汽车发动机曲轴常见失效形式的分析研究

杨君

摘 要：汽车发动机曲轴是发动机中重要的零部件，在运行过程中承受着气体压力、惯性力及其力矩综合作用，易发生弯曲和扭转变形。主要分析了汽车发动机曲轴在工作过程中常见的失效形式，并且重点分析了各种失效形式引起的原因，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，提出一些解决汽车发动机曲轴常见问题的相关措施和方法。

关键词：发动机曲轴；疲劳失效；工作过程； 原因分析

中图分类号：U464文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.005

1 汽车发动机曲轴基本知识

汽车发动机零部件虽说众多，曲轴却是汽车发动机在行驶运行的过程中最关键的零件之一，它在工作过程中受力情况十分的复杂，要同时承受气体压缩、弯曲、扭转等载荷作用，这些载荷呈周期性变化并且数值往往较大，因此曲轴在运行过程中极易引起扭曲变形甚至断裂。曲轴的外形设计也比较复杂，主要是通过多个主轴颈与连杆轴颈还有平衡块等之间的连接进行组合的，而且这些连接体的大小、长度及方向又各不相同。曲轴的质量受其本身刚度与强度，还有耐磨性和平衡性等影响，因此曲轴是发动机中最容易受损的零部件之一，而且在运行过程中一旦出现损坏往往还会引起其他零部件的损毁，使汽车不能正常工作。

曲轴的主要材料是中碳钢或中碳合金钢，有时也用球墨铸铁。曲轴对制造材料的要求大致要满足以下特征：足够的强度、刚度、冲击韧性及高度的抗疲劳强度，因此在设计、材料选取、锻造过程、机械加工、热处理及其他环节，都可能会造成曲轴的失效，所以在进行曲轴加工的各个环节中，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，及时预防和解决可能出现的问题。

2 汽车发动机曲轴常见的失效形式和失效原因

由于汽车发动机曲轴受力复杂，失效形式及失效原因多样，通过实践总结起来主要有以下几点：

2.1 曲轴圆角弯曲疲劳断裂失效

根据实例统计分析，曲轴圆角弯曲疲劳断裂是曲轴出现失效的最常见原因，大约占80%。引起曲轴圆角弯曲疲劳断裂的因素有圆角淬火不当、圆角加工刀痕损伤、圆角氮化工艺不当、曲轴强度不足、圆角校直裂纹等很多原因。对于球墨铸铁曲轴，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。对于中碳钢曲轴，多采用碳氮共渗或感应淬火强化工艺。目前广泛采用的感应淬火的淬火范围普遍应用于圆角区域，事实已经证明这种方式能够明显地提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增压技术的发展，我们对曲轴疲劳强度的要求也会越来越高，因此对发动机圆角的强化处理已经成为必须的一个工艺过程，这样就有可能减少曲轴在服役使用过程中产生疲劳断裂。

2.2 曲轴在校直过程中引起的裂纹失效

锻造碳钢材料的曲轴，在锻造和热处理等制造过程中必然产生一定的变形，我们生产过程中采用校直的方法来消除变形。校直的方法又分为冷校和热校，不管是哪一种，如果校直幅度过大，都可能导致曲轴产生校直裂纹。一般情况下如果曲轴本身存在裂纹，一般行驶5000～8000 km裂纹就会扩展引起断裂，最后的瞬断区与疲劳扩展区几乎呈现垂直的现象，断裂处面积虽小但断面粗糙，通过扫描电镜的分析，发现新月形粗糙区域擦伤严重，未见明显的疲劳特征，可以推断裂纹形成应在断口疲劳扩展之前。虽然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，危害却非常大。对于这种失效形式，我们可以对校直后的曲轴再进行一次探伤检查，避免有裂纹的曲轴被使用。

2.3 曲轴在锻造质量上出现的失效

影响曲轴锻造质量的因素很多而且很复杂，有原材料晶粒长大倾向、偏析、微观夹杂物、锻造温度等的影响因素。生产中选用制造曲轴的材料应该考虑与制造工艺相匹配，尽量避免在容易引起晶粒长大的敏感区域停留时间太长，这样才能有效地避免晶粒粗大。曲轴材料晶粒粗大，一般被认为是有较严重的组织缺陷，可能会严重损害材料的机械使用性能，尤其是在疲劳强度的影响。其他几个因素也对曲轴锻造质量有着重要的影响，整个影响过程比较复杂。生产中我们要重视曲轴锻造质量，避免容易引起曲轴锻造质量的不利因素，制造出高标准的曲轴。

2.4 曲轴的弯扭复合疲劳失效

通常发动机工作过程受多种因素影响，零部件各有不同的工作特点。发动机曲轴在整个生命周期的工作过程中情况也是非常复杂，引起曲轴失效的形式也多种多样。有时仅凭断口、主轴颈和连杆轴颈表面面貌以及轴瓦等零部件的分析，难以准确地判断出具体的失效原因，但这些原因分析有助于我们对失效性质的判定，并为最终确定失效原因提供有效的依据。当曲轴受到弯曲和扭转的应力时，很容易引起弯扭复合疲劳失效，弯扭复合疲劳失效是曲轴失效的一种原因。通常对发动机曲轴因工作过程中的异常情况引起的失效进行分析，都比较困难，往往需要结合对其它相关的零部件进行分析。

3 曲轴制造的新应用

随着科技发展，曲轴制造新材料、新工艺、新技术的出现和发展，使曲轴制造质量有了很大提高，提升了曲轴使用寿命，保证了汽车运行的可靠性。目前非调制曲轴和等温淬火球墨铸铁曲轴都有了很好的发展和应用。非调制钢在汽车上的开发应用开始于汽车的曲轴，目前已大量应用。成功的主要案例有：长安汽车有限公司与上海汽车锻造总厂合作采用49MnVS3制造长安汽车的发动机曲轴；东风汽车集团采用50MnV制造部分发动机曲轴。等温淬火球墨铸铁曲轴力学性能上明显优越于中碳钢和一般的合金钢，具有较高的强度和较高的耐磨性的优良特征，同时具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。制造时经过圆角滚压后，一般会发生马氏体的转变，通常能够进一步提高曲轴的抗疲劳强度，而且由于这种材料里本身有球形石墨的存在，能够使曲轴有良好的减震和消声性能，使其成为好的发动机曲轴材料。随着新技术新材料的不断发展和应用，汽车发动机曲轴将会制造出更高的质量和更强的抗压能力，这将会对未来汽车发动机行业的发展起到关键作用。

4 结束语

汽车发动机是汽车的心脏，曲轴又是发动机中重要的零部件，曲轴本身的设计制造、工作过程和受力非常复杂，因此曲轴的失效形式及失效原因也是多种多样，分析起来比较困难，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，同时保护汽车其他零部件，减少汽车事故，保障汽车能够平稳正常运行，提高汽车可靠性。

参考文献：

[1] 冯继军，郭文芳.汽车发动机曲轴常见的失效形式及原因分析[J].失效分析与预防，2006（2）.

[2] 张帷，王晓辉，王长彭，等.汽车发动机曲轴疲劳性能分析研究[J].精密成形工程，2015（1）.