汽車發動機曲軸常見失效形式的分析研究

楊君

摘 要：汽車發動機曲軸是發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，易發生彎曲和扭轉變形。主要分析了汽車發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，根據其原因對汽車發動機曲軸在設計、制造及使用過程中的不恰當方式進行總結，提出一些解決汽車發動機曲軸常見問題的相關措施和方法。

關鍵詞：發動機曲軸；疲勞失效；工作過程； 原因分析

中圖分類號：U464文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.005

1 汽車發動機曲軸基本知識

汽車發動機零部件雖說眾多，曲軸卻是汽車發動機在行駛運行的過程中最關鍵的零件之一，它在工作過程中受力情況十分的復雜，要同時承受氣體壓縮、彎曲、扭轉等載荷作用，這些載荷呈周期性變化并且數值往往較大，因此曲軸在運行過程中極易引起扭曲變形甚至斷裂。曲軸的外形設計也比較復雜，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，因此在設計、材料選取、鍛造過程、機械加工、熱處理及其他環節，都可能會造成曲軸的失效，所以在進行曲軸加工的各個環節中，一定要嚴格把控質量關，針對容易出現的問題進行原因分析，及時預防和解決可能出現的問題。

2 汽車發動機曲軸常見的失效形式和失效原因

由于汽車發動機曲軸受力復雜，失效形式及失效原因多樣，通過實踐總結起來主要有以下幾點：

2.1 曲軸圓角彎曲疲勞斷裂失效

根據實例統計分析，曲軸圓角彎曲疲勞斷裂是曲軸出現失效的最常見原因，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、圓角加工刀痕損傷、圓角氮化工藝不當、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合強化工藝。對于中碳鋼曲軸，多采用碳氮共滲或感應淬火強化工藝。目前廣泛采用的感應淬火的淬火范圍普遍應用于圓角區域，事實已經證明這種方式能夠明顯地提高曲軸圓角的疲勞強度。隨著發動機增壓技術的發展，我們對曲軸疲勞強度的要求也會越來越高，因此對發動機圓角的強化處理已經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生一定的變形，我們生產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，都可能導致曲軸產生校直裂紋。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，最后的瞬斷區與疲勞擴展區幾乎呈現垂直的現象，斷裂處面積雖小但斷面粗糙，通過掃描電鏡的分析，發現新月形粗糙區域擦傷嚴重，未見明顯的疲勞特征，可以推斷裂紋形成應在斷口疲勞擴展之前。雖然曲軸校直開裂情況在生產中并不多見，但此類故障一旦發生，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 曲軸在鍛造質量上出現的失效

影響曲軸鍛造質量的因素很多而且很復雜，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。生產中選用制造曲軸的材料應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，一般被認為是有較嚴重的組織缺陷，可能會嚴重損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量有著重要的影響，整個影響過程比較復雜。生產中我們要重視曲軸鍛造質量，避免容易引起曲軸鍛造質量的不利因素，制造出高標準的曲軸。

2.4 曲軸的彎扭復合疲勞失效

通常發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。發動機曲軸在整個生命周期的工作過程中情況也是非常復雜，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的判定，并為最終確定失效原因提供有效的依據。當曲軸受到彎曲和扭轉的應力時，很容易引起彎扭復合疲勞失效，彎扭復合疲勞失效是曲軸失效的一種原因。通常對發動機曲軸因工作過程中的異常情況引起的失效進行分析，都比較困難，往往需要結合對其它相關的零部件進行分析。

3 曲軸制造的新應用

隨著科技發展，曲軸制造新材料、新工藝、新技術的出現和發展，使曲軸制造質量有了很大提高，提升了曲軸使用壽命，保證了汽車運行的可靠性。目前非調制曲軸和等溫淬火球墨鑄鐵曲軸都有了很好的發展和應用。非調制鋼在汽車上的開發應用開始于汽車的曲軸，目前已大量應用。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制造長安汽車的發動機曲軸；東風汽車集團采用50MnV制造部分發動機曲軸。等溫淬火球墨鑄鐵曲軸力學性能上明顯優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。制造時經過圓角滾壓后，一般會發生馬氏體的轉變，通常能夠進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，使其成為好的發動機曲軸材料。隨著新技術新材料的不斷發展和應用，汽車發動機曲軸將會制造出更高的質量和更強的抗壓能力，這將會對未來汽車發動機行業的發展起到關鍵作用。

4 結束語

汽車發動機是汽車的心臟，曲軸又是發動機中重要的零部件，曲軸本身的設計制造、工作過程和受力非常復雜，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，所以在針對汽車發動機的曲軸應用過程中，一定要根據經驗進行曲軸失效的措施應對，在保護發動機曲軸的過程中，同時保護汽車其他零部件，減少汽車事故，保障汽車能夠平穩正常運行，提高汽車可靠性。

參考文獻：

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