材料与加工工艺对连杆衬套可靠性的影响

（天润曲轴股份有限公司研究所，文登264400）

材料与加工工艺对连杆衬套可靠性的影响

孙军，倪培相，于晓东

（天润曲轴股份有限公司研究所，文登264400）

采用成分检测、组织观察、尺寸测量、受力分析及疲劳试验手段，对连杆衬套的材质、加工尺寸、装配工艺、衬套实际受力等进行了综合研究分析，确定衬套可靠性的影响因素。研究结果表明，CuSn8Ni无铅化青铜合金衬套的成分、组织和硬度能够满足发动机连杆衬套的实际使用要求。衬套内侧倒角大于外侧倒角，能使衬套外沿受力时不会出现底部悬空，保证在实际运行过程中衬套不会开裂，提高了衬套的可靠性。

连杆衬套裂纹倒角受力分析疲劳试验

1 前言

连杆是汽车发动机动力传输的核心部件之一，在工作过程中，它承受周期性变化的燃烧气体压力和往复惯性力作用，机械负荷严重，工作条件恶劣，因此对其强度的要求十分苛刻。连杆在发动机的高温、高速环境下，自身的抗拉压性能有着非常严格的要求[1]。连杆的可靠性一直是人们在发动机研究和改进过程中关注的热点问题。连杆小头孔与衬套配合属于厚壁圆筒与薄壁圆筒的过盈配合[2]。

某发动机厂家对连杆进行台架试验后，发现多支连杆小头衬套内壁出现裂纹，导致连杆提前失效。本文主要从衬套的材料、尺寸、装配工艺和连杆加工尺寸等方面进行理论和试验分析，对连杆衬套可靠性进行了研究，从而确定尺寸、加工、装配等各方面对衬套可靠性的影响，为连杆的生产制造提供一定的理论依据和指导作用。

2 试样制备

首先把衬套制成化学成分试样、金相组织和硬度试验试样，对衬套材料进行成分、组织和硬度检测，确定衬套材料的可靠性。

按正常加工工艺加工一批连杆试样，检测连杆小头各项尺寸，从中抽取10支合格样品。分别加工内倒角大于外倒角、内倒角小于外倒角的衬套各5件。加工过程中要保证该10件衬套的承载区宽度小于连杆小头孔的承载区宽度。

3 试验设备

利用LAVMB18A型直读光谱仪、HB－3000型布氏硬度计、连杆综合测量仪、HOMMEL-T8000表面粗糙度轮廓仪、连杆衬套装配等设备分别对衬套材料、连杆和衬套尺寸、衬套受力情况及贴合等进行检测试验。

4 试验及分析

4.1 衬套材料对可靠性的影响

连杆衬套材料的选用首先要考虑内燃机连杆小头轴承的工作条件和工作状况。根据内燃机连杆小头轴承的工作状况，所设计和制造的连杆衬套应达到下列主要要求：承载能力高，耐磨性好，冷态与工作状态下轴承尺寸变化小，质量轻，摩擦系数小，装配状态可靠性好等[3]。根据上述要求，衬套生产厂家选用了高强度无铅化青铜合金CuSn8Ni材料作为合金镀层，该材料是近几年国外开发的高耐磨、抗疲劳、抗腐蚀、无铅合金材料，用于增压强化连杆衬套[4]。

4.1.1 化学成分检测

对连杆小头衬套的材质进行了化学检测，检测结果见表1。从表1衬套的化学成分检测结果看，该型号衬套的化学成分符合CuSn8Ni合金材料的技术要求。

表1 衬套化学成分检测结果单位：质量百分比

4.1.2 金相组织分析

图1是衬套钢背与合金层交接处的金相组织图，图2是衬套合金层的金相组织图。从图中可以看出，钢背与合金镀层连接良好，两者间没有开裂或起层现象。合金镀层组织经硝酸高铁和乙醇混合溶液腐蚀后出现黑色的均匀弥散的δ相，属于正常的CuSn8Ni青铜合金组织。

图1 .衬套钢背与合金层(500×)

4.1.3 硬度检测

对连杆小头衬套进行硬度检测，检测结果见表2。从表2衬套的硬度检测结果看，该型号衬套的硬度符合技术要求，强度合格。

通过对衬套的化学成分、金相组织和硬度检测结果分析，表明衬套采用CuSn8Ni材料对可靠性不会产生不良影响。

图2 .衬套合金层组织(500×)

表2 衬套硬度检测结果

4.2 衬套尺寸对可靠性的影响

对上述加工的10件成品衬套，分别进行外观、粗糙度、衬套宽度、厚度等进行检测。除内倒角两项外，其它各项检测均符合设计要求，具体检测结果见表3。

表3 衬套尺寸检测结果

4.3 承载区对可靠性的影响

图3是连杆小头和衬套的实际有效承载区示意图。分别检测上述加工的10个衬套和10支连杆的承载区宽度，并进行对比，检测数据见图4。检测发现衬套承载区宽度均小于连杆承载区宽度，衬套的外边缘完全在连杆小头内壁宽度范围之内。该尺寸保证衬套受力时，不会由于衬套伸出连杆小头孔外造成外缘悬空而导致衬套开裂[5]。如果衬套承载区宽度大于连杆小头承载区宽度，衬套外边缘会伸出连杆小头外，当衬套受力时，衬套外缘没有支撑，容易导致开裂。

4.4 倒角对衬套可靠性的影响

1#-5#衬套内倒角大于外倒角，见图5； 6#-10#衬套内倒角小于外倒角，见图6。2种衬套的倒角尺寸保证了后续进行疲劳试验的可对比性。连杆综合测量仪检测衬套的内外倒角尺寸，具体检测结果见表4。

图3 衬套实际承载区示意图

图4 连杆及衬套承载区宽度对比图

图5 衬套内倒角大于外倒角

图6 衬套内倒角小于外倒角

把上述加工的10件衬套分别按照正常装配工艺装配到经检测合格的连杆小头上，连杆编号与衬套编号一一对应。分别选取衬套内倒角大于外倒角和内倒角小于外倒角的成品连杆各3支，进行疲劳试验。连杆和试验机之间通过夹具和轴销连接，大小头轴销均和相匹配的发动机曲柄销和活塞销尺寸一致。试验过程中连杆大小头均用润滑油润滑。疲劳试验在1.5倍连杆名义载荷的拉压力作用下进行，循环次数超过1 000万次连杆未出现异常则认为连杆合格，小于1 000万次出现裂纹或断裂则认为连杆失效，试验结果见表5。

从疲劳试验结果可以看出，内倒角小于外倒角的连杆衬套均失效，拆卸后发现衬套内壁出现裂纹，而且裂纹均从衬套一侧倒角延伸至内部终止，见图7。而内倒角大于外倒角的连杆衬套均未失效，拆卸后观察衬套内壁，均未发现裂纹，见图8。

表4 衬套内外倒角尺寸检测结果

表5 连杆疲劳试验结果

图7 衬套内壁有裂纹

图8 衬套内壁完好

外侧倒角大于内侧倒角，会导致衬套外侧外沿出现悬空，此处成为受力薄弱区，见图6。在频繁的爆发压力作用下，缺乏支撑的衬套外沿会首先开裂[6]，连杆疲劳试验失效状态很好的证明了这一点。

4.5 衬套装配对可靠性的影响

衬套与连杆小头内壁的贴合度对衬套的可靠性有一定的影响。当衬套非贴合总面积不大于总衬套外圆面积的15%时，衬套不会由于贴合不良导致失效[7]。

检测贴合度的方法是将外壁涂抹红丹粉的衬套按正常装配方法压入连杆小头孔内，然后再压出，贴合处红丹粉会剥落，用透明胶带拓印衬套外圆表面痕迹，粘贴在预先制定的网格内，即可得出非贴合面积，见图9。

图9 贴合度测量示意图

为了检测衬套与连杆小头之间的贴合度，抽取10支合格衬套进行贴合度试验，试验后计算得出连杆衬套贴合度均在85%以上。两者之间85%以上的贴合度保证了发动机运行过程中连杆衬套不会局部受力过大引起开裂。

5 结论

⑴CuSn8Ni无铅化青铜合金衬套的化学成分、金相组织和硬度能够满足发动机连杆衬套的实际使用要求。

⑵连杆衬套的受力承载区宽度要小于连杆小头孔的受力承载区宽度，较宽的连杆承载区保证了衬套受力时不至于伸出连杆小头之外导致衬套失效。

⑶连杆衬套的外侧倒角大于内侧倒角，使衬套外侧外沿出现悬空，衬套外沿形成受力薄弱区，容易导致衬套在拉压力作用下发生开裂。衬套内倒角大于外倒角，衬套受力时外沿有足够支撑，保证衬套在受力过程中外沿不会开裂，提高了衬套的可靠性。

1杨连生．内燃机设计[M]．北京：中国农业机械出版社，1981：226-228．

2欧贵宝．带衬套的连杆小头整体边界元应力的分析[J]．内燃机工程，1989，10（2）：13-18．

3马伟.铜铅合金-钢烧结双金属材料在发动机连杆衬套上的应用[J].内燃机，2006，06：44-46．

4李鹏.国外内燃机滑动轴承材料无铅化及其应用[J]．汽车工艺与材料，2009，07：1-3．

5吴江，陈亮，常虎山.连杆小头衬套孔位置综合误差纠正方法与分析[J]．机械设计与制造，2011,（3）：225-227．

6杨存平．连杆衬套的开裂分析[J].理化检验（物理分册），2008，44（2）：97-99．

7朱正德．连杆小头孔衬套压装质量控制的研究[J]．组合机床与自动化加工技术，2012，02（2）：37-44．

Effect of Material and Machining Process on Reliability of Con-rod Bushing

Sun Jun,Ni Peixiang,Yu Xiaodong
（Institute,TianRun Crankshaft Co.,Ltd.,Wendeng 264400,China）

To determine the factors effecting on the reliability of a con-rod bushing,investigation of the material,size,assembling process and stress of the bushing is carried out by a comprehensive analysis from its chemical composition and microstructure,dimension,assembly process,stress to its fatigue test.The results show that the composition,microstructure and hardness of the bushing made of CuSn8Ni lead-free bronze alloy can meet the requirement of an engine con-rod bushing.But when the outside chamfer of a bushing is larger than inside one,crack happens on the outer edge of a bushing due to the issue of hang over. Therefore the inside chamfer must be designed to be larger than outside one to avoid such crack,so as to ensure the reliability of the bushing in actual operation.

con-rod bushing,crack,chamfer;stress analysis,fatigue test

来稿日期：2013-12-19

孙军（1974-），男，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为发动机零部件设计研发工作。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.011