Automobile Technology & Material
某小型汽油机运动系统异响故障分析与解决
（中国第一汽车股份有限公司，长春 130011）
摘要：异响问题现在已经成为影响汽车感知质量品质的重要因素，而发动机异响又是整车
异响的主要来源之一。发动机异响问题不仅影响整车品质，还可能是发动机存在可靠性风险的表现，需要即发现即解决。针对某小型汽油机出现的运动系统异响问题进行了系统解析，通过异响频率分析以及失效样件对比分析，确定异响来源为活塞销与连杆小头衬套之间出现异常磨损，以至于配合间隙过大，进而在活塞换向过程，产生敲击异响。通过完善衬套与连杆的压装工艺，提高衬套贴合率，解决了异常磨损问题。
关键词：异响 连杆小头衬套 材料 磨损
中图分类号：U465.2+2 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190179
1 前言
随着汽车市场趋于饱和，汽车品牌之间的竞争也由高可靠性逐步向高品质转变，用户对车辆感知质量的要求也随之提高，尤其是汽车异响问题，是影响用户选择的重要因素。因此，如何有效地规避
NVH异响问题，进一步提高整车 水平，已经成为新产品开发过程的重要一环。其中，发动机异响又是整车异响的主要来源之一，因此，在发动机新产品开发流程中，引入感知质量评价工作，对各个阶段的开发试验进行定期综合评价，及时发现问题、解决问题，以提高发动机产品的综合竞争力。
发动机是由上百个具有相当精度要求的零部件组成的一套将燃烧能量转化为机械能量的复杂机构，这就导致发动机异响的因素也会呈现出相当程度的多样性。出现异响后，一般先通过主观评价，从异响特点判断其发出大概位置，再利用专业测试手段，精确找到异响源及发生规律，进而确认异响的原因[1]
。
2 异响问题确认
某小型汽油机在整车开发试验阶段，多台试
5 000
验车在里程为 公里左右出现轻微发动机“哒哒”异响，未影响正常行车，发动机燃烧状态正常，
12 000
但随着试验里程增加至 公里左右，“哒哒”异响逐渐增大至主观评价无法接受，需要进行问题分析与解决。
首先对异响发动机进行主观评价，大致确定声源位置处于缸体、缸盖交界处，可能为配气机构或活塞连杆组异响。再根据模糊声源位置，布置加速度传感器，测出异响声音频率。
2.1 声源位置分析
在发动机关注部位，布置加速度传感器，并采
集点火信号，通过振动信号的能量幅值大小、发生时刻以及特征频率来进一步缩小声源范围。近场噪声及缸盖振动信号与时间之间的对应关系分别
1、图2。
见图通过分析信号数据，可以确定该问题为典型2
敲击异响，异常信号随曲轴每转 圈出现一次。
气门、凸轮轴敲同时，为进一步确认异响来源，确认异响真NVH
因，制定以下交叉 测试计划。
2.2 异响问题分解
利用鱼骨图工具对可能产生敲击异响的因素进行一一列举，并进行初步排除。根据以往工程试验经验，敲击频率与敲击时刻符合发动机配气机构和活塞连杆机构的运动规律，因此将排查重
3点放在气门、凸轮轴以及活塞连杆（图 中斜体字）这些重点零部件。
2.3 异响来源确认
气门、凸轮轴落座异响排查，通过异响发动机与无异响发动机对调缸盖及凸轮轴装配总成，并
NVH
分别进行 测试试验，试验结果显示原来存在异响发动机敲击现象依然存在，无异响发动机依然无异响，因此可得出结论，异响来源不是气门、凸轮轴敲击造成。
活塞销与连杆小头敲击异响排查，通过拆检异响发动机，对连杆、活塞销、活塞等重点零部件进行
测量，2#、3#、4#连杆小头孔异常磨损，最大磨损量0.059 mm，远超磨损限值；其余主要零部件磨损
达
4
情况正常，测量值见图 连杆小头磨损量对比。a.方案①，异响发动机装配合格连杆； b.方案②，无异响发动机装配问题连杆。试验结果显示，方案①异响发动机装配合格新连杆，主观评价无异响；方案②无异响发动机装配问题连杆，有异响，且主观评价与之前异响基本一致。
由此可以判断异响的原因为连杆小头衬套异常磨损造成的活塞销敲击异响。
3 连杆小头衬套异常磨损原因分析
连杆作为发动机的一个核心零部件，发挥着至
关重要的作用。连杆小头与活塞销相连并承受着活塞传递过来的燃烧爆发压力，而连杆大头与曲轴连接将直线运动转换成旋转运动。这其中连杆小头衬套的工作状况最为恶劣，一方面因为活塞销与小头衬套相对运动范围较小，难以形成理想的油膜，这样不但加速了衬套的磨损，也使得小头衬套处散热较差；另一方面，活塞销由于其整体尺寸以及结构形式的限制，一般采用飞溅润滑形式，很容
3.2 衬套润滑状态检查
本机型连杆小头衬套润滑方式为飞溅润滑，在衬套上加工有集油槽，用来收集活塞冷却喷嘴飞溅上来的机油。因此影响其润滑状态的主要零部件为机油泵和活塞冷却喷嘴，主要外部因素为机油保养方法。
通过对机油泵外观检查并拆检机油泵，机油收集器、机油泵出油孔处无堵塞或漏油现象。将其换装到试验台架上进行功能检测，机油压力正
4
常。对发动机的 支活塞冷却喷嘴进行开压力测
1，满足设计要求，因此可以排除
试，测试结果见表机油泵和活塞冷却喷嘴造成的影响。
同时通过检测返回的保养油样，查询保养记录，可以确认机油状态满足发动机使用要求。综上，衬套润滑状态正常。易形成高温、缺油的情况[2]。高温则会导致衬套产生塑性变形[3]，进而衬套产生转动或者磨损。衬套磨损可以分为四大类即磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损以及腐蚀磨损[4]，本次衬套磨损为粘着磨损。
3.1 异常磨损问题分解
同样利用问题分析鱼骨图对连杆小头衬套异5，针对这些可能原因常磨损问题进行分解，见图进行逐一排查。
3.3 工作环境检查
衬套工作环境主要涉及清洁度、是否过热、燃烧爆发压力等因素。这些因素可以通过拆检曲柄连杆机构，分析零部件试验后状态进行间接判断。
异常磨损发动机拆检结果，主轴瓦、连杆轴瓦以及凸轮轴等零部件磨损正常，活塞无过热现象；活塞销粗糙度合格。排除清洁度、爆发压力高、活塞过热等影响因素。
3.4 衬套材料检查
B05R、LF- 5、
常用的连杆衬套材料一般有
CUSN8NI、PBP2- S 2 B05R
等，如表 所示，其中 与
PBP2-S
为同等级别材料，耐疲劳、耐磨损上低于
Cusn8ni HS221；NB6X Cusn6ni，耐疲劳、耐磨
和 即
Cusn8ni 材料要好。HS221
损方面比国产的 耐疲
LF- 5
劳性能上要更高，也更耐磨损； 材料介于
CUSN6P Cusn8ni
和 之间。异常磨损发动机的连杆衬套合金层为采用的
B05R，承载压力许用限值为130 MPA，而异响发
为
116 MPA，见
动机连杆小头衬套的设计计算比压为
3，满足许用限值要求，衬套材料的选型合理。
表
B05R
下一步确认异常磨损的衬套材料是否满足的技术要求。应用能谱定性分析连杆小头衬套铜合金层化学成分，材料检测结果满足衬套的材料技术要求， 4。
见下表
3.5 衬套压装质量检查
连杆小头衬套的压装质量会直接影响到衬套工作状态。该机型衬套采用了阶梯异形设计，压
6
装胎具采用平板设计，图 所示，为衬套压装方式示意图，压装过程中，承载区产生的支反力大于异形侧的支反力，这就导致在压装过程中出现压装圆周受力不均的情况，在水平向右的支反力与垂直向下的压装力的作用下，产生使衬套向右倾斜
的合力，容易造成压装质量不满足要求[5]
。
4#连杆和正常试
剖切异响发动机磨损最大的验后连杆进行对比分析，发现异响连杆的衬套贴
50%，不合格，如图7
合度不足 所示。
连杆小头衬套与连杆小头贴合度不足的部位，散热效率降低，会导致衬套受热不均，局部变形，进而导致承载区的油膜难以建立，使活塞销与衬套之间产生边界润滑，摩擦增大，局部产生早磨，严重者会导致衬套出现裂纹、连杆小头抱死，发动机捅缸。
综上，可以确认连杆小头异常磨损的原因为连杆小头衬套压装质量不合格，造成连杆小头衬套异常磨损，进而导致发动机产生“哒哒”敲击异响。
4 连杆小头衬套压装工艺质量控制改进4.1 衬套压装工艺检查
连杆衬套的压装一般有常温压装和液氮低温压装两种工艺。本机型连杆衬套采用的是常温压装，在连杆小头精镗工序后，进行连杆衬套压装，最后进行小头孔再次精镗达到设计的内孔圆柱度要求。
通过检查问题连杆二维码，可以确认在生产该批次连杆时，精镗工序的加工设备还在处于调试阶段，未完成生产稳定性验收工作。因此可以判断，在该时间段生产的连杆总成，存在连杆小头衬套压装质量不合格的样件流出，出现批量异响问题。
同时，在压装工序后加入衬套精整工艺，保证衬套在加工后的贴合度以及其它各个尺寸公差满足图纸要求，可进一步提高连杆压装质量。
现阶段连杆生产全部工序的加工设备均已验收完成。为进一步识别、确认问题，采用镀层破坏率法评价衬套贴合率。该方法首先将衬套背部进行镀层，将背部镀层的衬套压入连杆，然后将连杆由承载区两侧切割取出小头衬套，观察衬套的承载区背部的贴合情况，将镀层破坏区域用笔画在布满栅格的衬套承载区等比例延展图上，计算镀层破坏面积与衬套总面积的比例，即衬套的贴合
3
[5]。在现生产的连杆中，随机抽取
率 件剖切检查
8
其贴合率，如图 所示，现生产连杆小头衬套贴合率满足技术要求。
4.2 衬套压装质量控制
为进一步确保连杆总成生产质量，一方面，在生产过程中保存压装工艺过程中的压力曲线，见
9，以便随时进行抽检。另一方面，在精整工序，图添加检查设备，监控滚挤压力值，并在异常时报警、停机。同时，对下线成品连杆进行定期抽检，实物剖切，并应用上述方法对连杆小头衬套贴合程度进检测、评价，保证产品合格率。
5 道路可靠性试验验证
道路可靠性试验为最接近用户实际使用情况的试验类型，在很大程度上反映了整车、整机及零部件的真实可靠耐久性水平，也是对发动机零部件的最终认证。为验证改进工艺措施的有效性，随机抽取现生产工艺改进连杆装配到道路试验样车上，进行道路可靠性试验验证。
6
进行 台份整车道路可靠性试验，且每一万公
NVH 18
里进行一次主观 评价。在合计 万公里的
耐久试验过程中，6
台试验车均无异响发生，道路试验验证通过，问题闭环。
6 结论
NVH
a.通过主观评价、燃烧状态确认以及专业
测试确认发动机异响来源。
b.对异响发动机拆检分析，并对重点怀疑零部
件进行精密测量，确认发动机连杆小头衬套异常磨损是造成异响的根本原因。
c.通过剖切磨损连杆，确认异常磨损是由连杆
小头衬套压装贴合度不符合技术要求所致。
参考文献：
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