手持式發(fā)動機(jī)曲軸斷裂問題的分析與解決

劉永根 楊慧明 徐華俊 費(fèi)吳凱 苑文龍 劉 毅

（浙江派尼爾科技股份有限公司 浙江 金華 321000）

引言

以小型手持式發(fā)動機(jī)為動力源的園林機(jī)械由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、輕便高效，在國內(nèi)外的園林綠化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，手持式發(fā)動機(jī)向高功率密度、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性和低排放方向發(fā)展。曲軸作為發(fā)動機(jī)的核心部件之一，把活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，輸出功率并驅(qū)動附件。由于曲軸在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)慣性力以及它們的力矩共同作用下工作，既彎曲又扭轉(zhuǎn)，易產(chǎn)生疲勞應(yīng)力[1]。曲軸加工時(shí)，由于加工基準(zhǔn)在曲軸中心孔和主軸頸之間經(jīng)常更換，會因基準(zhǔn)不重合而產(chǎn)生誤差，加上加工過程中軸類零件的剛性差、各軸頸加工精度高，使得曲軸成為發(fā)動機(jī)主要零部件中加工質(zhì)量最難保證的零部件。在高速高負(fù)荷下，曲軸必須依然平穩(wěn)可靠地工作，曲軸的設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的動力性、耐久性和可靠性。本文結(jié)合一款小型手持式發(fā)動機(jī)曲軸斷裂問題對曲軸進(jìn)行了耐久試驗(yàn)，結(jié)果表明，曲軸的耐久性主要由曲軸材料及熱處理工藝決定。

1 曲軸斷裂問題

某款手持式發(fā)動機(jī)在模擬實(shí)際操作條件的耐久試驗(yàn)中（帶負(fù)荷狀態(tài)下，40 s 高速/20 s 怠速，循環(huán)累積時(shí)間為50 h），樣機(jī)出現(xiàn)卡死熄火情況，拆機(jī)發(fā)現(xiàn)，曲軸靠近飛輪端的主軸頸出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象（見圖1），導(dǎo)致試驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行。曲軸在工作過程中出現(xiàn)斷裂，是非常嚴(yán)重的失效事故，有材質(zhì)、熱處理工藝、機(jī)加工、裝配、使用維護(hù)等多方面的原因。

圖1 曲軸主軸頸斷裂

2 斷裂失效原因分析

2.1 金相組織分析

對該曲軸斷裂部位進(jìn)行縱向解剖，檢查鍛造毛坯的金屬纖維方向并對金相組織進(jìn)行檢測。

2.1.1 縱切腐蝕金相組織試樣

金相組織試樣見圖2。

圖2 金相組織試樣

2.1.2 金相組織檢測結(jié)果

金相組織檢測結(jié)果見圖3。

圖3 金相組織檢測結(jié)果

圖3 的檢測結(jié)果表明：

1）斷口處組織：2 級；無異物夾雜；心部硬度：27.9、27.9、27.7HRC。

2）高頻淬硬層深度：0.95 mm；組織：4 級；表面硬度：57.7、57.8、57.5HRC；淬硬末端離曲柄臂與主軸頸交界處2.5 mm，相距較近。

2.1.3 斷口分析

由實(shí)物斷裂部位斷口形態(tài)可以看到明顯的河流狀擴(kuò)散紋理，斷口和軸呈現(xiàn)45°角，屬于典型的有應(yīng)力源形式的解理疲勞斷裂，其應(yīng)力源位于主軸頸與曲柄臂交界處，系受到垂直于主軸頸軸向反復(fù)作用的折彎沖擊力而斷裂。因此，主軸頸與曲柄臂交界處為曲軸最易發(fā)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)處。

2.2 熱處理工藝

主軸頸表面感應(yīng)淬火是提高主軸頸耐磨性的一種簡便有效的表面硬化法（見圖4），適用于大量生產(chǎn)。先用高頻電流加熱主軸頸表面，隨即噴水冷卻，然后回火以消除剩余應(yīng)力。硬化層深度為0.7～1.5 mm，表面硬度為53～58HRC。但感應(yīng)淬火一般到不了圓角，反而使圓角部分形成回火，出現(xiàn)剩余應(yīng)力[2]。

圖4 主軸頸高頻淬火

分析對比斷裂部位，發(fā)現(xiàn)主軸頸高頻淬硬末端已與曲柄臂圓角過渡處重疊，造成淬火熱影響藍(lán)脆區(qū)與加工應(yīng)力集中源區(qū)相互疊加。由于主軸頸和曲柄臂圓角過渡處屬于曲軸強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，長期的高速旋轉(zhuǎn)和較大的交變應(yīng)力造成曲軸主軸頸和曲柄臂圓角過渡處產(chǎn)生斷裂。

2.3 毛坯加工和強(qiáng)化工藝

左、右曲軸毛坯采用先粗、精車后磨削加工的分開制造工藝，然后壓裝曲柄銷組合成整根曲軸，最后在專用工裝夾具上校正并檢測兩側(cè)的圓跳動（見圖5）。

圖5 曲軸兩側(cè)圓跳動校正檢測

對比發(fā)生斷裂的曲軸及標(biāo)桿曲軸樣本，發(fā)現(xiàn)斷裂曲軸兩側(cè)圓跳動很大（見表1），這是由先精磨后壓裝的工藝造成的誤差所引起的。

表1 圓跳動實(shí)測數(shù)據(jù)對比 mm

3 設(shè)計(jì)思路和問題解決

3.1 合理布置曲軸結(jié)構(gòu)尺寸

曲軸的強(qiáng)度和剛度主要由每個(gè)曲柄的構(gòu)造所決定，因此，確定主軸頸尺寸時(shí)，需要考慮強(qiáng)度和剛度問題。主軸頸的直徑D 愈大，曲軸的剛度愈大。短而粗的主軸頸使曲軸扭振的自振頻率有所降低，同時(shí)，短而粗的主軸頸有利于加厚曲柄臂[3]。因此，主軸頸的直徑由原來的12 mm 加大到15 mm，保證曲軸具有足夠的剛度，使曲軸變形不致過大，改善活塞連桿組及軸承的工作條件。

主軸頸直徑加大前后的尺寸數(shù)據(jù)對比見圖6。

圖6 主軸頸直徑加大前后的尺寸數(shù)據(jù)對比

3.2 優(yōu)化熱處理工藝

曲柄毛坯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為24～30 HRC，同一曲柄硬度差不超過3 HRC；主軸頸處進(jìn)行高頻淬火，表面硬度為53～58 HRC，硬化層深度為0.7～1.5 mm[4]。為了避免主軸頸高頻淬火熱影響藍(lán)脆區(qū)對圓角應(yīng)力集中部位產(chǎn)生影響，將淬硬末端和曲柄臂與主軸頸交界處的距離控制在5 mm 以上（見圖7）。加工完畢后進(jìn)行磁力探傷，探傷后進(jìn)行退磁處理。

圖7 高頻淬火距離要求

3.3 改進(jìn)毛坯加工和強(qiáng)化工藝

左、右曲軸毛坯先進(jìn)行粗車，然后壓入曲柄銷裝配成整根曲軸，最后精磨兩側(cè)的主軸頸外圓，保證曲柄銷兩側(cè)的主軸頸圓跳動合格（見表2）。

表2 改善工藝后檢測數(shù)據(jù) mm

同時(shí)，安裝飛輪的圓錐面用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)進(jìn)行涂色檢驗(yàn)，總貼合面積不小于75%，以避免工作中飛輪松動對曲軸造成沖擊。

4 結(jié)論

1）高頻淬硬末端距離曲柄臂與主軸頸交界處較近，其淬火熱影響藍(lán)脆區(qū)沒有避開應(yīng)力集中源區(qū)，造成應(yīng)力相互疊加，在外加應(yīng)力作用下，超過材料的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生疲勞斷裂。因此，熱處理時(shí)，必須保證淬硬末端距離曲柄臂與主軸頸交界處5 mm 以上。

2）對曲軸的錐體部位相互配合的零部件的位置精度（錐度、錐高）、動平衡進(jìn)行檢查，確保錐體部位相互接觸面大于75%。避免貼合面過小引起飛輪松動，造成曲軸與飛輪之間產(chǎn)生沖擊。

3）熱處理工藝和毛坯加工工藝的優(yōu)化，有效避免了曲軸靠近飛輪端主軸頸出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，順利通過了耐久試驗(yàn)，保證了該款產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。