦孔鼓形导致受力瓦中间局部过载。 轴瓦盖径向偏移导致上、下瓦相反对口面一侧合金 局部加载。 连杆弯曲导致上、下连杆瓦相反端部边缘加载。 连杆扭曲导致上、下连杆瓦均发生对角线方向局部 加载。 定位唇周围钢背翘曲变形或定位唇与座孔定位槽配 合尺寸发生干涉，使周围合金凸起而局部过载。 2013-10-11 装配过盈过大（轴瓦高出度过大或修理过的轴承座 -如对接面锉低、内孔刷镀等使孔径变小）或轴瓦 座孔被拉长变形使对口面处收口，造成局部过载。 轴瓦座上的油槽两侧未妥善倒角，正边将瓦被垫高， 或者座孔油槽使对应的瓦背失去支持，油压使瓦背向 座孔油槽方向凹陷变形而导致轴瓦油槽两侧反向上拱， 形成合金局部加载。 组装时，瓦背与座孔之间垫有异物，或者座孔表面 或瓦背表面碰伤局部凸起，或者座孔收缩变形后修理 不当造成表面凹凸不平，使对应的瓦孔表面合金局部 凸起而产生过载不确定性部位合金加载。 2013-10-11 D 预防和纠正措施 （1）轴瓦的受力部位大面积轴瓦材料疲劳破坏，属发动 机超速超载。 （2）若属各种形式的局部加载，则应针对性地提高曲轴、 机体、连杆的加工质量，加强形状公差控制；提高组装质 量，防止瓦盖偏移、定位要素干涉等失误；提高瓦背与座 孔贴合度，防止坠入异物。 （3）已发生轴瓦合金局部疲劳破坏时，要着重检查： 轴颈有无异常，必要时予以磨修。 检查连杆，若发现弯曲或扭曲超限，应修复或更换。 2013-10-11 组装之前，要避免连杆受到摔碰，已防变形。 对旧机体轴瓦座孔及连杆大端孔的修复必须采取正确 的工艺方法，不得用手动砂轮、锉刀、刮刀等钳工手段 修理座孔表面；修理后，一定要采用着色转移法通过预 装轴瓦检查瓦背贴合度，消除接触面上的突出硬点。 操作过程中，要防止超速超载之类极端工作状态，以 免连杆变形。 2013-10-11 5 咬粘（国外有的称作涂抹） A 形貌特征 轴瓦上镀覆盖表面有显著而无规则材料去除，即轴瓦 上合金层被部分或大面积撕掉，同时伴有熔化、剥落和严 重拉伤。 熔化合金往往被辗压而沿轴颈旋向及两侧相对于钢层 呈舌状突出。 钢背表面往往过热发黑。 B 损坏机理 轴颈表面同轴瓦表面之间发生大面积接触，急剧的摩 擦使温度徒升，合金因此而软化并与轴颈形成粘附-撕 脱-粘附的恶性循环过程，造成温度进一步升高，合金 接近或达到熔化状态而轴颈在高压下拖动，并由此发生材 料迁移。 2013-10-11 C 发生原因 （1）部分是由于间隙不均：瓦背与座孔间垫有异物或座 孔表面有伤痕凸起、装配过盈过大、轴颈及瓦孔形状误 差等造成的瓦口、边缘或其他部位局部加载，导致轴颈 与轴瓦部分表面直接接触。 （2）大多数则是由于间隙过小和缺油造成轴颈与轴瓦之 间大面积接触。 （3）还有一部分由于超速超载引起温度急剧升高、导致 油隙减少甚至消失。 （4）违章操作，不等油膜建立而强行启动。 2013-10-11 （5）其他损坏形式如严重拉伤、疲劳、急剧磨损导致钢 背断裂等，使间隙增大、滑油端涉过大而压力降低、温度 升高所导致的后续破坏。 D 预防和纠正措施 （1）若咬粘频繁发生，应考虑： 轴瓦座孔与曲轴主轴颈同轴度偏差及轴颈表面粗糙度 是否偏大。 轴瓦座孔及连杆大端孔钢度是否不足，动态变形是否 过大。 瓦背与座孔贴合度是否达到要求。 2013-10-11 （2）偶尔发生咬合，则应该： 检查润滑系统有无造成油压突然消失或油压波动的 故障（如油泵泄漏、油泵传动齿轮齿裂、滤油器堵塞、 油底壳油面低于规定下限或油标刻度错误等）。 启动发动机前打润滑油时间是否达到标准，有无强 行启机现象。 工作中有无超速超载现象及长时间在低转速大扭转 矩工况工作。 检修过程中轴瓦座孔及曲轴同轴度是否超差，油隙 是否过小或过大。 2013-10-11 （3）对发生了咬合的发动机，应当着重抓好下列环节： 检查机体（座孔）的同轴度及圆度、圆柱度，若超差 则必须进行修复或更换。 检查曲轴主轴颈同轴度及咬合轴颈的损坏程度，必要 时重磨或变形，严重时予以更换。 检查连杆是