为了解决一款摩托车发动机连杆轴瓦失效故障，通过设计分析计算、材料分析及试验验证找出了故障发生的原因，之后对连杆轴瓦进行了设计改进，设计改进后的轴瓦装配在发动机上经过台架300 h耐久性试验性能良好，未出现质量问题，为发动机的批量生产提供了可靠性保障。

1 故障现象
公司某型汽油机在小批量试制的多台发动机性能试验过程中发生活塞拉缸现象，经过对所有的故障发动机分解均发现连杆轴承在连杆大头孔内发生了绕轴向转动（见图1和图2），以及轴向移位（见图3），严重的出现了轴承烧结以及轴承内壁的严重磨损（见图4），磨损的轴承造成了轴承与曲柄销之间产生了很大的径向间隙。由于轴承发生了轴向移位，造成了连杆组件与曲柄之间轴向卡死（见图5），曲柄与连杆接触部位出现烧蚀（见图6）。为了查找产生这一问题的原因，立即展开了各项检查。

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2 相关零件及装配检查
首先，查看了本批发生故障的发动机相关零件的进厂检验报告及装配记录表。以下是主要相关零件：连杆轴承、连杆、连杆组件以及曲轴组件的装配检查情况。
连杆轴承为双片式平面轴承，瓦背材料为低碳钢，内层为减磨双层铝合金构成，所有表面镀锡防腐保护，对装配批次的轴承壁厚、自由开口尺寸进行检查均符合设计要求。将单片轴承放入专用工装，将装配结合面一端固定另一端加载2 000 N的压力后，对轴承的突出量进行检查符合设计要求，同时装配结合面的平行度也符合图纸设计要求。因此，此轴承的一系列检查均能符合图纸设计要求。
连杆材料为20CrMo，装配连杆轴承的大头孔需进行渗碳、淬火、回火，对表面硬度、心部硬度以及有效硬化层深度几项关键项目进行检查，实际零件的检查结果均符合图纸设计要求。之后，检查了连杆大头孔的尺寸0 31（+0.013/0）、粗糙度以及大头孔的圆度、直线度和相对端面的垂直度均符合图纸设计要求。同时，连杆底部中间位置加强筋处的厚度经检查也符合图纸要求。
连杆轴承压配入连杆后在图纸要求范围内检查圆度、直线度以及内径尺寸均符合图纸设计要求，与曲柄销之间的配合间隙测量结果正常。曲轴组件的轴向间隙及主轴颈跳动量测量结果均符合图纸要求。

3 原因初步分析及改进措施
3.1原因初步分析
通过对零件的初步检查并没有发现会造成连杆轴承失效的不合格项，由于几台失效的发动机试验时油温正常，排除了润滑系统的问题。同时，失效的发动机并未出现轴瓦与曲柄销之间的卡死现象，认为轴瓦与曲柄销之间也不存在配合间隙过小而导致的润滑不良和卡死现象。而连杆刚度不足、连杆与轴瓦之间的配合设计不良都会导致轴瓦在运转过程中的非正常变形和错动，下面我们通过计算来验证轴瓦与连杆之间的配合过盈量是否符合理论要求。
薄壁轴瓦完全依靠过盈量紧贴于座孔表面，形成刚性轴承孔。过盈量不足，在冲击负荷作用下瓦背与座孔表面反复错动，引起背面的摩擦锈蚀和损坏。过盈量太大，瓦背发生塑性变形，同样导致配合松动。其数值必须合理选择，严格控制。轴瓦在座孔中的配合状态，可简化为两等效圆柱套筒（等效轴承座和等效轴瓦）的过盈配合状态，套筒紧配合时的周向应力计算为：（轴瓦越厚，应力系数φt越小，并且轴瓦与曲柄销间隙最小，计算所得应力为极限值，因此等效轴瓦厚度取最大值；轴瓦圆周过盈量专用测具直径为连杆大头孔径最大值，因此计算中等效轴承座直径选取连杆大头孔径最大值），相关参数和计算结果详见表1。

通过上述计算得出原始设计的轴瓦与连杆间周向应力最小值σtmin=115 MPa，最大值σ t ax=287 MPa。连杆的材料为20CrMo，因此等效轴承座材料选择钢，te/D=1.315/28.383≈ 0.046<0.05，参照表15-7查得σtmin经验值为70～100 MPa，设计值115 MPa合理，因此轴瓦与连杆间不存在过盈量不足。最大周向应力σtmin应≤[σt]，[σt]为许用应力，对于铝基合金双金属钢带[σt]=300400 MPa，设计值287 MPa合理，因此轴瓦瓦背不会发生塑性变形。

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从计算分析结果认为连杆轴瓦原始设计是合理的，连杆轴瓦与连杆之间配合过盈量满足理论设计要求。但是本款摩托车发动机转速高、扭矩大，连杆大头孔在受到高爆发压力和往复惯性力所产生的交变载荷时会产生一定量的变形，在大头孔与小头孔中心连线方向上直径增大，相应的垂直方向上直径减小。连杆大头孔直径的变化会造成连杆轴瓦与曲柄销之间配合间隙的变化，同时对连杆与轴瓦之间的配合过盈量产生影响。因此，即使连杆与轴瓦间的设计配合过盈量符合理论要求，但若连杆大头刚度不够则可能导致连杆大头孔在运转过程中变形量过大并由此产生润滑不良甚至轴瓦的转动、变形及失效。为了优化设计，我们下一步将增加连杆大头孔的刚度，并制造样件通过试验验证是否能解决失效问题。
3.2改进措施
为了增加连杆大头孔的刚度，首先需要增加大头孔的壁厚，通过模拟软件认为将连杆外圆直径增加3.2 mm比较合适，此时连杆大头孔的膨胀量由原来的0.005～0.010相应减小为0.00～50.008。同时，考虑到连杆轴瓦与曲柄销之间的配合间隙为0.035～0.075，可以适当减小大头孔内径来增加连杆刚度，按照设计经验认为减小0.005比较合适，因此连杆大头孔的尺寸更改为φ31（＋0.008／－0.005），配合间隙同时减小为0.03～0.068。由于连杆设计尺寸发生了更改，配合过盈量是否发生变化，下面通过计算进行查看。
参照表1中的计算参数，D，数值变更为φ31.008 9D1数值变更为φ45.708，D2/D1为1.474， te/ D1为0.04249参照图15-20查得φt数值不变，仍为1.865×105MPa。
轴瓦设计没有改动，参照表1计算参数，轴瓦的压缩变形量V约为0.02基本无变化。连杆内径从φ31.013改为φ31.008后，轴瓦测具直径相应减小了0.005，半圆周方向上相应减小0.008，相当于轴瓦的余面高度增加了0.008，因此轴瓦的余面高度U变为0.018～0.043。计算可得轴瓦的半圆周长过盈量hmin=0.038，hmax=0.083，参照表1计算可得σtmin=145MPa，σtmax=318MPa，数值符合设计要求范围，因此连杆可以进行上述更改。
上述连杆设计更改措施增加了连杆刚度，可以有效减小连杆在高速运转过程中的变形量。同时，连杆与轴瓦之间的周向应力增加，按照F= fN，连杆与轴瓦之间的摩擦力也相应地提高，或许可以更加有效的克服轴瓦在运转过程中发生旋转。因此，我们同时将连杆大头孔粗糙度由0.3～0.6增加到0.4～0.9，进一步增加连杆与轴瓦间的摩擦力。下面将按上述更改制作样件并通过试验验证是否可以有效解决连杆轴瓦的失效问题。

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4 试验验证及结果分析
按照以上更改方案，要求厂家制作了几件样件，并装配发动机分别进行发动机台架试验，试验后对发动机进行分解并查看连杆轴瓦的试验情况，详细内容参见表2。其中，样件1-2是一台发动机不同样件的试验情况，样件3-5是另一台发动机不同样件的试验情况，试验中采用了不同孔径、不同粗糙度的连杆装配不同余面高度的轴瓦样件来进行试验，并且5次试验均在发动机最高转速、最高功率点情况下进行以查看发动机在高强度运转状态时连杆轴瓦的工作情况。每次试验后对曲轴组件进行分解，连杆轴瓦均出现不同程度的旋转及轴向移位现象，与之前的失效情况类似。试验结果表明在连杆进行设计改进后，连杆轴瓦的失效状况并未改善，各项设计改进措施对失效情况的发生无实质性作用，因此需进一步查找失效产生的原因。

5 原因再次分析
在对轴瓦配合过盈量、连杆大头刚度、连杆大头孔粗糙度等进行设计改进后问题仍然出现，并且考虑到此时轴瓦周向应力已经很大而且符合设计要求，那么之前的分析很有可能并没有找到出现失效问题的本质原因，同时轴瓦的壁厚、测量余面高度等尺寸更改也只是进一步增加配合过盈量及周向应力，因此暂时不做改动。假定连杆机构原始设计是合理的，那么会不会是轴瓦本身的设计问题而导致了失效？之前，我们对各零件的尺寸及材料的检查均符合图纸要求，再次对轴瓦进行仔细查看发现轴瓦背面的镀层是可以用诸如细砂纸等进行擦除的，这层镀层的材料参照图纸应为镀锡层。随后，对连杆轴瓦进行解剖以查看轴瓦的表面情况。图7、图8、图9分别为装配前轴瓦横断面200倍及500倍的放大图，从图中看出在轴瓦的侧面及背面均有一层薄薄的镀层，镀层材料分析结果为铅锡合金。那么这层铅锡合金镀层的存在会否是导致轴瓦产生转动及位移的主要原因？





随后，我们查阅了相关资料，其中巴氏合金、铜基合金与铝基合金都可以在工作表面覆以软金属涂层，进一步提高其工作性能。而此款发动机中的连杆轴瓦设计为所有表面镀锡防腐保护，不仅工作表面，在非工作表面（背面及侧面）也进行了镀锡。同时，低碳钢是衬背的理想材料，常用的有08, 10, 15钢。这种衬背材料能与轴承合金直接或通过中间层良好结合。而我们的连杆轴瓦衬背则为铅锡合金镀层。因此从理论上分析，我们的轴瓦背面进行镀锡是不合适的，下面我们将去除轴瓦背面的镀层，并用去除镀层的轴瓦装配发动机进行台架试验。

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6 试验验证及结论

利用背面去除镀层的轴瓦装配了三个曲轴组件，并先后装配在同一台发动机上进行台架试验，试验后对发动机分解以查看轴瓦试验情况，试验内容及结果参见表3。试验结果表明去除背面镀锡层的轴瓦装配在不同尺寸的连杆中经过不同工况、不同强度的发动机台架试验均没有发生转动及位移，因此基本可以判定连杆轴瓦失效发生的原因为轴瓦背面镀锡造成，结合以上理论分析从试验验证了连杆轴瓦背面镀锡设计是不合理的，镀层的存在降低了轴瓦与连杆之间的抗咬合性能，造成了轴瓦在发动机运转过程中的转动及移动，同时说明曲轴连杆组件的设计是合理的。

经过分析及试验验证找出了此型发动机连杆轴瓦失效发生的原因，之后对库存轴瓦均进行了背面去镀层处理。同时设计改进，仅对轴瓦工作表面（内表面）进行镀锡保护，其余面不进行镀锡，因此瓦背为低碳钢与连杆直接结合。将设计改进后的轴瓦装配在发动机上进行300 h发动机台架耐久性试验验证，试验顺利完成，发动机在试验前后性能良好，未出现异常，对曲轴连杆组件分解后未发现任何质量问题，因此失效故障成功解决，为今后发动机的批量生产提供可靠性保障。

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