某柴油机止推片磨损问题的分析及改进

毛莹 杨杰 贺园玲

摘要：针对某机型柴油机在市场出现止推片磨损的问题，通过对止推片的装配、润滑、材质检验，轴向受力及整车配套等方面进行排查，得出止推片磨损是因为其承载的安全系数小于止推片设计要求。在此基础上，提出加大止推片承载面积来解决这个问题，经市场验证效果良好。

Abstract： Based on a type of engine thrust wear in the market， this paper analysis of the thrust assembly， lubrication， material inspection， stress and vehicle support， ect. It is concluded that the thrust plate wear is due to the safety of axial force is less than the design requirement thrust plate. On this basis， it is proposed to increase the bearing area of thrust plate to solve this problem， which has been proved to be good in the marked.

关键词：止推片;轴向受力;承载

Key words： thrust plate;axial force;bearing

中图分类号：TK428                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0074-03

0  引言

发动机工作时，曲轴经常受到离合器施加于飞轮的轴向力作用而有轴向窜动的趋势[1]。曲轴的轴向窜动将破坏曲柄连杆机构各零件间正确的相对位置，故必须用推力轴承（一般是滑动轴承）加以限制;而在曲轴受热膨胀时，又应允许它能自由伸长，所以曲軸上只能有一处设置曲轴定位装置[2]。一般采用滑动推力轴承的形式有两种：①翻边轴瓦的翻边部分;②单制的具有减磨合金层的止推片[2]。在轻型柴油机上通常采用的是半圆形的止推片，一台发动机有4片，分别是上下止推片在曲轴主轴颈的某一档与曲轴组成一对摩擦副，进而调节曲轴的轴向间隙。

本文针对上述结构的止推片在市场上磨损的现象进行分析，找出磨损原因提出改进方案，并对改进方案进行验证。

1  故障描述

某轻型柴油机在配套一种车型上接连出现异响，伴随着发动机离合器分离不彻底，挂挡困难等问题。检查发动机前端发现曲轴前后窜动量异常，初步判定是发动机内部故障。经统计，此类故障大多为短里程故障，其中0-5000公里占比63%，5000-10000公里占比7%，10000-30000公里占比19%，30000公里以上的占比为11%。着重对故障里程为0-5000公里的发动机进行拆检分析，拆开油底壳后，发现有一上一下两片止推片掉落在油底壳内，判定是止推片脱落导致曲轴轴向间隙过大产生敲缸产生异响。同时发现脱落的均是曲轴后端的止推片，而前端的止推片合金层严重磨损，伴随着曲轴后端端面磨损，机体靠近磨损的止推片一面磨损，如图1所示。

2  原因分析

止推片属于滑动轴承类，在工作过程中，容易受害，针对上述故障现象，从止推片的装配、使用、材质和设计配套方面进行排查。

2.1 装配排查

2.1.1 止推片反装

我们采用的止推片材料是一种常见材料，SPHC的钢背和AlSn20Cu的合金层，如果止推片装反，可能会导致异常磨损。通常，止推片的钢背与机体面接触，合金层与曲轴面接触，这样在曲轴旋转过程中，止推片的钢背与机体贴合，止推片的合金层与曲轴之间的油膜保证润滑。如果止推片反装，止推片的钢背与曲轴直接接触，两种硬度相当的材料之间会形成早磨，同时在故障止推片上会反应出钢背高温发黑并伴随着严重磨损，这样的故障通常发生在早期。目前止推片都采用防错的设计，通过上下止推片的接口及止推片的定位唇来保证，单个止推片是无法反装的，除非上下止推片同时反装，通过查看故障止推片的状态，合金层严重磨损，钢背轻微发黑，此现象可排除止推片反装的可能。

2.1.2 曲轴轴向间隙

止推片的作用就是通过调节曲轴的轴向间隙，防止轴向力对曲轴造成磨损。止推片工作状态中，合金层与曲轴端面不直接接触，在止推片和曲轴端面之间存在有一定的间隙，在这个间隙之间有一层润滑油，这样一来就可以减少摩擦。[3]这个间隙就是我们常说的曲轴轴向间隙，此机型的曲轴轴向间隙设计值是0.075-0.285mm，对比同类产品的设计，此间隙属于正常范围，排除曲轴轴向间隙设计过小的原因。

同时排查了生产接近3000台装机测量值，实测轴向间隙值程正态分布状态，并且生产过程中对轴向间隙不合格的发动机整修直到检测合格后才放行出厂，因此排除曲轴轴向间隙过小的因素。

2.1.3 止推片与机体接触面积排查

如果机体与止推片接触不平会导致止推片与曲轴之间的油膜无法形成，同时如果机体上止推面深度不够的话，也容易使止推片脱落。因此，调取与故障机同批次3台套机体和止推片，对主轴承孔止推档关键尺寸和止推片的内外径及平面度进行检测，如表1所示，测量结果均满足设计要求，排除止推片与机体接触面积不够和止推片定位的因素。

2.1.4 一轴异常受力现象排查

当整车的一轴顶死发动机曲轴，将会给曲轴一个持续的轴向力，而如果变速箱的一轴与发动机轴系的同轴度超差时，曲轴将受到偏斜的外力作用，这样不利于止推片与曲轴之间油膜的建立，这两种情况都会导致止推片磨损。拆检故障机时，查看曲轴后端顶针孔及飞轮轴承的状态，未发现有一轴顶死和轴承偏斜受力的情况，因此排除一轴异常受力的现象。

2.2 润滑油的影响

润滑油对止推片的影响因素也是较大的，止推片与曲轴之间是一对运动副，正常运转是止推片和曲轴不接触，只有在使用离合器及启动过程才会有短暂碰磨，分与离很清晰，有油和油膜的存在，就没有干摩擦[3]。如果存在无润滑油或者机油压力不足等因素，就会造成止推片磨损。通过对故障机拆检发现发动机中承载比压较高的连杆瓦和主轴瓦没有异常，并且故障信息中没有显示机油压力报警，所以排除润滑油的影响。

2.3 止推片材料检测

止推片的材料决定其承载能力，其中合金层的厚度直接影响止推片的寿命。我们分别对严重磨损和轻微磨损的止推片进行金相和硬度检测，金相检测如图2、图3所示，检测出故障止推片的合金层厚度如表2所示。磨损严重的合金层已殆尽，磨损轻微的止推片金相组织无异常。

故障止推片硬度检测结果如表3所示，四片止推片的合金层及钢背硬度均符合技术要求，说明在故障发生前，止推片的材料均符合设计要求，排除止推片自身材料不合格的影响因素。

2.4 设计配套排查

2.4.1 止推片与曲轴圆角尺寸设计排查

首先对止推片和曲轴圆角部分进行设计排查，止推片内外径的设计需满足下式：

 式中d内、d外指止推片内外直径，D1指曲轴主轴颈直径，R指曲轴主轴颈圆角，D2指曲轴止推凸台外径。

经查核，本机型设计值均满足设计要求，同时对与故障机同批次曲轴及止推片进行抽检，实测值也满足设计要求。

2.4.2 后端轴向推力

止推的受力来源于曲轴正时齿轮即正时斜齿轮产生的轴向力和离合器的分离力，有些机型还有可能存在与曲轴端面接触的零件产生的轴向力，这个力一般不大，止推片在设计时，其承载能力需要克服其轴向力。止推片承载能力的设计计算公式为：

 式中，F为止推片承受的载荷，d1，d2分别是止推片内、外直径;Se为止推片有效承载面积;SM为止推片名义支撑面积，Ff为齿轮轴向受力，[P]为止推片支撑面合金材料的许用强度。[3]

本机型发动机的止推片只承受正时齿轮产生的轴向力和离合器的分离力，通过齿轮传动分析计算得出曲轴正时齿轮的最大轴向力是1465.62N，如图4所示。

本机型止推片有效承载面积是1289mm2，得出此止推片可承受最大载荷是4643N，在整车配套过程中，因不同整车厂的配套要求不同，我们选用的推式离合器最大分离力从2200N变更为3000N。当选用分离力是3000N的离合器时，止推片的安全系数仅1.04，不满足设计标准1.1的要求。

2.4.3 配套离合器排查

在整车配套设计时，离合器的配套不能超出止推片的承载力，同时要留有一定的安全系数。在实际使用过程中，离合器的实际分离力与分离行程成正比关系，分离行程过大或者卡滞都会造成分离力过大，从而使得止推片承载异常[4]。经查，此发动机配套的是推式膜片弹簧离合器，即自由状态下离合器与分离轴承之间存在一定的间隙。检测多台车，一般预留的轴承间隙是1-2mm，离合器的分离行程大都控制在11-13mm，满足离合器本体的设计要求。现场查看故障机型的分离轴承，无卡滞等异常情况。

3  优化改进方案

综上分析，查出可能存在的问题是离合器的最大分离力加大后导致止推片受力的安全系数降低，不满足设计要求，从而导致了止推片早磨。

为了解决止推片因承受载荷过大导早期磨损的问题，现提出优化止推片的方案，将止推片外径加大，提升止推片的承载能力，以此来保证柴油机的可靠性。加大后止推片在本机型上，可承受的持续载荷可达到3588N，短期载荷可达到9569N。在选用最大分离力为3000N的离合器时，止推片的安全系数将提高至2.14，这样的承载能力为后续配套混合动力的车型预留了空间。

4  结论

针对某柴油机在市场上止推片磨损脱落的故障模式，通过排查造成止推片磨损的四大因素：①裝配问题;②润滑油的影响;③止推片质量问题;④止推片设计及整车配套。综合分析后，找到导致此机型止推片磨损的可能因素是配套大分离力的离合器后，导致止推档所承受的轴向力超出止推片可承受的范围，最终导致止推片疲劳磨损。在此基础上提出加大止推片的承载面积，来解决止推片承载能力的方案，最终经过市场验证，止推片磨损的故障率大幅下降。

止推片作为发动机系统中特殊的零件，为防止止推片脱落的故障，还提出以下建议：①保证止推片与曲轴之间的油膜;②避免止推片受异常外力的影响，着重关注离合器和变速箱一轴，离合器尽量不要处于半离合状态;③保证止推片的装配正确性[5]。

参考文献：

[1]周一理.关于混合动力车打洞机止推片故障失效分析[J].内燃机，2017（4）：39-41.

[2]陈家瑞.汽车构造[M].吉林：机械工业出版社，2009.

[3]朱军.内燃机止推片失效模式与分析[J].内燃机，2015（2）：60-62.

[4]刘保增，包耿，邵谱.离合器匹配设计[J].专用汽车，2020.

[5]王士忠，赵斌.曲轴止推片失效预防和分析[J].内燃机与配件，2010（2-3）：39-42.