车辆发动机曲轴疲劳损伤与失效分析

曲轴是柴油机最重要的运动部件，它的主要作用是将活塞的往复运动转变为旋转运动，并输出功率。往复惯性力和离心力使曲轴长期承受弯曲、扭转、振动、拉压等循环交变应力，这种交变载荷以及高温、高速、腐蚀介质等因素导致曲轴的工作条件十分恶劣。

曲轴一般以铸造（或锻压）制造毛坯，之后通过机械加工成形。为提高其抗疲劳性能，还需要进行热处理、表面氧化、滚压、抛光研磨等工艺措施。另外，曲轴的形状较为特殊，具有润滑油孔这样细致的几何特征。因此，曲轴的疲劳损伤与失效是一个影响因素较多、机理较复杂的问题。

曲轴断裂是疲劳破坏的最终结果，其最初表现为裂纹，而一旦出现裂纹，如果未及时发现和修正，则很快会发展成截面断裂，引起的后果将非常严重。曲轴最常见的裂纹出现在连杆轴颈与曲柄臂连接处（即内结合圆角处），主要是由于交变弯曲应力所引起的疲劳破坏，此处裂纹向曲柄臂处发展，其方向与曲柄臂夹角约为45°。此外，出现裂纹的位置还有油孔处和曲柄臂处等。

曲轴失效的原因主要有以下几方面：

1.材料缺陷

曲轴存在原材料方面的缺陷，强度降低，容易造成失效。例如，曲轴是由原材料（钢锭）锻打而成，钢锭的中心部位有一个偏析带，在其外部是无缺陷的合格晶带，如图7－1所示。

图7－1　曲轴钢锭金相组织

1—偏析带；2—合格晶带；3—负偏析带

生产曲轴时，先将钢锭轧制成一根圆棒料，然后对轴颈和曲柄进行成型锻造。若锻成的曲柄和轴颈直颈误差太大，偏析将有可能出现在曲柄和轴颈的表面。这种材料偏析在热处理过程中是无法消除的，会明显降低材料的疲劳强度。

2.加工工艺

1）轴颈圆角过小或加工不良

根据试验和计算，曲轴轴颈的过渡圆角半径若由原设计3 mm减至2 mm，曲轴疲劳寿命则减少一半。曲轴的加工工艺复杂，特别是轴颈有很高的尺寸和形位公差要求，一般按6级精度制造，粗糙度不高于Rz2.5。轴颈表面需要进行热处理，以提高其耐磨性，常用的热处理形式为氮化和高频淬火。曲轴断裂多发生在轴颈同角处，同角处加工粗糙、同弧衔接不好、同弧半径太小均会引起应力集中，导致曲轴早期疲劳断裂。

2）曲轴校直引起的断裂

在加工过程中，为了保证曲轴的平直度，需要进行校直。曲轴的校直是按曲轴的变形程度而定的。校直的方法一般是在油压机的平台上两端支撑中间加载，即三分点弯矩加载校直。这种方法方便且效率高，但由于校直没有标准规程，所以校直力是任意施加的，导致曲轴所承受的最高应力在局部区域可能超出材料容许的范围。校直造成的损坏不是一次加载断裂，而是在曲轴的关键部位造成微小的开裂或导致原有缺陷的扩大。这些微小的裂纹或扩大了的缺陷可能促使曲轴在工作过程中引起疲劳断裂。

3.装配问题

1）主轴瓦中心线不同心(www.xing528.com)

柴油机修理组装时，曲轴轴瓦的中心线如果不同心，则除了会发生烧瓦抱轴事故外，曲轴还会因受到交变应力的强烈冲击而容易断裂。另外，发生过滚瓦的缸体座孔会受到磨损，从而与其他各道瓦座孔不同心，如果未经修复就组装上轴瓦与曲轴，则柴油机一旦工作就会发生烧瓦抱轴或断轴事故。

2）曲轴装配间隙不合格

若曲轴轴颈与轴瓦配合间隙过大，则柴油机在重负荷工作时，曲轴会受到强烈冲击，油膜也容易破坏，从而发生烧瓦或曲轴断裂事故。

3）飞轮松动

飞轮螺栓必须用扭力扳手按规定顺序和扭矩拧紧，并加以锁紧，才能确保飞轮与曲轴的可靠连接。如果飞轮螺栓松动，高速旋转的曲轴组件就失去原有动平衡而产生很大的惯性力，致使曲轴疲劳，容易在尾端折断。有些曲轴与飞轮采用锥孔配合，若两者贴合面积小于75%，则柴油机工作时飞轮也会松动，从而冲击曲轴，致使与键槽外侧配合的部位出现裂缝折断曲轴。

4）减振器松动

法兰与减振器螺栓松脱，法兰与减振器相对摩擦而产生高温熔化点，引起法兰热膨胀，法兰与曲轴也产生相对运动，使曲轴温度升高且局部产生熔化，强度降低，最终引起旋转疲劳断裂。

4.使用不当

1）供油时间过早或各缸供油量不均

若供油时间过早，则活塞未到上止点便燃烧爆发，会引起柴油机爆震并使曲轴受到过大的冲击。若各缸供油量不均，则会因各缸爆发力不一致而使曲轴各轴颈受力不均，时间长了就容易损伤曲轴。

2）轴颈润滑不良

当机油泵磨损严重而出油量减少，造成油压下降，或润滑系统脏污堵塞，使润滑油流通不畅，都会造成在曲轴轴颈上不能形成正常的润滑油膜，因而产生摩擦，导致烧瓦、抱轴事故，甚至曲轴断裂。

3）操作不当

车辆起步过猛、油门忽大忽小、紧急制动频繁或长时间超负荷超速运转，都会使曲轴受到过大扭矩或冲击载荷，容易导致其断裂。

4）其他情况

柴油机发生“飞车”、顶气门等事故时，曲轴也会因过度受力而断裂。