车用内燃机轴瓦早期失效原因分析

张东成

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

车用内燃机轴瓦正常使用过程中，只有非常小或没有微粒呈现在轴瓦表面上。在这种情况下轴瓦有一个相当长的寿命循环周期。下面主要论述轴瓦在早期的失效原因及纠正方法。

1 车用内燃机轴瓦早期失效原因分析

轴瓦的常规磨损很大部分发生在发动机启动或最初运行阶段。本文主要阐述腐蚀、疲劳、润滑油不足、气蚀、间隙、杂质、轴瓦高度缺陷、连杆变形、曲轴变形、缸体变形等原因造成的轴瓦早期失效原因及应对措施。

1.1 失效原因一：腐蚀

腐蚀的典型现象表现为在轴瓦表面形成黑色合成物或小凹槽。腐蚀是润滑油组成物在轴瓦合金上产生化学反应形成的。这些象水或发动机运行时润滑剂氧化产生的氧化物不属于润滑系统，当轴瓦在腐蚀环境中运行时这些有害反应会加剧，导致轴瓦合金表面一种或多种合金元素剥落，或形成脆性氧化物。在第一阶段，受腐蚀的金属由于本身附着性差和强度疲劳脱离母体，在滑行表面上易脆裂的氧化层也由于疲劳或腐蚀剥落，少数附着性强的颗粒仍停留在这些表面上。润滑油工业已经开发出添加剂来阻止发动机长时间运行过程中润滑油氧化，极大降低了氧化危害， 但是并没有完全消除它。发动机运行产生的热量加速了氧化过程。轴瓦裸露在空气和水里，或与润滑油中的其它材料，包括能产生接触反应的金属，也会产生腐蚀。其它产生腐蚀的原因包括曲轴箱窜气或高硫磺含量燃料燃烧，以及无机酸的形成都会引起腐蚀。

避免发生腐蚀的方法一般是从润滑油入手，即根据规定更换润滑油或缩短润滑油更换期限。如果是曲轴箱窜气引起的腐蚀，则要排除活塞环、缸孔和油气分离器故障。

1.2 失效原因二：疲劳

普通疲劳：由于不正常或循环压力引起强度疲劳，即达到了载荷峰值。疲劳断裂起源于过载，垂直传播到轴瓦表面上，达到轴瓦合金和支持材料（钢背）焊缝以前，断裂改变了其方向，平行传播到焊缝。由于轴瓦材料分离，这些断裂会相互连接。最常见的疲劳发生在三层轴瓦合金的最上层，当断裂发生，经过垂直传播后，它将平行传播到镀镍层，导致一些区域镀镍层减少。

对于普通疲劳现象，需要检查发动机运行温度和载荷情况，消除可能存在的缺陷。

热疲劳：当轴瓦的运行温度高于熔点或高于锡的熔点，由于轴产生相当大的牵引力，防摩擦材料达到其热碎裂点。在这种情况下，铅和锡将会熔化，与铜分离，表面涂层失去钢背支撑，因此材料剥落。热条件下产生的易脆性是由于轴瓦某些区域过度受热而形成的。过度受热还能引起径向间隙不足，产生杂质，曲轴颈部变形，缸体与曲轴中心线不重合等问题。

避免轴瓦发生热疲劳需要根据标准间隙安装轴瓦，更换润滑油时要保证润滑油绝对清洁。另外在发动机装配时要去除所有加工残渣和污垢，在安装新轴瓦之前应仔细观察所有曲轴颈部尺寸，核实缸体和曲轴中心重合度。

1.3 失效原因三：轴瓦润滑油不足

轴瓦和轴承间润滑油不足或润滑油膜稀释，将磨损轴瓦电镀层，一般由垂直间隙不足、润滑油稀释或发动机长时间低速运转造成的。润滑油的缺乏，将导致轴瓦与曲轴轴颈相互撞击，抗摩擦材料的剥落使得磨损加剧。当轴瓦由于缺乏润滑油或润滑油稀释失效时，它的运行表面变得光亮。如果严重缺乏润滑油，轴瓦表现为其与轴颈接触的表面区域沿轴方向材料被剥落。

轴瓦润滑不足通常由以下原因造成：部分润滑油通道阻塞；选择轴瓦尺寸过小；主轴瓦装反（如下轴瓦反装为上轴瓦）、机油泵功能不好。避免轴瓦润滑不足需要在选择新轴瓦时要检查曲轴颈部尺寸、检查油泵的工作状况，避免使发动机长时间在低速下运转、检查润滑油含燃油的稀释情况。

1.4 失效原因四：气蚀

气蚀的一种损坏形式是轴瓦抗摩擦合金层上瞬间低压油蒸气泡爆炸而形成的。发动机循环运行中加载在轴瓦上的载荷在强度和方向上迅速起伏，导致轴瓦的润滑油膜压力迅速改变。这种压力变化随次数的增加越来越高，使得轴瓦和曲轴颈部的变形也变大。另外，曲轴润滑油孔润滑油流速过快，凹槽、窄沟、尖角等不连续的面引起的润滑油流速改变也会引起轴瓦气蚀。

轴瓦气蚀主要有以下四种情况：吸气引起的腐蚀；换气引起的腐蚀；气穴流动引起的腐蚀；气穴撞击引起的腐蚀。

避免轴瓦气蚀的措施：按照设计要求粘度使用润滑油；检查润滑油油压；避免润滑油被污染；检查装配间隙。

1.5 失效原因五：间隙

间隙过大：假如曲轴或曲轴颈部尺寸比推荐值最小值还小，而且轴瓦内腔尺寸比推荐的最大值还大，这样会导致润滑油间隙比允许的值大。间隙过大使得曲轴没有液态动力支撑，曲轴与轴瓦表面接触，引起轴瓦抗摩擦层融化或表面变形。表现为轴瓦侧面边界部分抗磨擦层合金变形/移位，引起微粒刮伤轴瓦表面。

轴向间隙不足 (纵向)：由于不正确安装或曲轴压在轴瓦边缘引起电镀层或金属板位置不正确，导致间隙不足。从某种程度上说，引起摩擦和润滑油膜缺乏，温度上升，直到铅从铜合金层分离，这些区域完全损坏。一般表现为轴瓦边缘和在内表面曲轴高载荷端过度磨损，其它部分正常磨损。在磨损区域，产生熔化和抗摩擦金属合金剥落。

1.6 失效原因六：杂质

固体杂质：润滑油中的灰尘、污垢、磨削和金属颗粒吸附在轴瓦表面上，损坏润滑油膜，使抗磨合金材料移位，也可能使轴瓦表面有刮伤。

内腔杂质：轴瓦内腔及背面有杂质导致接触面不充分并削弱热量流动。这些区域的热量和局部载荷使轴瓦疲劳强度上升，材料分离。

建议安装新轴瓦时仔细遵照清洗指导清洗轴瓦，按照规定的时间间隔更换润滑油和滤清器，保持滤清器和曲轴箱清洁。

1.7 失效原因七：连杆变形

连杆弯曲或扭曲：连杆弯曲或扭曲，内腔错位，产生高压力区域，甚至可能产生轴瓦和曲轴劲部金属撞击。一般表现为两片轴瓦对应面对称过度磨损。

椭圆形内腔：由于连杆在交变负荷下弯曲，内腔变成椭圆形。轴瓦也有形成这种形状的趋势，因此内表面形成椭圆形。由于内腔变形，轴瓦的分隔间隙明显减小，这将导致抗磨擦合金与曲轴颈部之间的金属撞击。

1.8 失效原因七：轴瓦高度缺陷和轴瓦移位

轴瓦高度不足：紧固不够，必要径向压力难以形成，轴瓦难以保持在轴瓦腔内。由于接触面不充分，热量流动困难，同时轴瓦跳动的其它磨擦，使得热量增加。一般表现为轴瓦背面或某些表面可见一些光亮区域（抛光区域）。

导致轴瓦高度不足的原因有：由于轴瓦间分隔表面有灰尘和毛刺，轴瓦远离内腔； 扭矩不足；螺栓与螺孔端部干涉；轴瓦内腔尺寸超过规定直径。一般处理措施为：在扭紧螺母和螺栓之前，清洗轴瓦分隔表面；检查轴瓦内腔尺寸和整体情况；使用合格的螺栓螺母并按照设计扭矩打紧。

轴瓦高度过高：在把轴瓦装入曲轴腔内时，轴瓦分隔表面有凸出。当扭紧螺栓时，它将压在曲轴内腔表面上，产生相当大的径向接触压力。

最常见的原因是分隔表面重新加工（轴瓦分隔区、缸体或连杆被研磨过，重新加工连杆内腔来获取内腔圆度）和螺栓拧紧扭矩过大。

顶部移位：轴瓦顶部移位， 迫使两片轴瓦的一边靠在曲轴上。这主要由以下原因引起：扭紧螺栓时，扭矩不足；瓦片倒置；孔、销或其它中心位置改变；曲轴在磨削过程中中心移位；再使用连杆或轴瓦螺栓。一般表现为两片轴瓦接近分隔区域的对称面上过度磨损。

1.9 失效原因八：曲轴变形

曲轴变形：由于处理不足，存储方式不对或极度条件下运行都有可能引起曲轴变形。曲轴变形使主轴瓦过载，在最高扭曲点形成高压，由于这些原因也会导致间隙减小，轴瓦和曲轴颈部产生金属撞击。一般表现为在一付主轴瓦上部或下部有明显的磨损条纹。这种磨损从一片轴瓦转移到另一片轴瓦，但总的来说主要表现在中心轴瓦上。

曲轴颈部失圆：曲轴颈部失圆使得在轴瓦表面上的载荷不均衡，在某些区域产生高负荷，加速磨损。轴瓦与曲轴之间间隙变小，产生金属撞击。一般表现为轴瓦表面呈不均衡的磨损条纹。根据最高压产生的区域，有三种区分形式，下面曲轴颈部插图分别阐述了这三种故障现象。

图1 曲轴颈部失圆

曲轴R角半径影响：由于倒角半径不正确，引起轴瓦侧面区域金属撞击，导致过度磨损和早期局部强度疲劳。表现为轴瓦侧面区域过度磨损。

1.10 失效原因九：缸体变形

突然加热和冷却系统缺少温度调节阀是导致发动机缸体变形的原因之一。不良运行环境（如：发动机过载）、缸盖螺栓扭紧程序不正确也会引起发动机缸体变形。由缸体变形导致的轴瓦失效主要表现在主轴瓦副上部或下部能观察到很明显的摩擦条纹。这种磨损可以从一片轴瓦延伸到另一片轴 瓦但总的来说，主要集中在中心轴瓦上。

2 结论

本文从故障导致轴瓦失效和装配导致轴瓦失效两方面分析了内燃机轴瓦早期失效原因。通过经验分析，系统地总结了相关因素对轴瓦失效的影响，为发动机可靠性试验分析和整车发动机轴瓦故障判断提供一定的参考。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造(第3版).北京:人民交通出版社,2000.

[2] 张乐山. 轴瓦失效典型案例分析.河北:内燃机与配件.2011(3).