汽车发动机轴承失效与润滑系统的相关性分析
2013-11-22
李柱国 谭业琴
（上海交通大学机械与动工程学院，上海 200030）
（上海交通大学机械与动工程学院，上海 200030）
摘 要：介绍了汽车发动机轴承的主要磨损失效型式，提出了与失效相关的润滑系统的重要性，强调了润滑油的关键作用。用性能好的品牌润滑油，随机监测油的状态是预防发动机轴承磨损失效的Z好方式。
关键词：磨损失效；润滑系统；相关性分析
1 发动机轴承磨损失效的类型
汽车发动机的连杆轴承和曲轴主轴承是主要的摩擦副。其主要的损坏形式是磨损失效。根据轴承失效表面的外观现象、产生的机理、工况的变化和环境的差异，通常可以把磨损失效分为四大类：磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损以及腐蚀磨损。每一大类的损坏形式，有时又可以根据呈现严重程度的不同，损坏部位的不同以及导致失效的直接原因不同而细化，有时也称为：擦伤、刮伤、偏磨、侵蚀、龟裂、剥离、气蚀和咬粘等。Z为严重的导致发动机停机的失效就是曲轴咬死。GB/T 18844-2002《滑动轴承》中详细规定了发动机滑动轴承的失效名称、定义及原因分析。实践证明，发动机轴承的失效是现象，轴瓦合金层的磨损失效只是发动机非正常运行的初期征兆。因为对于汽车发动机轴承这一对摩擦副而言，曲轴是主要的，轴承是保护轴颈的。显然从设计到制造均定位为从属件，也就是说，与硬曲轴相比，软轴瓦是弱者，是易损件。发动机出现异常工况，如果轴承油膜破裂，首先牺牲的是轴承零件。通常只有轴瓦合金表面层被磨损或被损坏以后，它才反过来去伤害、磨损轴颈。通常轴瓦出现故障问题。
90%以上是其它相关零件的原因，可能是曲轴、轴承座的形状、尺寸以及精度（包括安装精度）的影响结果，也可能是润滑系统异常的结果，还有可能是操作者非正常操作或误操作的影响结果。图1为内燃机轴承系统相关因素。图2为异物导致的失效过程分析。图3为发动机轴承粘着烧伤过程。表1为汽车发动机轴承的失效原因统计。显然润滑失效、油膜破裂和金属与金属的固体接触是磨损故障的直接原因。
关键词：磨损失效；润滑系统；相关性分析
1 发动机轴承磨损失效的类型
汽车发动机的连杆轴承和曲轴主轴承是主要的摩擦副。其主要的损坏形式是磨损失效。根据轴承失效表面的外观现象、产生的机理、工况的变化和环境的差异，通常可以把磨损失效分为四大类：磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损以及腐蚀磨损。每一大类的损坏形式，有时又可以根据呈现严重程度的不同，损坏部位的不同以及导致失效的直接原因不同而细化，有时也称为：擦伤、刮伤、偏磨、侵蚀、龟裂、剥离、气蚀和咬粘等。Z为严重的导致发动机停机的失效就是曲轴咬死。GB/T 18844-2002《滑动轴承》中详细规定了发动机滑动轴承的失效名称、定义及原因分析。实践证明，发动机轴承的失效是现象，轴瓦合金层的磨损失效只是发动机非正常运行的初期征兆。因为对于汽车发动机轴承这一对摩擦副而言，曲轴是主要的，轴承是保护轴颈的。显然从设计到制造均定位为从属件，也就是说，与硬曲轴相比，软轴瓦是弱者，是易损件。发动机出现异常工况，如果轴承油膜破裂，首先牺牲的是轴承零件。通常只有轴瓦合金表面层被磨损或被损坏以后，它才反过来去伤害、磨损轴颈。通常轴瓦出现故障问题。
90%以上是其它相关零件的原因，可能是曲轴、轴承座的形状、尺寸以及精度（包括安装精度）的影响结果，也可能是润滑系统异常的结果，还有可能是操作者非正常操作或误操作的影响结果。图1为内燃机轴承系统相关因素。图2为异物导致的失效过程分析。图3为发动机轴承粘着烧伤过程。表1为汽车发动机轴承的失效原因统计。显然润滑失效、油膜破裂和金属与金属的固体接触是磨损故障的直接原因。
图1 发动机轴承系统相关因素
图2 发动机中的异物和产生的故障过程
图3 发动机滑动轴承烧伤过程
表1 汽车发动机轴承主要损坏原因统计
2 汽车发动机润滑系统
汽车发动机润滑系统应包括：油泵、滤清器、油路、油孔和油槽等。该系统能保证向活塞、活塞环与气缸、曲轴主轴颈与主轴瓦、连杆小头活塞销与连杆小头轴套、曲轴连杆轴颈与连杆大头轴瓦以及气阀推杆与凸轮和内传动齿轮组等所有摩擦副群连续地、充分地提供润滑油。
鉴于汽车发动机的工况特点，除了上述润滑功能外，汽车发动机润滑系统还应该具有下列功能：冷却功能，循环流动的润滑油把上述摩擦副工作时产生的热量带走，防止轴承合金材料熔融，软化迁移。另外，还应具有清洗功能，循环流动的润滑油，将各运动副产生的磨粒，或外来侵入的杂质物，以及润滑油在恶劣工况下形成的沉积物，能经过滤清器或清油器清除掉，从而防止油路、油孔和油槽的堵塞。总之，润滑系统连续充足地向发动机摩擦副群供给清洁润滑油是保证发动机稳定，长期正常运转的必要条件。所谓汽车“无机油行驰XXXX公里”的广告纯属天方夜谭的故事。不同的发动机采用不同类型的润滑系统。图4为一般6缸发动机压力润滑系统。
汽车发动机润滑系统应包括：油泵、滤清器、油路、油孔和油槽等。该系统能保证向活塞、活塞环与气缸、曲轴主轴颈与主轴瓦、连杆小头活塞销与连杆小头轴套、曲轴连杆轴颈与连杆大头轴瓦以及气阀推杆与凸轮和内传动齿轮组等所有摩擦副群连续地、充分地提供润滑油。
鉴于汽车发动机的工况特点，除了上述润滑功能外，汽车发动机润滑系统还应该具有下列功能：冷却功能，循环流动的润滑油把上述摩擦副工作时产生的热量带走，防止轴承合金材料熔融，软化迁移。另外，还应具有清洗功能，循环流动的润滑油，将各运动副产生的磨粒，或外来侵入的杂质物，以及润滑油在恶劣工况下形成的沉积物，能经过滤清器或清油器清除掉，从而防止油路、油孔和油槽的堵塞。总之，润滑系统连续充足地向发动机摩擦副群供给清洁润滑油是保证发动机稳定，长期正常运转的必要条件。所谓汽车“无机油行驰XXXX公里”的广告纯属天方夜谭的故事。不同的发动机采用不同类型的润滑系统。图4为一般6缸发动机压力润滑系统。
图4 发动机润滑系统
3 正确选用高质量的润滑油
众所周知，发动机轴承既要传递载荷扭矩，又要传递运动，这必然产生摩擦和磨损。而防止异常磨损。减小摩擦的主要方法就是润滑。除了前述润滑系统的正确设计之外，选用高质量的、满足发动机高要求的，规定牌号的润滑油非常重要。用错牌号油，用劣质假油导致发动机停车的事故也不少见。
表征润滑油性能的参数主要有：粘度、油性、闪点、凝点、碱值、水分以及抗氧安定性、抗磨性和抗极压性等。发动机启动、停车或异常工况，轴承工作表面与轴颈表面之间会出现瞬时油膜破裂的边界摩擦状态，表面可能会呈现局部粘着现象，含有抗极压性能或抗磨性能添加剂的油品就可以及时为摩擦表面提供瞬时保护及修补，防止严重磨损导致咬死。
现代汽车发动机为了减少振动、降低噪声，要求发动机的摩擦副间隙更小，这也就相应要求润滑油性能更好。润滑油的性能依赖于基础油的质量以及添加剂的成份、比例和品质。
4 发动机轴承失效的预测预防
发动机轴承的失效形式是多方面的，导致损坏的原因也是错综复杂的，所以为了更有效的预测滑动轴承的失效，目前一种系统分析方法——油样分析技术已逐渐在滑动轴承的故障诊断、预测、预防和状态监测中得到应用。
发动机滑动轴承润滑系统摩擦副群的状态监测及预测和预防相关性见图5。
众所周知，发动机轴承既要传递载荷扭矩，又要传递运动，这必然产生摩擦和磨损。而防止异常磨损。减小摩擦的主要方法就是润滑。除了前述润滑系统的正确设计之外，选用高质量的、满足发动机高要求的，规定牌号的润滑油非常重要。用错牌号油，用劣质假油导致发动机停车的事故也不少见。
表征润滑油性能的参数主要有：粘度、油性、闪点、凝点、碱值、水分以及抗氧安定性、抗磨性和抗极压性等。发动机启动、停车或异常工况，轴承工作表面与轴颈表面之间会出现瞬时油膜破裂的边界摩擦状态，表面可能会呈现局部粘着现象，含有抗极压性能或抗磨性能添加剂的油品就可以及时为摩擦表面提供瞬时保护及修补，防止严重磨损导致咬死。
现代汽车发动机为了减少振动、降低噪声，要求发动机的摩擦副间隙更小，这也就相应要求润滑油性能更好。润滑油的性能依赖于基础油的质量以及添加剂的成份、比例和品质。
4 发动机轴承失效的预测预防
发动机轴承的失效形式是多方面的，导致损坏的原因也是错综复杂的，所以为了更有效的预测滑动轴承的失效，目前一种系统分析方法——油样分析技术已逐渐在滑动轴承的故障诊断、预测、预防和状态监测中得到应用。
发动机滑动轴承润滑系统摩擦副群的状态监测及预测和预防相关性见图5。
图5 发动机润滑系统状态监测、预测、预防
油样分析技术就是一种从润滑系统中获取有关机器设备运转状态的各种信息，从而对设备的关键运动零件的磨损及润滑状态进行诊断预测的技术。近十几年中油样分析技术发展很快，尤其是对发动机，齿轮传动、滑动轴承系统以及液压传动系统等诸方面的故障诊断和预测预防方面取得了较大的进展，并且获得了显著的经济效益。
油样分析技术主要包括：油品的理化分析技术、油样所含磨粒的铁谱分析技术以及光谱分析技术。它们之间既是独立的，各具有特点，同时又是相辅相成，互为补充的。所以，目前多数专家认为，而且实践也表明：综合分析方法往往是Z可取的，它可以弥补单一方法的不足和误测及误判。因此，机械设备，尤其是滑动轴承系统的故障诊断，预测预防已逐渐采用油样分析技术作为监测手段之一。图6为滑动轴承系统油样分析技术组成示意。
油样分析技术主要包括：油品的理化分析技术、油样所含磨粒的铁谱分析技术以及光谱分析技术。它们之间既是独立的，各具有特点，同时又是相辅相成，互为补充的。所以，目前多数专家认为，而且实践也表明：综合分析方法往往是Z可取的，它可以弥补单一方法的不足和误测及误判。因此，机械设备，尤其是滑动轴承系统的故障诊断，预测预防已逐渐采用油样分析技术作为监测手段之一。图6为滑动轴承系统油样分析技术组成示意。
图6 滑动轴承油样分析技术组成
5 结论
（1）发动机轴承的磨损失效大多数情况下与润滑系统的组成相关。
（2）正确地选用性能良好的品牌润滑油，添加适当比例且相匹配的添加剂是提高发动机轴承可靠性的保证。
（3）合理地使用、管理和监测润滑油的状态，是发动机主动维修并延长发动机寿命的有效措施。
参考文献：
[1]李柱国．内燃机滑动轴承[M]．上海：上海交通大学出版社，2003．
[2]中国机械工业标准汇编．滑动轴承卷[M]．北京：中国标准出版社，2003．
（1）发动机轴承的磨损失效大多数情况下与润滑系统的组成相关。
（2）正确地选用性能良好的品牌润滑油，添加适当比例且相匹配的添加剂是提高发动机轴承可靠性的保证。
（3）合理地使用、管理和监测润滑油的状态，是发动机主动维修并延长发动机寿命的有效措施。
参考文献：
[1]李柱国．内燃机滑动轴承[M]．上海：上海交通大学出版社，2003．
[2]中国机械工业标准汇编．滑动轴承卷[M]．北京：中国标准出版社，2003．
来源：《中国汽车工程学会燃料与润滑油分会第11届年会论文集》2004年
