汽車發(fā)動機曲軸常見失效形式的分析研究

楊君

摘 要：汽車發(fā)動機曲軸是發(fā)動機中重要的零部件，在運行過程中承受著氣體壓力、慣性力及其力矩綜合作用，易發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。主要分析了汽車發(fā)動機曲軸在工作過程中常見的失效形式，并且重點分析了各種失效形式引起的原因，根據(jù)其原因?qū)ζ嚢l(fā)動機曲軸在設(shè)計、制造及使用過程中的不恰當(dāng)方式進(jìn)行總結(jié)，提出一些解決汽車發(fā)動機曲軸常見問題的相關(guān)措施和方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機曲軸；疲勞失效；工作過程； 原因分析

中圖分類號：U464文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.005

1 汽車發(fā)動機曲軸基本知識

汽車發(fā)動機零部件雖說眾多，曲軸卻是汽車發(fā)動機在行駛運行的過程中最關(guān)鍵的零件之一，它在工作過程中受力情況十分的復(fù)雜，要同時承受氣體壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷作用，這些載荷呈周期性變化并且數(shù)值往往較大，因此曲軸在運行過程中極易引起扭曲變形甚至斷裂。曲軸的外形設(shè)計也比較復(fù)雜，主要是通過多個主軸頸與連桿軸頸還有平衡塊等之間的連接進(jìn)行組合的，而且這些連接體的大小、長度及方向又各不相同。曲軸的質(zhì)量受其本身剛度與強度，還有耐磨性和平衡性等影響，因此曲軸是發(fā)動機中最容易受損的零部件之一，而且在運行過程中一旦出現(xiàn)損壞往往還會引起其他零部件的損毀，使汽車不能正常工作。

曲軸的主要材料是中碳鋼或中碳合金鋼，有時也用球墨鑄鐵。曲軸對制造材料的要求大致要滿足以下特征：足夠的強度、剛度、沖擊韌性及高度的抗疲勞強度，因此在設(shè)計、材料選取、鍛造過程、機械加工、熱處理及其他環(huán)節(jié)，都可能會造成曲軸的失效，所以在進(jìn)行曲軸加工的各個環(huán)節(jié)中，一定要嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，針對容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行原因分析，及時預(yù)防和解決可能出現(xiàn)的問題。

2 汽車發(fā)動機曲軸常見的失效形式和失效原因

由于汽車發(fā)動機曲軸受力復(fù)雜，失效形式及失效原因多樣，通過實踐總結(jié)起來主要有以下幾點：

2.1 曲軸圓角彎曲疲勞斷裂失效

根據(jù)實例統(tǒng)計分析，曲軸圓角彎曲疲勞斷裂是曲軸出現(xiàn)失效的最常見原因，大約占80%。引起曲軸圓角彎曲疲勞斷裂的因素有圓角淬火不當(dāng)、圓角加工刀痕損傷、圓角氮化工藝不當(dāng)、曲軸強度不足、圓角校直裂紋等很多原因。對于球墨鑄鐵曲軸，目前多采用圓角滾壓強化工藝或先氮化再滾壓強化的復(fù)合強化工藝。對于中碳鋼曲軸，多采用碳氮共滲或感應(yīng)淬火強化工藝。目前廣泛采用的感應(yīng)淬火的淬火范圍普遍應(yīng)用于圓角區(qū)域，事實已經(jīng)證明這種方式能夠明顯地提高曲軸圓角的疲勞強度。隨著發(fā)動機增壓技術(shù)的發(fā)展，我們對曲軸疲勞強度的要求也會越來越高，因此對發(fā)動機圓角的強化處理已經(jīng)成為必須的一個工藝過程，這樣就有可能減少曲軸在服役使用過程中產(chǎn)生疲勞斷裂。

2.2 曲軸在校直過程中引起的裂紋失效

鍛造碳鋼材料的曲軸，在鍛造和熱處理等制造過程中必然產(chǎn)生一定的變形，我們生產(chǎn)過程中采用校直的方法來消除變形。校直的方法又分為冷校和熱校，不管是哪一種，如果校直幅度過大，都可能導(dǎo)致曲軸產(chǎn)生校直裂紋。一般情況下如果曲軸本身存在裂紋，一般行駛5000～8000 km裂紋就會擴展引起斷裂，最后的瞬斷區(qū)與疲勞擴展區(qū)幾乎呈現(xiàn)垂直的現(xiàn)象，斷裂處面積雖小但斷面粗糙，通過掃描電鏡的分析，發(fā)現(xiàn)新月形粗糙區(qū)域擦傷嚴(yán)重，未見明顯的疲勞特征，可以推斷裂紋形成應(yīng)在斷口疲勞擴展之前。雖然曲軸校直開裂情況在生產(chǎn)中并不多見，但此類故障一旦發(fā)生，危害卻非常大。對于這種失效形式，我們可以對校直后的曲軸再進(jìn)行一次探傷檢查，避免有裂紋的曲軸被使用。

2.3 曲軸在鍛造質(zhì)量上出現(xiàn)的失效

影響曲軸鍛造質(zhì)量的因素很多而且很復(fù)雜，有原材料晶粒長大傾向、偏析、微觀夾雜物、鍛造溫度等的影響因素。生產(chǎn)中選用制造曲軸的材料應(yīng)該考慮與制造工藝相匹配，盡量避免在容易引起晶粒長大的敏感區(qū)域停留時間太長，這樣才能有效地避免晶粒粗大。曲軸材料晶粒粗大，一般被認(rèn)為是有較嚴(yán)重的組織缺陷，可能會嚴(yán)重?fù)p害材料的機械使用性能，尤其是在疲勞強度的影響。其他幾個因素也對曲軸鍛造質(zhì)量有著重要的影響，整個影響過程比較復(fù)雜。生產(chǎn)中我們要重視曲軸鍛造質(zhì)量，避免容易引起曲軸鍛造質(zhì)量的不利因素，制造出高標(biāo)準(zhǔn)的曲軸。

2.4 曲軸的彎扭復(fù)合疲勞失效

通常發(fā)動機工作過程受多種因素影響，零部件各有不同的工作特點。發(fā)動機曲軸在整個生命周期的工作過程中情況也是非常復(fù)雜，引起曲軸失效的形式也多種多樣。有時僅憑斷口、主軸頸和連桿軸頸表面面貌以及軸瓦等零部件的分析，難以準(zhǔn)確地判斷出具體的失效原因，但這些原因分析有助于我們對失效性質(zhì)的判定，并為最終確定失效原因提供有效的依據(jù)。當(dāng)曲軸受到彎曲和扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力時，很容易引起彎扭復(fù)合疲勞失效，彎扭復(fù)合疲勞失效是曲軸失效的一種原因。通常對發(fā)動機曲軸因工作過程中的異常情況引起的失效進(jìn)行分析，都比較困難，往往需要結(jié)合對其它相關(guān)的零部件進(jìn)行分析。

3 曲軸制造的新應(yīng)用

隨著科技發(fā)展，曲軸制造新材料、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使曲軸制造質(zhì)量有了很大提高，提升了曲軸使用壽命，保證了汽車運行的可靠性。目前非調(diào)制曲軸和等溫淬火球墨鑄鐵曲軸都有了很好的發(fā)展和應(yīng)用。非調(diào)制鋼在汽車上的開發(fā)應(yīng)用開始于汽車的曲軸，目前已大量應(yīng)用。成功的主要案例有：長安汽車有限公司與上海汽車鍛造總廠合作采用49MnVS3制造長安汽車的發(fā)動機曲軸；東風(fēng)汽車集團(tuán)采用50MnV制造部分發(fā)動機曲軸。等溫淬火球墨鑄鐵曲軸力學(xué)性能上明顯優(yōu)越于中碳鋼和一般的合金鋼，具有較高的強度和較高的耐磨性的優(yōu)良特征，同時具有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。制造時經(jīng)過圓角滾壓后，一般會發(fā)生馬氏體的轉(zhuǎn)變，通常能夠進(jìn)一步提高曲軸的抗疲勞強度，而且由于這種材料里本身有球形石墨的存在，能夠使曲軸有良好的減震和消聲性能，使其成為好的發(fā)動機曲軸材料。隨著新技術(shù)新材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，汽車發(fā)動機曲軸將會制造出更高的質(zhì)量和更強的抗壓能力，這將會對未來汽車發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。

4 結(jié)束語

汽車發(fā)動機是汽車的心臟，曲軸又是發(fā)動機中重要的零部件，曲軸本身的設(shè)計制造、工作過程和受力非常復(fù)雜，因此曲軸的失效形式及失效原因也是多種多樣，分析起來比較困難，所以在針對汽車發(fā)動機的曲軸應(yīng)用過程中，一定要根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行曲軸失效的措施應(yīng)對，在保護(hù)發(fā)動機曲軸的過程中，同時保護(hù)汽車其他零部件，減少汽車事故，保障汽車能夠平穩(wěn)正常運行，提高汽車可靠性。

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