汽車發(fā)動機曲軸常見失效形式的分析

m.jxmhotel.com.cn 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：俠名類別：汽車構(gòu)造維修時間：2017年08月24

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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

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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)的零部件進行分析。
3 曲軸制造的新應(yīng)用

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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)驗進行曲軸失效的措施應(yīng)對，在保護發(fā)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(wěn)正常運行，提高汽車可靠性。