某款发动机拉缸故障的分析和优化
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摘要院拉缸故障是内燃机的重大质量问题袁其原因在于气缸套与活塞环尧活塞之间的油膜不够袁从而导致润滑不够袁直至发生干摩 擦遥 本文针对某款量产发动机出现的拉缸问题进行了现场排查尧缸孔直径测试和有限元 CAE 分析袁并结合同类发动机的活塞结构和 配缸间隙进行了对比论证遥找出了拉缸故障的问题所在要要 要活塞与缸体材料的热膨胀系数和比热容相差较大袁配缸间隙过小袁叠加冷 却条件不足遥 基于分析结论袁通过适当减小配缸间隙尧加冷却喷嘴的措施袁较圆满地解决了该拉缸故障问题遥
4 仿真分析 首先在 pro—E 软件中生成活塞组件的三维数模，导 入进有限元软件 Abaqus 中。考虑到活塞为对称部件，为减 小计算量采用四分之一的数模。 接着，我们在有限元软件中进行材料属性，分析步、载 荷和边界的设置[3]。内燃机工作过程中，作用于活塞上的载 荷有气缸气体压力、温度、螺栓预紧力、往复惯性力以及连 杆在倾斜位置时的侧压力。其中螺栓预紧力为恒定载荷， 温度在活塞的往复循环工作过程中虽稍有变化，但为了便 于计算也将它认定为恒定载荷，气缸气体压力和往复惯性 力则仍按循环交变载荷考虑。根据本次仿真的目的，我们 将最主要的气缸压力和温度热应力作为主要的力学特征 进行分析计算。机械载荷计算情况下，在活塞的底部施加 9MPa 的爆发压力载荷，在各个切面上施加对称约束边界， 在活塞销的 120毅的区域设置成全约束边界。准确合理地
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内燃机与配件
某款发动机拉缸故障的分析和优化
Analysis and Optimal Design of the Scuffing of Engine CyliБайду номын сангаасder Bore
黄灿银淤曰胡祝昌于
（淤湖南长丰动力有限责任公司，长沙 410100；于上海柴油机股份有限公司，上海 200438）
零部件 名称
零部件图号
表 1 活塞测量数据 测量项目
项目内容 技术要求
测量值 试验后
mm 超差
1
活塞
裙部最大 CF4G15-1004015 直径 椎74.900~椎75.020
2 3
4
74.967 74.971 74.970 74.588 -0.392
从上述表 1 的活塞测量结果中，其数据表明第四缸活 塞拉缸后磨损变形，裙部最大直径缩小 0.39mm，而其它三 缸磨损正常。
Abstract: Scuffing of engine cylinder bore is serious qualityproblem. The reason is that there is not enough oil film between cylinder liner and piston ring and piston, which leads to insufficient lubrication until dry friction occurs. In this paper, the problem of the cylinder of a mass production engine is investigated, the test of cylinder hole diameter and the finite element CAE analysis are carried out, and the comparison between the piston structure and the cylinder gap of the same kind of engine is made. The problem of cylinder failure is found out -- the thermal expansion coefficient and specific heat capacity of the piston and cylinder material are large, the gap between the cylinder is too small, and the superposition cooling condition is insufficient. Based on the analysis conclusion, the failure problem of the cylinder is solved satisfactorily by reducing the gap of the cylinder and adding cooling nozzle.
关键词院拉缸曰润滑曰干摩擦曰CAE曰间隙 Key words: scuffing曰lubrication曰dry friction曰CAE曰gap
0 引言 发动机拉缸属于严重的质量问题，它是指气缸内壁出 现显著的机械划痕和刮伤。它直接导致发动机功率下降， 漏气量持续增加、发动机异响等故障的发生，也是引起活 塞磨损开裂、缸套拉伤、缸体被击穿的主要原因[1]。 1 故障介绍 公司某款发动机在配套整车后，出现多起发动机异响 现象，经拆机发现活塞裙部及缸孔出现拉伤。拉缸故障的 主要特征有：淤拉伤部位均为活塞裙部四对角点划伤，且 位置均靠活塞下部；于就缸孔而言，在缸孔 50mm 范围内 出 现 划 伤 痕 迹；盂 从 多 起 故 障 来看 ，拉 伤 较 严 重 的 集 中 在 第四缸的活塞和缸孔上。 2 现场测试 除第 四 缸 拉 缸 外 ，其 它 三 缸 均 正 常 ，第 四 缸 缸 孔 内 侧 有 4 条很深的条痕磨损，同时其活塞裙部有严重的划痕。 为此，我们对故障发动机进行活塞的现场测试。如表 1 示。
3 原因分析 活塞 裙 部 拉 缸 ，即 在 持 续 恶 劣 的 工 况 下 ，活 塞 与 缸 孔
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
作者简介院黄灿银（1984-），男，硕士，主要研究方向为机械设计 CAE。
间的油膜遭到破坏，导致其运动润滑冷却条件不断恶化， 直至产生干摩擦[2]。根据本公司发动机出现的拉缸问题，经 过现场测试和以往技术积累经验判断，可能存在的原因主 要有：淤冷却能力不够（表现为后两缸拉缸严重，前两缸无 明显拉缸）；于活塞与缸体材料的热膨胀系数相差较大（表 现拉缸顺序随机）；盂活塞型线设计不合理，造成活塞椭圆 大径方向磨损严重；榆活塞和缸孔间的配缸间隙过小；虞 机体装配方式不合理，导致缸孔变形过大，（表现为第一缸 和第四缸拉缸严重）。结合前面故障特征和现场测试，第四 缸拉缸较严重，初步判断问题在于：活塞材料为铸铝，而缸 体为铸铁，前者的热膨胀能力是后者的 2.5 倍，而在冷却 能力较弱的情况下，活塞裙部的热变形较缸体大，同时缸 体材料的散热能力较差，加剧冷却效果的恶化。在配缸间 隙公差带下限区域，活塞最终的变形将超过缸孔的变形， 最终导致干摩擦并产生拉缸。
4 仿真分析 首先在 pro—E 软件中生成活塞组件的三维数模，导 入进有限元软件 Abaqus 中。考虑到活塞为对称部件，为减 小计算量采用四分之一的数模。 接着，我们在有限元软件中进行材料属性，分析步、载 荷和边界的设置[3]。内燃机工作过程中，作用于活塞上的载 荷有气缸气体压力、温度、螺栓预紧力、往复惯性力以及连 杆在倾斜位置时的侧压力。其中螺栓预紧力为恒定载荷， 温度在活塞的往复循环工作过程中虽稍有变化，但为了便 于计算也将它认定为恒定载荷，气缸气体压力和往复惯性 力则仍按循环交变载荷考虑。根据本次仿真的目的，我们 将最主要的气缸压力和温度热应力作为主要的力学特征 进行分析计算。机械载荷计算情况下，在活塞的底部施加 9MPa 的爆发压力载荷，在各个切面上施加对称约束边界， 在活塞销的 120毅的区域设置成全约束边界。准确合理地
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某款发动机拉缸故障的分析和优化
Analysis and Optimal Design of the Scuffing of Engine CyliБайду номын сангаасder Bore
黄灿银淤曰胡祝昌于
（淤湖南长丰动力有限责任公司，长沙 410100；于上海柴油机股份有限公司，上海 200438）
零部件 名称
零部件图号
表 1 活塞测量数据 测量项目
项目内容 技术要求
测量值 试验后
mm 超差
1
活塞
裙部最大 CF4G15-1004015 直径 椎74.900~椎75.020
2 3
4
74.967 74.971 74.970 74.588 -0.392
从上述表 1 的活塞测量结果中，其数据表明第四缸活 塞拉缸后磨损变形，裙部最大直径缩小 0.39mm，而其它三 缸磨损正常。
Abstract: Scuffing of engine cylinder bore is serious qualityproblem. The reason is that there is not enough oil film between cylinder liner and piston ring and piston, which leads to insufficient lubrication until dry friction occurs. In this paper, the problem of the cylinder of a mass production engine is investigated, the test of cylinder hole diameter and the finite element CAE analysis are carried out, and the comparison between the piston structure and the cylinder gap of the same kind of engine is made. The problem of cylinder failure is found out -- the thermal expansion coefficient and specific heat capacity of the piston and cylinder material are large, the gap between the cylinder is too small, and the superposition cooling condition is insufficient. Based on the analysis conclusion, the failure problem of the cylinder is solved satisfactorily by reducing the gap of the cylinder and adding cooling nozzle.
关键词院拉缸曰润滑曰干摩擦曰CAE曰间隙 Key words: scuffing曰lubrication曰dry friction曰CAE曰gap
0 引言 发动机拉缸属于严重的质量问题，它是指气缸内壁出 现显著的机械划痕和刮伤。它直接导致发动机功率下降， 漏气量持续增加、发动机异响等故障的发生，也是引起活 塞磨损开裂、缸套拉伤、缸体被击穿的主要原因[1]。 1 故障介绍 公司某款发动机在配套整车后，出现多起发动机异响 现象，经拆机发现活塞裙部及缸孔出现拉伤。拉缸故障的 主要特征有：淤拉伤部位均为活塞裙部四对角点划伤，且 位置均靠活塞下部；于就缸孔而言，在缸孔 50mm 范围内 出 现 划 伤 痕 迹；盂 从 多 起 故 障 来看 ，拉 伤 较 严 重 的 集 中 在 第四缸的活塞和缸孔上。 2 现场测试 除第 四 缸 拉 缸 外 ，其 它 三 缸 均 正 常 ，第 四 缸 缸 孔 内 侧 有 4 条很深的条痕磨损，同时其活塞裙部有严重的划痕。 为此，我们对故障发动机进行活塞的现场测试。如表 1 示。
3 原因分析 活塞 裙 部 拉 缸 ，即 在 持 续 恶 劣 的 工 况 下 ，活 塞 与 缸 孔
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
作者简介院黄灿银（1984-），男，硕士，主要研究方向为机械设计 CAE。
间的油膜遭到破坏，导致其运动润滑冷却条件不断恶化， 直至产生干摩擦[2]。根据本公司发动机出现的拉缸问题，经 过现场测试和以往技术积累经验判断，可能存在的原因主 要有：淤冷却能力不够（表现为后两缸拉缸严重，前两缸无 明显拉缸）；于活塞与缸体材料的热膨胀系数相差较大（表 现拉缸顺序随机）；盂活塞型线设计不合理，造成活塞椭圆 大径方向磨损严重；榆活塞和缸孔间的配缸间隙过小；虞 机体装配方式不合理，导致缸孔变形过大，（表现为第一缸 和第四缸拉缸严重）。结合前面故障特征和现场测试，第四 缸拉缸较严重，初步判断问题在于：活塞材料为铸铝，而缸 体为铸铁，前者的热膨胀能力是后者的 2.5 倍，而在冷却 能力较弱的情况下，活塞裙部的热变形较缸体大，同时缸 体材料的散热能力较差，加剧冷却效果的恶化。在配缸间 隙公差带下限区域，活塞最终的变形将超过缸孔的变形， 最终导致干摩擦并产生拉缸。