机动车曲轴的失效分析.doc

译文：

机动车曲轴的失效分析
汽车的灾难性故障及其曲轴的失效分析的案例研究。曲轴的曲柄销在使用3年后遭受机械问题，即使被被修复后，在车辆行驶30000公里后也非常可能在相同的位置再次损坏而导致灾难发生。曲柄销的横向宏观图显示,曲柄销纠正,充满了相同的公称直径的金属合金。两个疲劳裂纹增长的中心曲柄销,最后发生断裂。对称半椭圆形裂纹前缘交变弯曲引起灾难性故障。
1.介绍
机动车曲轴一般在高旋转旋转,在700至8000转/分,根据车辆的发动机类型。柴油发动机通常低于4000转/分下运行。然而在这个旋转范围,发动机重大失衡可能出现曲轴失效的共同根源是由于疲劳现象。大部分的损失发生在曲柄销接近角焊缝和润滑孔存在高应力水平临界区。不足的设计、组装或不足发动机运行、轴失调、错误的几何学角焊缝以及异常振动最可能导致发动机损坏。
在过去的几十年中，金属材料的疲劳寿命预测一直是个主要问题。,它最初被认为是一个问题是在19世纪早期,当调查人员发现,桥梁和铁路组件受到重复载荷时开裂。关于轴在旋转弯曲,Wohler[1]为了获得其疲劳极限提出了疲劳强度曲线(S-N曲线)。后来,在第二次战争时,高夫[2]在金属的耐疲劳应力相结合（即反向弯曲与扭转循环相结合）下发表重要的实验测试结果,。广泛的疲劳失效情况下可以在著名的ASM金属手册下查到。
动力轴的裂缝,如曲轴的裂缝,一般从表面开始，在复杂加载，循环弯曲与扭转相结合等各种状态下加大。这种应力状态来自循环弯曲应力之间由于自重造成或最终偏差主轴颈轴承在连续旋转的轴造成的。
这些循环的弯曲分析和稳定扭转了得出的结论是,寿命增加被认为是由于低频变化扭转加载。在另一个主机曲轴故障进行了分析,认为问题的根源是曲柄销上的裂纹萌生。同样的原因是疲劳失效的主要原因。
柴油机存在两种不同来源的负载，即惯性和燃烧导致的曲轴弯曲和扭转载荷:惯性旋转部件如连杆、适用于曲轴和发动机。第二个载荷源是由于可燃混合气在每个气缸燃烧产生的力通过连杆对曲轴的影响。压力作用于曲轴，引起弯曲和扭转。图1显示了弯曲和扭转载荷的变化情况,在单缸发动机转速3600转，根据作用于曲轴的合力的大小做的曲轴角函数,但可以扩展到任何柴油发动机机。
作用在曲轴上的弯曲负荷力的方向指向曲柄半径的中心。在许多负载分析研究中，曲轴扭转载荷是被忽视的，因为曲轴的扭转载荷很小，不到弯曲载荷的百分之十[11],当弯曲负荷达到最大值时，扭转载荷的大小为零,见图1,原因是因为最大的弯曲和扭转载荷发生在不同的时间。因此考虑扭转负荷对整个动态加载条件并没有影响，冯·米塞斯应力在强调位置和曲轴分析可以简化为只应用弯曲荷载。曲轴上的几何关键位置都是局部高应力梯度的角区,因为导致高应力集中,因而导致无法准确确定失效的区域。
大多数曲轴通常通过钢筋或韧性钢滚锻。直径被设计用来提供足够的抗扭强度。其中最高度强调引擎组件,它们是设计的一个重要安全限制,以不超过材料的疲劳强度。高循环疲劳载荷,以及应力集中在关键几何区域的影响,有时会导致裂纹萌生，尽管平均强度无法联系到材料的疲劳极限。但是曲轴存在特定的差异,见图2,将活塞的直线运动,将活塞的往复位移转换成旋转运动。他们受到旋转弯曲加上扭力和交变弯曲，曲柄销由于其平移运动,扭转,可能被认为是由于准静态稳定曲轴的扭转。
裂缝开始在表面上，由于旋转弯曲（循环模式I ）时，有主轴颈或不平衡，由于配重效果的一些偏差。扭转载荷不扭转，尽管它有一些循环载荷的变化。因此,扭转只能影响疲劳裂纹增长速度。实验表明,稳定的扭力,不是循环扭转,增加每一根轴的生命周期(3、4)。扭转载荷改变裂纹路径和疲劳形态就像一个工厂的屋顶，在锯齿形路径。一些疲劳裂纹从曲柄销圆角增长模式III,但是裂纹张开的起源是由纯模式(纯交变弯曲,不旋转弯曲)。有时斜裂纹路径45似乎因为润滑孔从圆角改变初始裂纹路径。如之前所述，在曲柄销没有扭转，虽然存在由于连接杆的动作力和曲柄网络传输负载一些剪切应力。
裂纹普遍发生的地点主要是在曲柄销，网鱼片，以及对主轴颈圆角和润滑孔。弯曲和扭转疲劳裂缝也有类似的特点:平滑表面裂缝面孔与海滩痕辐射远离裂纹萌生网状,直到最终韧性断裂。弯曲或扭转疲劳裂纹鱼片增长，除非主轴颈或连杆轴颈油孔改变自己的路径。该油通过在轴承的中央周向槽供给和它完全围绕主轴颈表面的中心区域。对角线油孔中穿过主要和大端期刊之间的腹板的大端轴颈的润滑曲轴提供。这些油孔必须进行倒角，以减少应力集中。需要一个严格的，可控的制造工艺，以及仔细的组装和维修。但同样明显的是绝对需要的了解的故障和故障分析，以避免复发和防止故障，可以在相同的负载条件下运行的类似设备。因此，疲劳失效分析这里有一个重要的作用，并能与设计的改进，材料选择，制造工艺，以及检查和维修方法很有帮助。本研究旨在分析汽车的曲轴灾难性故障，本研究旨在分析机动车的曲轴灾难性故障的根源。

图1 连杆上的弯矩，扭矩及其合力

图2 一个典型的曲轴与主命名的示意图。
（1. crank-web——曲柄臂 2.main journal——主轴颈 3.main bearing journal——主轴承轴颈
4.crank pin——曲柄销 5.crankpin oil hole——曲柄销油孔 6.counterweight——对重装置 ）
2 .历史材料和损害
90HP的柴油发动机的曲轴在2500转/分时有180N*M的扭矩。该材料是由SAE 1045冷却而得到的典型的金属合金，拉拔，锻造，归一化。对于这种钢材公称抗拉强度约为625兆帕，屈服强度530兆帕。硬度进行测量，在曲轴的曲柄销等的硬度测量显示出相似的硬度。该曲轴的质量为21公斤和560毫米的长度。主轴承和连杆进行测定，发现52.5毫米和59.5毫米曲柄销和主轴颈直径。图 2显示了曲柄销曲轴没有断裂。 图 3显示了两个破损的部件（一）及（b ）一个特写，其中疲劳裂纹的表面是可见的。
  在正常运行3年左右后，车辆马达失效，曲柄销没有。 曲轴2出现震动不正常。电机被修复，其中包括在曲柄销运行后30000公里电机再次失败。图3和4分别显示了2号曲柄销出现裂隙
3,结果与讨论
2号曲柄销的展示一个获得了宏观和微观以及从内部向外部曲柄销表面维氏硬度图,。图5a和b显示了所观察到的，这种曲柄销精馏至48.5毫米直径的，然后通过添加一种金属合金层的公称尺寸，即52.5毫米重建宏观形貌。热量的热区（HTZ）的金属基体和所添加的金属合金之间也观察到的，见图4。
在曲柄销的横向表面测量，从中心到外侧的平均维氏硬度为以下内容：210 HV（曲柄销金属基峰），286 HV（HTZ），和HV185（添加金属合金），极限强度约为672兆帕这是与这个典型的锻钢一致。
在基体金属的亚共析铁素体 - 珠光体组织显露在不同的放大倍数也是典型的这种钢的，参见图图6a和b。

图3 断裂的2号曲柄销

图4 特写折断的曲柄销，（a和b）显示了第一和第二裂纹萌生
（crack initiation——裂纹萌生）、

图5 曲柄销的横向区域的宏观形貌
（fillet——圆角 ）

图6 曲轴材料的两种显微照（放大倍数a：200 b：500 ）
图7表示基体金属（BM）的显微照片，并填充金属合金层（FMA）：（1）硬化的微观界面（HTZ）和（b）中加入金属合金。填充的金属合金层的微观结构是非常不同的基体金属，见图6b。
图8显示了两个组合在一起断裂表面破碎的曲柄销。断口形貌的检查显示，其中出现棘轮步骤和传播的两个不同的区域，靠近中心是平坦光滑的断裂面。从横向曲柄销获得宏观图显示它被整流，并填充有2.0毫米厚的金属合金层，见图5 b。断口形貌显示曲柄销网圆角的前身周向和径向约1.5毫米的长度约45裂纹。在图8中白色箭头显示两个主要的裂纹扩展方向裂缝，从图4 b中所示的点,第一个裂纹萌生，而曲柄销的中心径向增长,直到最终断裂。断裂形态清晰的显示在一个相对较低的疲劳裂纹增长速度疲劳失效过程。曲柄销上的疲劳失效发生的反向弯曲(模式)在高应力集中在曲柄销圆周，对应于较低的弯曲载荷与疲劳断裂形态一致。上部和底部主要裂缝深度不同是由于所受的弯曲应力不同的结果，曲柄销只有平移运动,而不是旋转。由于电机的启动和停止，主要裂缝表面显示半椭圆形裂纹前缘形状。
棘轮是观察到一开始的主要裂缝(1.5毫米深偏45)生产时在不同的周向裂纹成核点和创建脊断裂表面联系在一起。
图9a显示了为了获得初始裂纹的从径向样品。图9b这里所确定的附加的金属合金层，与基体金属，以及HTZ接口和焊接的一些缺陷。初始圆周裂纹路径揭示了一个小的弯曲载荷的上曲柄销卷片在基底金属的界面与添加的金属合金层的高应力集中下的效果。
  初始裂纹路径45°倾斜，在模式I ，是充满金属合金上的曲柄销。 2 ，见图5和9b ，曲轴因不良的修复和曲轴的偏差上组装，或不充分的轴颈轴承或轴承和之间不均匀的接触，不适当的矫正，可能会产生对曲柄销卷材圆角一个显著弯矩。在最终错位的结果，在曲轴的关键点附加的振动也可以向疲劳过程。曲轴248的材料也是在曲柄销卷材圆角区域本地冶金缺陷敏感。总之，在灾难性故障可以归因于以下的一些原因： （1）不足的附加金属的合金，（2）由于没有修复的曲柄销表面的热处理;关于轴颈轴承的曲轴（3）可能不对中; （4）在深整流的后果曲轴不平衡; （5）曲轴可能不是在组装之前没有动态测试是曲轴动平衡试验非常重要的。

图7 曲柄销材料显微照片

图8 两个曲柄销碎片（a和b），其中结合在一起的，而白色箭头这表明存在两个主要的裂纹

图9 （a）销区径向样本,(b)金属合金宏观图。
（added metal layer interface——添加金属层界面 crack initiation——裂纹萌生 main crack——主裂纹）
4 .结论
曲柄销的断裂面的形貌表明,疲劳是灾难性故障的根本原因。在曲柄销的圆角裂纹萌生区是在基体金属的界面上，并添加金属合金层，也通过焊接的HTZ加重。由于没有对附加的金属合金表面热处理以及可能未对准曲轴，都一定促成了这种过早的灾难性故障，当发生不规则震动发生作并移除材料超过小限制，曲轴应被一个额外的金属合金取代
5参考文献
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