活塞工作时,燃烧气体压力均匀作用在活塞顶上,而活塞销给予的支撑反力则作用在活塞裙部的活塞销座处,将力的作用传递给连杆,从而带动曲轴旋转。
活塞的顶部受燃气压力( 即最高燃烧压力) 的作用,活塞通过位于销座内的销孔把力传递给销,销又把作用力传递到连杆,最后传递到曲轴而转化为旋转运动。为保证运动机构的正常工作,活塞、销、
连杆、
曲轴都必须具有足够的强度及耐磨性。
在对发动机零部件进行的损伤事故调查中,活塞的故障损伤率较高,其中活塞销座部位的疲劳损伤是常见的事故之一。因为在活塞的工作过程中,活塞顶部巨大的气体压力要通过活塞和活塞销传递给连杆,而由于结构限制活塞销与销孔还有连杆之间的承压面积是非常有限的,造成了活塞销孔的表面相当高的比压,加之由于三者之间较低的相对运动速度,使得活塞销与销孔还有连杆衬套之间润滑状况差,容易在表面造成干摩擦。活塞销孔的失效模式概括起来主要有:
(1)销孔表面拉毛,主因是活塞销孔表面与活塞销之间的润滑油膜破坏,首先在销孔表面加工刀纹的波峰处产生,进而扩展就到整个活塞销孔表面。此失效模式主要发生在活塞初期磨合阶段。
(2)销孔开裂,主要是作用在活塞销处的机械应力过大,超过活塞材料的抗拉强度和屈服疲劳强度导致的。随着发动机的运转,首先在销孔上方出现微裂纹,继而扩展到整个销孔甚至活塞。
(3)销孔破碎,这是销孔开裂更深层次的失效。主要由于作用在活塞销孔处的机械应力过大,超过材料的抗拉强度和屈服疲劳强度,并且过大的机械应力也破坏了活塞销孔表面的润滑油膜,使得活塞销孔表面先被拉毛,进而失效继续扩展,直到活塞销和销孔之间咬死,再在顶部气体压力作用之下,销孔开裂并发展到整个销孔座破碎。这是活塞销孔失效模式中最为严重的一种,也是危害最大的,严重时导致活塞销失去控制,轴向窜出打碎虹套以至红体,最终导致整个发动机报废。
(4)销孔内、外侧烧焰,并且一直延伸到活塞燃烧室。这是高增压内冷却油腔活塞一个典型的失效模式,主要是由于作用在活塞销孔上的应力过大,再加之活塞销孔表面结构设计不合理,使应力不能够平均的分布到整个销孔表面,导致局部应力集中。