重型高速柴油機曲軸斷裂失效分析

羅長增，張吉賢，李明，張金芳

重型高速柴油機曲軸斷裂失效分析

羅長增，張吉賢，李明，張金芳

曲軸是汽車發動機最重要的零件之一，運轉中的受力情況非常復雜，承受著彎曲、扭轉和壓縮等載荷的作用。這些載荷不僅數值較大，而且一般呈周期性變化，容易引起曲軸的扭轉和彎曲變形甚至產生裂紋和斷裂。

某重型載貨汽車行駛里程42948km時，發動機發生故障。拆檢發現，發動機曲軸從曲軸齒輪與飛輪法蘭聯接位置斷裂，其他零部件完好。曲軸屬于柴油機運動件中的關鍵部件，而且此次曲軸的斷裂位置在該系列柴油機曲軸故障中為首次出現。本文對此次斷裂的重型高速柴油機的曲軸失效模式進行了深入分析，并提出了相應改善措施，以避免同類故障的發生，提高柴油機服役期間的可靠性。

1. 故障問題描述

曲軸從曲軸齒輪與飛輪法蘭聯接位置斷裂，斷裂位置示意圖和斷裂曲軸照片如圖1和圖2所示。

曲軸材料為42CrMoA合金結構鋼，曲軸的主要制造工藝為：下料→鍛造→正火→粗加工→表面淬火及回火→精加工→包裝。

2. 故障問題分析

（1）化學成分、金相組織、硬度檢測故障機器拆機

后，先對飛輪法蘭側的斷裂曲軸對照圖樣中的技術要求進行初步核查。理化檢測結果表明斷裂曲軸和飛輪法蘭的化學成分（見附表）、金相組織以及硬度等檢測項目均合格。

（2）曲軸斷口形貌分析飛輪法蘭側的曲軸斷口形貌如圖3所示，呈現棘輪狀斷口，裂紋從四周起源向心部擴展，擴展區疲勞貝紋明顯，表明此曲軸斷口屬于典型的扭轉疲勞端口。

（3）曲軸與飛輪法蘭配合面形貌分析線切割分離曲軸與飛輪法蘭，分析二者之間的配合面形貌特征，如圖4所示。圖4表明：①曲軸與飛輪法蘭配合面帶狀條紋明顯，說明曲軸與飛輪法蘭之間發生了相對轉動。②曲軸斷口呈現鋸齒狀的特征，表明曲軸斷裂屬于扭轉斷裂。③曲軸與飛輪法蘭配合面出現局部熔化的現象，說明飛輪法蘭在與曲軸的相對轉動摩擦以及曲軸疲勞斷裂的過程中，產生了大量的熱量。

圖1　曲軸斷裂位置示意

圖2　斷裂曲軸照片

圖3　飛輪法蘭側曲軸斷口形貌

圖4　曲軸與飛輪法蘭配合面形貌

標準牌號42CrMo與曲軸和法蘭取樣材料的化學成分（質量分數）　　　　　（%）

（4）減振器失效分析發生故障的機器為六缸機型，曲軸在周期性的扭矩激勵下，產生扭轉振動。嚴重的扭轉振動會引起曲軸斷裂、破壞各缸工作的相位關系、惡化內燃機工作狀況和平衡性能等故障，導致內燃機功率下降，加劇振動噪聲。合理地匹配曲軸減振器可以改善曲軸的扭轉共振轉速、振型、振幅和扭振應力等，從而避免因曲軸扭轉共振

引起的曲軸斷裂故障，降低振動噪聲。

拆解下故障柴油機的減振器，發現減振器蓋板凸出形成鼓形（見圖5a、圖5b），表明此減振器已經失效。進一步解剖此減振器（見圖5c、圖5d），內部的硅油以及軸承元件多被破壞變成了黑色的碎塊。內部硅油的黏度已經無法測量。由于硅油和軸承元件被破壞，導致慣性環與殼體在慣性環外圓處產生摩擦及碰撞。減振器的失效加劇了曲軸運轉過程中的扭振，加速了曲軸的疲勞斷裂過程。

3. 改善措施

（1）增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量本項目分析的發生斷裂的柴油機曲軸生產制造日期為2012年5月，飛輪法蘭的內徑尺寸為φ70-0.012-0.051mm。為了加強飛輪法蘭與曲軸之間的配合效果，將飛輪法蘭的內徑尺寸改為φ70-0.068-0.099mm，即增大二者之間配合的過盈量（見圖6）。增加過盈量后的此型號機型，經過一年的市場驗證未發現飛輪法蘭轉動的故障，表明此種改善措施取得了比較好的市場驗證效果。

（2）修改飛輪法蘭與曲軸齒輪結構設計增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量后，為了順利完成裝配過程，相應地提高了熱裝配時的加熱溫度（430±10）℃。較高的熱裝溫度，會一定程度影響材料的組織和性能，所以必須將熱裝溫度控制在合理的范圍內。顯然單純地增加配合過盈量并不是解決法蘭轉動的最優處理方法，因此，在后續的設計過程中擬將飛輪法蘭和曲軸齒輪設計為一體式（見圖7），增加與曲軸配合接觸的面積，增大摩擦力，可以最大程度地避免飛輪法蘭與曲軸之間出現相對轉動，減少因為此原因引起的曲軸疲勞斷裂。

4. 結語

（1）斷裂曲軸和飛輪法蘭的化學成分、金相組織以及硬度等檢測項目均合格。

（2）曲軸與飛輪法蘭之間發生了相對轉動，曲軸發生了扭轉斷裂，且飛輪法蘭與曲軸的相對轉動摩擦以及曲軸疲勞斷裂的過程中，產生了大量的熱量，致使配合面出現局部熔化的現象。減振器的失效加劇了曲軸運轉過程中的扭振，加速了曲軸的疲勞斷裂過程。

（3）實施增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量改善措施后經過市場驗證取得了良好的改善效果；為了從根本上解決法蘭轉動的問題，杜絕類似故障的再次發生，后期設計中擬修改飛輪法蘭與曲軸齒輪為一體式結構。

圖5　減振器解剖照片

圖6　飛輪法蘭與曲軸配合

圖7　飛輪法蘭和曲軸齒輪結構修改

20141214

作者簡介：羅長增、張吉賢、李明、張金芳，濰柴動力股份有限公司。