发动机台架试验活塞油环刮片翻边故障解析_阳玲.pdf

AUTO TIME 143 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺 时代汽车发动机台架试验活塞油环刮片翻边故障解析活塞环是嵌在活塞槽沟内部的金属环，是影响发动机性能的核心零部件之一，其主要作用是密封、刮油、导热和支撑。活塞环分为气环和油环。目前汽油发发动机大多采用两道气环和一道油环的三道环方案。从活塞顶部往下数：第一道环是气环，主要起密封和导热作用，用来减少燃烧室内的气体漏到曲轴箱、将热量从活塞传导至气缸套；第二道环也是气环，主要起密封和部分刮油作用；第三道环是油环，从缸壁上刮除机油，有效地控制发动机机油消耗量，同时在气缸壁上涂一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸之间的摩擦阻力。活塞环是发动机中唯一三维运动的零件，活塞环在环槽内的运动十分复杂，包含了上下运动、径向运动、回转运动等。掌握其性能、结构、安装特点，是提高发动机可靠性和使用寿命的重要保证，因此活塞环有严格的设计及装配要求。为保证装配后的活塞环能实现刮油及密封的功能，以及防止活塞与气缸壁直接接触，在设计时，需要活塞环在自然状态下有一定的弹张量，让活塞环有适当的弹力，且不脱出环槽，如图 1。图1活塞环示意图边 闭口间隙自由开口环端头未压缩的环压缩后的环环工作面环侧面1尺寸设计要求结合“活塞高温烧融拉缸、活塞漏气大、冷机哒哒异响、拉缸烧机油”等常见故障处置的经验，在研发设计时，需对活塞及活塞环关键尺寸进行校验核算，其中活塞环的关键尺寸为切向弹力、面压、表面处理、自由开口、闭口间隙、环高、径向厚度、截面形状以及油环刮片的关键尺寸。在尺寸校核过程中需对活塞裙部活塞环装配及使用应力进阳玲张瑞强东风柳州汽车有限公司广西柳州市545007摘 要：汽车发动机试验是一项严谨的科学工作，检验是一项重要的工作环节，他关乎各种产品的质量。本文以发动机台架试验活塞环油环刮片翻边故障为研究对象，详细解析阐述活塞环的设计及工艺装配要求，再通过案例解析活塞环刮片运行性能试验验证、失效模式分析，并制定装配改进方案。关键词：活塞环工艺装配试验验证Analysis of Flange flanging failure of piston ring in engine bench testYang Ling，Zhang RuiqiangAbstract：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图2装配要求示意图活塞顶部箭头指向正时端，卡簧槽缺口在排气测连杆凸起标记在进气侧144 AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺行核算比对，要求安装和工作应力均小于设计应力要求，可以满足要求。为了确保活塞环的弹力，活塞环自然状态下有一定的弹张量，从而装配后实现刮油及密封的功能。如为了达到活塞三环自然状态下，不脱出环槽，如下图 3。图3活塞环设计示意图ta1D0+D0+-t-alD0=75d3a1tD3D3min(D0+-t-a1)*2-d3min2装配技术要求为确保活塞、活塞环、活塞以及连杆等配合零部件顺畅工作，在安装时需将活塞顶部箭头指向正时端并确保活塞卡簧装配凹槽在排气侧，连杆凸起标记在进气侧，如图 2所示。安装活塞环时，需注意以下 4 点：（1）一环与二环开口错开约 180，一环与三环开口之间错开 45 90，且活塞环的开口位置不要在主副推力面方向。（2）活塞一环和二环采用扩张法安装，扩张后允许的自由开口尺寸不能超过21mm。注意安装时，不能对活塞一环和二环进行垂直于活塞环平面的扭曲。（3）活塞三环刮片采用垂直于活塞环平面内的扭曲安装时，扭曲角度不能超过自由状态下活塞环平面的 45。（4）所有的活塞环在安装时应避免产生永久性变形。3活塞环运行性能试验某单位某机型发动机在“正时磨损度试验”运行过程中，在发动机运行至 1000r/min 扭矩 86Nm 工况时，缸第 3 至 4 缸之间出现异响。停机后采用内窥镜检查缸体缸内情况，发现第 4 缸孔内壁刮伤严重。将发动机下台架拆解检查发现，第 4 缸活塞油环下刮片部分脱出变形，如图 4。3.1活塞片翻边故障现象活塞环刮片自然状态下，当开口位置处于最外端的情况下，开口处整个刮片均脱离活塞环槽，C 机型活塞环刮片较软，该状态下自上而下装配活塞，活塞环被挤压翻边。图4活塞环刮片翻边3.2设计参数比对对活塞各关键点直径进行检测并按图进行校验核算，保证活塞环配合尺寸符合设计要求，同是对活塞环如下理论计算：3.2.1活塞环面压P=2FtdhN/mm23.2.2径向弹力与切向弹力的关系Fd=2.05 Ft对热处理和不经热处理的铸铁材料；Fd=2.15 Ft对球墨铸铁材料。3.2.3闭合应力 闭合应力 b 是环装入缸套后所产生的应力值,对矩形截面环的 b，根据自由开口 m表示为：b=0.424mEa(d-a)2N/mm23.2.4张开应力活塞环的最大应力发生于装配时，因为环必须撑开得足够大以使内轮廓能够滑过活塞的外径。资料上对张开应力 b 标准公式的介绍是基于闭合应力与张开应力相等的假设，这个假设仅对特定的自由开口 m 和 d/a比值才是正确的，对其它自由开口值 m 用这个公式时会引起较大的误差。DIN/ISO 活塞环标准在确定环的尺寸时，用到了一个新的计算张开应力的公式，它对各种自由开口 m均有效，并且还充分考虑了采用锥套安装时的情况，然而用起却非常复杂。按严密的数学关系得出：（）=E（1112）a2最外圆的应力；1环在未受力状态下的曲率半径；2环在受力状态下的曲率半径，在同一点测量。对以上环节进行核算，并要求通过热拉缸试验、冷拉缸试验、发动机台架耐久试验及整车耐久试验等验证。3.3装配过程分析围绕人、机、料、法、环、测等方面进行分析，在安装方案核查时发现，在活塞装配过程中，将活塞总成放入工装缺口附近时，没有确认活塞三环是否已经安装到槽内，如图 5，导致安装时未能及时发现活塞油环翻边的问题，最终导致发动机运行一段时间后出现拉缸和异响。图5活塞环总成安装3.4试验数据分析在试验故障发生前，试验过程数据正常，性能参数达标，试验参数稳定，如图 6。4活塞环翻边处置方案修订活塞环装配工艺方案，在装配活塞连杆总成过程，将整片油环刮片包括开口附近装进环槽，并在装进导套时确保为进槽状态，避免开口处刮片翻边。同时修订活塞总成装配工艺方案和作业指导书，在活塞总成装机时，在放入工装缺口附近后，确认活塞三环已经安装到槽内，避免开口处刮片翻边；同时，重新校核活塞、活塞环和气缸孔的尺AUTO TIME 145 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺 时代汽车 作者简介阳玲：（1987），女,汉族，广西桂林人，中级工程师，学士学位。研究方向：发动机智能制造。张瑞强：（1987），男，汉族，河南人，高级工程师，学士学位。研究方向：发动机智能制造。工况时间 h05101520253035404550曲轴箱压力 kPa-2.50-1.50-0.500.501.502.50出水温度202530354045机油温度 102030405060扭矩Nm-5.00.05.010.015.020.0图6试验过程数据图7油环装配检查加修订装配工艺和作业要求，增加作业过程活塞环开口按压作业。经过多台发动机装配检查，未再发现活塞环翻边故障。在修正活塞三环岸名义尺寸和调整装配过程安装要求后，杜绝了活塞油环翻边问题，并重新装机开展发动机“310h 发动机正时系统耐磨损度试验”，试验验证通过。后续其他台架试验过程中，该问题亦未再发，证明本次对策有效。6结语针对某机型发动机活塞油环翻边问题的诊断分析，对故障产生的原因提出了设计上和装配工艺上的改进方法，具有很好的借鉴意义：（1）设计活塞环时，为了确保活塞环的弹力，活塞环自然状态下有一定的弹张量，且不脱出环槽，从而装配后实现刮油及密封的功能。因此在设计时，需考虑活塞三环在自然状态下不脱出环槽；（2）安装活塞环时，需在发动机装配作业指导书中做好明确要求，要求整片油环刮片包括开口附近装进环槽，并在装进导套时检查确认为进槽状态，避免开口处刮片翻边（3）通过修正活塞三环岸名义尺寸和调整装配过程安装要求，重新装机开展“310h 发动机正时系统耐磨损度试验”通过，且后续没有再发，证明本次故障采取的设计和装配对策有效，在后续设计开发中可借鉴执行。参考文献：1 冯春晃.工程机械内燃机大连海事大学出版社.寸链，在设计限值范围内，增加活塞三环岸名义尺寸至 74.20，以降低油环安装时脱出的风险。5改进后试验验证控制计划中装配活塞连杆总成过程，将整片油环刮片包括开口附近装进环槽，并在装进导套时确保为进槽状态，避免开口处刮片翻边，如图 7。在装配标准作业指导书中增