论文部分内容阅读
[摘 要]汽车的发动机曲轴对于汽车的运行具有重要影响，本文主要分析了汽车发动机曲轴在允许过程中常见的主要失效形式，并且分析了各种失效形式存在的原因，并根据其原因对汽车发动机曲轴在设计、制造及使用过程中的不恰当方式进行总结，提出解决汽车发动机曲轴常见问题的相关措施。
[关键词]发动机曲轴；失效形式；原因分析
中图分类号：S219.031 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0001-01
一、汽车发动机曲轴的运行原理
在汽车运行使用过程中，曲轴是发动机的最关键的零件之一，在进行工作的过程中受力情况十分复杂，要同时承受弯曲、扭转及压缩等载荷作用，而且这些载荷作用往往数值较大，并且呈周期性变化，所以曲轴在运行过程中容易引起扭曲甚至断裂。曲轴在外形的设计上也比较复杂，主要是通过多个主轴颈与连接颈之间的连体进行组合的，而且这些连接体的长度及方向分布各异。由于曲轴的刚度比较弱，所以在运转过程中，每个缸之间都有一个轴承起到支撑作用。在发动机的所有零件中，曲轴是其中比较容易的受损零件之一，而且在运行过程中一旦出现损坏往往就会引起其他机件的损毁，造成严重的事故。
曲轴对于材料选取的主要要求大致要满足以下特征：足够的强度、高的冲击韧性及高度的抗疲劳强度。在进行设计、材料的选取、锻造、机械加工、热处理及以后的每个环节的运行过程中，都可能会造成曲轴的失效，所以在进行汽车加工的各个环节中，一定要严格把控质量关，针对容易出现的问题进行原因分析，并且要及时预防及时解决。
二、常见的曲轴失效形式及失效原因
1、校直过程引起的原始裂纹
对于锻钢曲轴，在锻造、热处理等过程中必然产生变形，生产中采用校直的方法消除。无论是热校还是冷校，一旦校直幅度过大，都可能导致曲轴产生裂纹，且这种裂纹一般肉眼无法观察到。若曲轴本身存在原始裂纹，装配后行驶里程一般仅为几千公里，就会疲劳扩展而断裂。对于此类裂纹，分析时应注意与其它常见裂纹如锻造裂纹、淬火裂纹等的区别。最后的瞬断区与疲劳扩展区几乎垂直，面积很小，断面粗糙，扫描电镜分析，新月形粗糙区擦伤严重，未见明显的疲劳特征，说明该区域不是疲劳扩展区，其形成应在断口疲劳扩展之前。曲轴校直开裂情况在生产中并不多见，但此类故障一旦发生则危害较大。对于此类故障，应考虑对校直后的曲轴再进行一次探伤，避免有裂纹曲轴流人装配。
2、圆角淬火工艺不当
轴颈圆角是曲轴加工难度最大，同时也是使用中最容易成为裂纹起源的位置。为了提高曲轴疲劳强度，一般需要对圆角进行强化处理。对于球铁曲轴，目前多采用圆角滚压强化工艺或先氮化再滚压强化的复合强化工艺。对于钢曲轴，多采用碳氮共渗或感应淬火强化工艺。早期的发动机曲轴感应淬火区域仅仅局限在轴颈部分，主要对轴颈起提高耐磨性的作用，淬火区离圆角仍然有大于6～以上的距离，因此对圆角并不起强化作用。目前采用的感应工艺，淬火区域普遍包涵圆角区域。事实证明这种方式能够明显提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增压等新技术应用的日益广泛，对曲轴疲劳强度的要求也越来越高，目前，对发动机圆角的强化处理已经成为必须的工艺过程。圆角强化工艺不当，曲轴达不到应有的疲劳强度，就有可能会在服役过程产生疲劳断裂。
3、锻造质量问题
曲轴材料的锻造质量涉及很多因素，原材料晶粒及晶粒长大倾向、锻轧比、锻造温度等都是重要的影响因素。生产中对材料的选用应该考虑与锻造工艺能够匹配，避免在材料晶粒长大敏感区域停留时间过长。曲轴材料晶粒粗大，并有魏氏组织出现，说明材料有过热倾向。通常，这种情况被认为是较严重的组织缺陷，会严重损害材料机械性能，尤其是疲劳强度。断口出现沿晶韧窝形貌应与此有关，沿晶断口特征的出现，表明材料的脆性较大，在服役过程中其性能主要是由强度较弱的晶界主导。
4、铸造缺陷
发动机曲轴断裂的直接原因是其近表面基体内存在大面积缩孔。这种缺陷的存在，不仅降低了基体强度，而且引起应力集中，导致裂纹在此处萌生并扩展。根据化学成分分析结果可知，碳、硅含量偏低，这种情况导致铸件易于形成缩孔。
5、加工不当引起应力集中
曲轴是典型受交变应力的零件，对各种应力集中因素非常敏感。零件设计中一般不存在明显的尖锐过渡处，但实际生产中，由于加工工艺的偏差，可能会在零件上留下诸如台阶、沟纹等一类的外形缺陷。这类外形缺陷在使用中由于应力集中有可能成为疲劳裂纹的起源。曲轴断口起源处未发现材料缺陷，基体组织、表面强化层组织与深度等未见异常。但其起源不在应力最大的圆角处而是在离开圆角约20度处的曲柄上形成，说明由于加工台阶的应力集中作用，使得此处的实际应力水平高于圆角而导致裂纹优先萌生。
6、曲轴服役过程中的异常情况
发动机曲轴服役中的异常情况非常复杂，引起曲轴损坏的形式也多种多样。很多情况下，仅凭断口、轴颈表面形貌以及轴瓦相关件等方面的分析，难以确切判断出具体的失效原因，但这些分析工作有助于对失效性质的判定，并为最终确定失效原因提供依据。对发动机曲轴因服役中的异常情况引起的失效进行分析，一般都比较困难，往往需要对其它相关零部件进行分析。因此，仔细的现场分析与样品收集至关重要。
三、曲轴的新材料应用及展望
1、等温淬火球铁曲轴
等温淬火球铁曲轴具有高强度、高韧度和高耐磨性的特征，而且在实际应用的过程中，具有很高的弯曲疲劳度和接触疲劳的强度，密度比钢低10%，在综合力学性能上要优越于碳素锻钢和一般的合金铸钢，等温淬火球铁曲轴在机体内存有参与的奥氏残余组织，具有显著的加工硬化效果，在经过圆角滚压后，会发生马氏体的转变，从而形成了很高了残余压应力，能够进一步提高曲轴的抗疲劳度，而且由于球墨的存在，能够使曲轴发挥良好的减震和消声性能，综合分析等温淬火球铁曲轴是性能比较高的发动机曲轴材料。
目前，随着发动机输出扭矩的日益增大，对曲轴材质的要求越来越高，大功率的发动机曲轴多采用锻钢生产，成本计较高，用等温淬火球铁代替锻钢生产曲轴，从静强度的弯曲疲劳强度的指标来看，这种曲轴可以满足高性能发动机的需求，以新型材料取代过旧有材料，从而提升发动机的性能。
2、非调制曲轴
国内非调制钢的开发应用开始于汽车的曲轴，并已获得了可喜的成果，国内成功的主要案例有：东风汽车公司采用的50MnV制造康明斯发动机曲轴；上海汽车锻件总厂采用49MnVS3制造桑塔纳轿车曲轴；长安汽车有限公司与上海汽车锻造总厂合作采用49MnVS3制造長安微车发动机曲轴。随着新技术材料的不断应用，汽车发动机曲轴制造正在不断以更高的质量及更强的抗压能力走入行业，对未来汽车发动机行业的发展起到了重要作用。
四、结语
针对汽车发动机曲轴的失效形式及失效原因进行分析，由于汽车发动机曲轴本身的设计构造比较复杂，再加上加工及运行环节中的应用原理也比较复杂，所以在针对汽车发动机的曲轴应用过程中，一定要根据经验进行曲轴失效的措施应对，在保护发动机曲轴的过程中，同时保护了其他零件，进而减少了汽车事故。所以在曲轴的应用过程中，一定要做好实际的分析工作，对容易出现的状况进行调查统计，并且找出原因，从而避免汽车发动机曲轴失效带来的损失。
参考文献
[1] 张帷，王晓辉，王长彭，黄文明.汽车发动机曲轴疲劳性能分析研究[J].精密成形工程，2015；
[2] 叶晓琰，张军辉，蒋小平.基于ANSYS-FATIGUE的曲轴疲劳寿命计算[J].流体机械，2011.
[关键词]发动机曲轴；失效形式；原因分析
中图分类号：S219.031 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0001-01
一、汽车发动机曲轴的运行原理
在汽车运行使用过程中，曲轴是发动机的最关键的零件之一，在进行工作的过程中受力情况十分复杂，要同时承受弯曲、扭转及压缩等载荷作用，而且这些载荷作用往往数值较大，并且呈周期性变化，所以曲轴在运行过程中容易引起扭曲甚至断裂。曲轴在外形的设计上也比较复杂，主要是通过多个主轴颈与连接颈之间的连体进行组合的，而且这些连接体的长度及方向分布各异。由于曲轴的刚度比较弱，所以在运转过程中，每个缸之间都有一个轴承起到支撑作用。在发动机的所有零件中，曲轴是其中比较容易的受损零件之一，而且在运行过程中一旦出现损坏往往就会引起其他机件的损毁，造成严重的事故。
曲轴对于材料选取的主要要求大致要满足以下特征：足够的强度、高的冲击韧性及高度的抗疲劳强度。在进行设计、材料的选取、锻造、机械加工、热处理及以后的每个环节的运行过程中，都可能会造成曲轴的失效，所以在进行汽车加工的各个环节中，一定要严格把控质量关，针对容易出现的问题进行原因分析，并且要及时预防及时解决。
二、常见的曲轴失效形式及失效原因
1、校直过程引起的原始裂纹
对于锻钢曲轴，在锻造、热处理等过程中必然产生变形，生产中采用校直的方法消除。无论是热校还是冷校，一旦校直幅度过大，都可能导致曲轴产生裂纹，且这种裂纹一般肉眼无法观察到。若曲轴本身存在原始裂纹，装配后行驶里程一般仅为几千公里，就会疲劳扩展而断裂。对于此类裂纹，分析时应注意与其它常见裂纹如锻造裂纹、淬火裂纹等的区别。最后的瞬断区与疲劳扩展区几乎垂直，面积很小，断面粗糙，扫描电镜分析，新月形粗糙区擦伤严重，未见明显的疲劳特征，说明该区域不是疲劳扩展区，其形成应在断口疲劳扩展之前。曲轴校直开裂情况在生产中并不多见，但此类故障一旦发生则危害较大。对于此类故障，应考虑对校直后的曲轴再进行一次探伤，避免有裂纹曲轴流人装配。
2、圆角淬火工艺不当
轴颈圆角是曲轴加工难度最大，同时也是使用中最容易成为裂纹起源的位置。为了提高曲轴疲劳强度，一般需要对圆角进行强化处理。对于球铁曲轴，目前多采用圆角滚压强化工艺或先氮化再滚压强化的复合强化工艺。对于钢曲轴，多采用碳氮共渗或感应淬火强化工艺。早期的发动机曲轴感应淬火区域仅仅局限在轴颈部分，主要对轴颈起提高耐磨性的作用，淬火区离圆角仍然有大于6～以上的距离，因此对圆角并不起强化作用。目前采用的感应工艺，淬火区域普遍包涵圆角区域。事实证明这种方式能够明显提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增压等新技术应用的日益广泛，对曲轴疲劳强度的要求也越来越高，目前，对发动机圆角的强化处理已经成为必须的工艺过程。圆角强化工艺不当，曲轴达不到应有的疲劳强度，就有可能会在服役过程产生疲劳断裂。
3、锻造质量问题
曲轴材料的锻造质量涉及很多因素，原材料晶粒及晶粒长大倾向、锻轧比、锻造温度等都是重要的影响因素。生产中对材料的选用应该考虑与锻造工艺能够匹配，避免在材料晶粒长大敏感区域停留时间过长。曲轴材料晶粒粗大，并有魏氏组织出现，说明材料有过热倾向。通常，这种情况被认为是较严重的组织缺陷，会严重损害材料机械性能，尤其是疲劳强度。断口出现沿晶韧窝形貌应与此有关，沿晶断口特征的出现，表明材料的脆性较大，在服役过程中其性能主要是由强度较弱的晶界主导。
4、铸造缺陷
发动机曲轴断裂的直接原因是其近表面基体内存在大面积缩孔。这种缺陷的存在，不仅降低了基体强度，而且引起应力集中，导致裂纹在此处萌生并扩展。根据化学成分分析结果可知，碳、硅含量偏低，这种情况导致铸件易于形成缩孔。
5、加工不当引起应力集中
曲轴是典型受交变应力的零件，对各种应力集中因素非常敏感。零件设计中一般不存在明显的尖锐过渡处，但实际生产中，由于加工工艺的偏差，可能会在零件上留下诸如台阶、沟纹等一类的外形缺陷。这类外形缺陷在使用中由于应力集中有可能成为疲劳裂纹的起源。曲轴断口起源处未发现材料缺陷，基体组织、表面强化层组织与深度等未见异常。但其起源不在应力最大的圆角处而是在离开圆角约20度处的曲柄上形成，说明由于加工台阶的应力集中作用，使得此处的实际应力水平高于圆角而导致裂纹优先萌生。
6、曲轴服役过程中的异常情况
发动机曲轴服役中的异常情况非常复杂，引起曲轴损坏的形式也多种多样。很多情况下，仅凭断口、轴颈表面形貌以及轴瓦相关件等方面的分析，难以确切判断出具体的失效原因，但这些分析工作有助于对失效性质的判定，并为最终确定失效原因提供依据。对发动机曲轴因服役中的异常情况引起的失效进行分析，一般都比较困难，往往需要对其它相关零部件进行分析。因此，仔细的现场分析与样品收集至关重要。
三、曲轴的新材料应用及展望
1、等温淬火球铁曲轴
等温淬火球铁曲轴具有高强度、高韧度和高耐磨性的特征，而且在实际应用的过程中，具有很高的弯曲疲劳度和接触疲劳的强度，密度比钢低10%，在综合力学性能上要优越于碳素锻钢和一般的合金铸钢，等温淬火球铁曲轴在机体内存有参与的奥氏残余组织，具有显著的加工硬化效果，在经过圆角滚压后，会发生马氏体的转变，从而形成了很高了残余压应力，能够进一步提高曲轴的抗疲劳度，而且由于球墨的存在，能够使曲轴发挥良好的减震和消声性能，综合分析等温淬火球铁曲轴是性能比较高的发动机曲轴材料。
目前，随着发动机输出扭矩的日益增大，对曲轴材质的要求越来越高，大功率的发动机曲轴多采用锻钢生产，成本计较高，用等温淬火球铁代替锻钢生产曲轴，从静强度的弯曲疲劳强度的指标来看，这种曲轴可以满足高性能发动机的需求，以新型材料取代过旧有材料，从而提升发动机的性能。
2、非调制曲轴
国内非调制钢的开发应用开始于汽车的曲轴，并已获得了可喜的成果，国内成功的主要案例有：东风汽车公司采用的50MnV制造康明斯发动机曲轴；上海汽车锻件总厂采用49MnVS3制造桑塔纳轿车曲轴；长安汽车有限公司与上海汽车锻造总厂合作采用49MnVS3制造長安微车发动机曲轴。随着新技术材料的不断应用，汽车发动机曲轴制造正在不断以更高的质量及更强的抗压能力走入行业，对未来汽车发动机行业的发展起到了重要作用。
四、结语
针对汽车发动机曲轴的失效形式及失效原因进行分析，由于汽车发动机曲轴本身的设计构造比较复杂，再加上加工及运行环节中的应用原理也比较复杂，所以在针对汽车发动机的曲轴应用过程中，一定要根据经验进行曲轴失效的措施应对，在保护发动机曲轴的过程中，同时保护了其他零件，进而减少了汽车事故。所以在曲轴的应用过程中，一定要做好实际的分析工作，对容易出现的状况进行调查统计，并且找出原因，从而避免汽车发动机曲轴失效带来的损失。
参考文献
[1] 张帷，王晓辉，王长彭，黄文明.汽车发动机曲轴疲劳性能分析研究[J].精密成形工程，2015；
[2] 叶晓琰，张军辉，蒋小平.基于ANSYS-FATIGUE的曲轴疲劳寿命计算[J].流体机械，2011.