发动机拉缸问题的探讨与分析

赵世来，张治国

（华晨汽车工程研究院动力总成设计处，辽宁 沈阳 110141）

前言

发动机是一种热机，是将热能转化成机械能的一种装置。发动机是汽车的心脏，活塞又是发动机的心脏，它与缸盖、缸套、活塞环构成了一个燃烧的密封空间。在高温和爆发压力的作用下，活塞头部和裙部发生膨胀，最终由最初椭圆型变成圆型。如果配缸间隙过小，产生咬缸、拉缸现象；如果配缸间隙过大，产生敲缸、机油耗大、漏气量大、噪声大等现象。

1 拉缸的严重性

拉缸是缸套与活塞或活塞环在工作表面彼此出现拉伤、拉毛、沟槽现象。这种现象通过目测可以观察的很清楚。发动机设计验证初期，拉缸是一种很常见的想象，但是在样件最终确定后或批量生产时应绝对避免此现象的发生。如果汽车在高速行驶时，一旦发生拉缸，后果很严重。因此掌握活塞拉缸的原因，预防拉缸的出现，对我们设计者有着重要的指导意义。下面我们从设计方面和使用方面进行详细的阐述。

2 设计方面

2.1 间隙方面原因

2.1.1 配缸间隙

活塞与气缸的装配间隙有严格规定，如果间隙过大，（一）、车在冷启动时会“敲缸”，也会出现机油沿着缸壁向上流动，上下窜气问题。（二）、活塞在换向时，摆动量加大，活塞局部会和缸内壁发生局部接触，局部接触的后果导致面压很高，存在拉缸的可能性。从密封角度来讲，活塞与缸套间隙越小，密封效果越好。但是间隙过小，也是不允许的，会导致环刮伤缸体。其原因，发动机长时间工作时，高温会逐渐上升，这样活塞、活塞环、缸套都会受热膨胀。活塞一般都是铝材料，活塞环都是钢制材料，铝的热膨胀量比铁的大很多，因此，一旦出现间隙很小的时候，油膜就很难形成，干膜后必然会导致拉缸。如图1所示就是拉缸的活塞。因此在设计开发初级阶段要考虑好配缸间隙，不同发动机配缸间隙不同，如某XX轿车发动机配缸间隙为0.08～0.10mm；某XX轿车发动机为 0.023～0.043mm；某 XX轿车发动机为0.03～0.08 mm。

图1

2.1.2 环间隙

活塞与环的间隙包括侧隙和背隙两个方面：发动机在运转时产生积碳，堆积在活塞环槽内，特别是第一气环槽内的积碳会很多。积碳在环槽内，会使侧隙和背隙变小，所以要合理设计此间隙，设计不合理就会从引起拉缸。

背隙计算公式：

Dn =[D-2(T+N)]±0.1

Dn—活塞环的环槽底径,单位为mm；

D—公称直径，单位为mm；

T—活塞环径向厚度，单位为mm。

表1 活塞环背隙值

侧隙可以参照表 2，但不能以此来定侧隙，在实际中还要考虑其它因素进行微调。

表2 活塞环侧隙值

闭口形式包括直口、斜口、还有搭接口形式。活塞环的开口间隙变小后，可能会发生断环的风险，折断后果很可怕，会拉缸，会导致发动机报废。不是所有发动机活塞环开口间隙都是一样的，见表 3，因为发动机拉环的开口隙过小造成拉缸也有很多案例。

表3 活塞环开口间隙

2.1.3 销与活塞销孔间隙

当采用半浮式活塞销连接时，活塞销与活塞销孔过盈量过大，会使活塞销座变形，要是间隙过小，一会破坏油膜，引起干磨、抱死，拉缸。如果活塞销与销座孔的配合间隙过大，会出现敲击声。下边是几种竞品发动机活塞销与连杆孔、活塞销与活塞销孔间隙。

表4 竞品数值

2.2 活塞型线、椭圆度、锥度

图2

图3

铝活塞在工作过程中受热、受力分布不均匀，活塞在活塞销轴线方向膨胀量较大，因此在设计时就将活塞设计成椭圆形。活塞的裙部椭圆度一般在 0.30～0.65 mm，头部椭圆度一般在 0.02～0.1mm，这样活塞在受热时，变成圆形，与气缸周围间隙均匀。活塞是存在上小下大的形状的，即锥度：0.04～0.085 mm。通过有限元分析，裙部锥度在0.04 mm以下容易拉缸。型线的设计原理是模拟活塞在缸内运动姿势，保证活塞在换向时能圆滑过渡。如果椭圆度和型线设计的不当，活塞很容易在气缸中卡死，如图2。如图3做过热磨损试验的活塞，结果图3很理想。

2.3 活塞表面硬度的影响

活塞表面硬度也会影响到拉缸，通过对好活塞和故障活塞表面硬度进行测量，发现好活塞表面硬度比故障活塞的硬度低 l2～32HBW。活塞热处理后，如果产生表面硬度不一，活塞的内应力不能完全消除，高运转的情况下，容易产生异常膨胀变形现象，造成拉缸。

2.4 表面处理的影响

活塞表面处理，活塞顶部、一环槽及部分二环槽阳极氧化处理，氧化层厚度为 0.012mm，裙部刷石墨，厚度0.01-0.02mm，还有全部镀锡的，锡层厚度0.5-2.0um等等，所有这些都是为了初期磨合时润滑，减少拉缸。相比之下，刷石墨会比镀锡效果好，但成本也相对高些。

3 使用方面

3.1 空气滤清器不密封

空气滤清器不密封，过滤效果变差，空气中的杂质吸入气缸内，形成杂质磨损。试验表明：假如每天吸进几克灰尘，气缸套的磨损量将增大10倍以上。

3.2 磨合不正确

对于新发动机或大修发动机，由于零件加工表面粗糙和装配位置都存在一定的误差，看似光滑表面，实际上却存在微米级的高低突起，在这个阶段内如果不按规定行驶，会造成早期磨损，严重时发生拉缸事故。为了使发动机在今后随心所欲，必须严格遵守磨合规定，以保证磨合的质量。行驶初期2000km以内，要避免长时间高速超载行驶。

3.3 暖机启动

冬季发动机冷起动后至少需15～30s才能大脚踩油门，进过暖机后润滑系中形成油膜。如果没有油膜，一旦直接达到最高转速，这段时间活塞与缸体之间处于干摩擦状态，很易引起拉缸和烧瓦。据研究部门测试，柴油机在冷却水温30℃以下负荷作业时，气缸套等零件的磨损量是正常水温时的5-7倍。

3.4 正确使用润滑油

发动机工作时、温度高、如果工作条件苛刻，选择不合适的润滑油，将会导致发动机拉缸烧瓦。选择粘度过大润滑油，其流动性差，特别是在低温起动时，不易很短时间内形成油膜，加速了发动机的磨损；润滑油的粘度过小，易造成润滑油自摩擦面流失，不能形成可靠的油膜，也会加剧气缸的磨损。因此，根据地域、季节的不同选择适当牌号的机油。

3.5 控制水温

发动机启动后，如果冷却水的正常温度应保持在80℃～90℃时，这时发动机能输出最大功率，燃油经济性达到最佳状态，零件磨损也不大。如果冷却水的温度过高，发动机总是长时间处在高温状态下，零件的强度、韧性和耐磨性能逐渐会下降；活塞在高温条件下，使膨胀量超过限值，配缸间隙减小，造成活塞在气缸内卡死。

3.6 过载

发动机超载运行，就要求发动机节气门开度增大，这样输出功率增大，气缸内平均指示压力增加，易引起水温、油温升高，机油粘度下降，缸内油膜遭到到破坏后，从而加剧气缸的磨损。因此汽车应避免发动机超载行驶，避免拉缸现象发生。

4 结论

发动机拉缸是一个非常严重的质量现象，发生拉缸的原因是多方面的，在最初设计当初，就要认真分析拉缸原因，对今后工作有一定指导作用。驾驶员按照使用手册上正确操作，可以提高发动机使用寿命。

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