打开文本图片集

摘要：汽车发动机活塞是发动机中的重要零件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，极易出现各种各样的故障模式，分析各种故障模式产生的原因，有助于设计及生产过程中不断改善，能有效提升发动机质量，达成客户满意。关键词：粉碎；磨损；润滑；过热

1活塞简介

一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分，如图1所示。头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞，有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。

1.1活塞粉碎：即发动机出故障后某个缸活塞已全部粉碎，其碎片大小不一，部分掉落在油底壳上（如图2），大块碎片卡在缸孔里面，缸孔出现磨损、连杆弯曲变形（如图3）。

故障现象：发动机怠速或行驶时出现较大异响，且异响声随着转速增加频率增大，同时车上能感觉到发动机剧烈的震动或抖动，随着发动机继续运行，会出现缸体打坏或发动机突然抱死熄火情况，严重危及驾驶员及车上乘客的安全。

故障特性：多发生在新车刚下线或新购车上，在高速或快速行驶之后，行驶里程一般不到100km，故障发生前通常无任何征兆，故障发现时发动机已经抛锚或损坏，故障修复成本高，需要更换活塞连杆甚至整台发动机。

故障分析：首先，完成碎片收集。收集所有故障相关的碎片，将碎片按照各子零件进行分类，尽可能将所有子零件的碎片找全，比如活塞、活塞环等，不能随意将碎片丢弃；同时尝试将碎片拼出子零件的样式，进一步确认零件碎片是否齐全，有没有其他的异物或碎片混入其中。该故障缸相应零件都出现不同程度的损坏，其基本功能如点火、压缩及其做功等都已无法正常进行，所以会出现发动机剧烈抖动及异响等情况。然后，查找发动机活塞粉碎的影响因素：活塞粉碎除了自身的碎片外，未发现别的异物进入，可认定为活塞连杆总成套件运行时被打碎，另外从燃烧室、火花塞、缸孔、连杆表面碰伤损坏情况也能印证。很明显活塞粉碎是受外力作用，而外力主要来源于曲轴旋转时连杆的往复运动作用力，通常该作用力是保证气缸能正常完成吸气、压缩及排气过程，只有活塞连杆组零件中活塞销位置出现变化时（如图4），单个活塞销孔受力，且成杠杆机构状态，在活塞连杆组高速运转时，反复作用于单个活塞销孔，最终导致该活塞销孔撕裂，活塞销孔撕裂后，活塞与连杆及活塞销分离，活塞静止在缸孔里，连杆则在曲轴的带动下继续转动，连杆小头及活塞销不断撞击活塞，导致活塞粉碎。最后，确定活塞销窜动原因。活塞销通过活塞销孔的两端的卡簧固定，当某一侧的卡簧缺失时，活塞销就会往这一侧窜动，活塞销窜动时因不断受力头部在销孔内相应留下痕迹。判断活塞销往哪一侧窜动可以通过销孔上的痕迹判断（如图5），背离痕迹方向即为活塞销窜动方向，说明这一侧的活塞销卡簧缺失或先脱落。

1.2活塞磨损：活塞头部与环槽区域、裙部与缸孔接触形成的表面损伤。

故障现象：怠速或急加速时发动机异响，当发动机转速增加到一定范围后（通常在2500转/分以上），该异响声逐渐被发动机轰鸣声掩盖。

故障特性：该故障开始发生时只出现发动机有异响，但随着发动机的继续使用，异响声会慢慢变大，同时还会伴随发动机冒蓝烟、机油消耗快等现象，严重也会导致发动机熄火，无法启动。

故障分析：活塞磨损是活塞最常见的故障模式，磨损位置不同其影响因素也不一样，以下是最常见的三种磨损形式：

1.2.1间隙不足引起的磨损：活塞和缸孔的间隙在两者的尺寸关系出现偏差的情况下会在发动机运转时导致缸孔变形，或者在过高温度影响下，导致间隙变得过小甚至消失。另外，在发动机运转过程中，活塞的温度要明显高于缸孔，这就势必导致活塞和缸孔的热膨胀会互不相同，活塞的热膨胀程度要明显大于包围着它的缸孔。一旦活塞和缸孔间的间隙减小，由于缸孔壁上的油膜因活塞膨胀被挤开，会首先产生混合磨擦。之后，活塞裙的支承面会首先被磨光。由于混合磨擦以及因此所产生的磨擦热量，部件的温度会进一步升高。在此过程中，活塞会进一步压迫气缸壁，使得气缸壁上的油膜完全失去作用。此時，活塞将在缸孔内无润滑运行，导致接触面被磨光且呈深色。间隙不足引起的特征可以归纳为：高光的受压点，并渐渐过渡为光滑且呈深色的磨损痕迹，磨损既出现在受压侧，同时也会出现在对应的压力侧。如图6。

1.2.2无润滑运行造成的磨损：此种磨损在缸孔和活塞间隙足够的情况下也会发生，由于温度过高或者由于燃油过盈，造成局部位置上的油膜中断，导致在这些位置上，活塞、活塞环及缸壁在没有润滑的情况下相互磨擦，继而在短时间内产生严重磨损的表面。另外，当润滑油不足时，也就是说在活塞和缸壁间完全没有形成润滑油膜层的情况下，也会出现上述现象。其特点可以归纳总结为：a）在油膜中断的情况下，主要是在活塞裙部上产生相互挤在一起且毫无过渡的磨损。其表面严重磨损并且呈现深色，在磨损的开始阶段往往在活塞的对面一侧找不到任何磨损迹象；b）在润滑油不足的情况下，除了磨损表面的颜色不同以外，其他都与上面描述的油膜被中断的情况相同。磨损部位表面呈现金属纯色而非深色。由于润滑油不足会体现在整个缸壁上，因此在磨损发生初期就已经可以在受压侧以及对应压力侧看到磨损的迹象。如图7。

1.2.3过热造成的磨损：对于因过热造成的磨损，油膜会因为温度过高而发生中断。接下来会首先导致混合磨擦并出现部分磨损痕迹。随着磨损进一步加剧，由于磨损部位的温度进一步增高，导致活塞在缸孔内完全处于无润滑状态。磨损部位呈现深色并有严重撕裂的痕迹。根据磨损原因的不同，此类磨损现象可能会首先出现在活塞裙部，也可能会出现在活塞头部。如图8。

2结语

活塞是发动机的核心部件，活塞一旦出现异常，发动机的工作状态马上发生变化，比如出现异响，发动机冒蓝烟、动力下降等。在此也提醒广大用户朋友，当车子出现异常时，切勿盲目行驶，安全停车并向车辆服务商或专业技术人员寻求技术支持以获取对方的帮助和确认。