機(jī)動(dòng)車曲軸的失效分析

1、譯文：機(jī)動(dòng)車曲軸的失效分析汽車的災(zāi)難性故障及其曲軸的失效分析的案例研究。曲軸的曲柄銷在使用3年后遭受機(jī)械問(wèn)題，即使被被修復(fù)后，在車輛行駛30000公里后也非?？赡茉谙嗤奈恢迷俅螕p壞而導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生。曲柄銷的橫向宏觀圖顯示曲柄銷糾正充滿了相同的公稱直徑的金屬合金。兩個(gè)疲勞裂紋增長(zhǎng)的中心曲柄銷最后發(fā)生斷裂。對(duì)稱半橢圓形裂紋前緣交變彎曲引起災(zāi)難性故障。1.介紹機(jī)動(dòng)車曲軸一般在高旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)在700至8000轉(zhuǎn)分根據(jù)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)類型。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通常

2、低于4000轉(zhuǎn)分下運(yùn)行。然而在這個(gè)旋轉(zhuǎn)范圍發(fā)動(dòng)機(jī)重大失衡可能出現(xiàn)。曲軸失效的共同根源是由于疲勞現(xiàn)象。大部分的損失發(fā)生在曲柄銷接近角焊縫和潤(rùn)滑孔存在高應(yīng)力水平臨界區(qū)。不足的設(shè)計(jì)、組裝或不足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、軸失調(diào)、錯(cuò)誤的幾何學(xué)角焊縫以及異常振動(dòng)最可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。在過(guò)去的幾十年中，金屬材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)一直是個(gè)主要問(wèn)題。它最初被認(rèn)為是一個(gè)問(wèn)題是在19世紀(jì)早期當(dāng)調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)橋梁和鐵路組件受到重復(fù)載荷時(shí)開裂。關(guān)于軸在旋轉(zhuǎn)彎曲Wohler[1]為了

3、獲得其疲勞極限提出了疲勞強(qiáng)度曲線(SN曲線)。后來(lái)在第二次戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)高夫[2]在金屬的耐疲勞應(yīng)力相結(jié)合（即反向彎曲與扭轉(zhuǎn)循環(huán)相結(jié)合）下發(fā)表重要的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。廣泛的疲勞失效情況下可以在著名的ASM金屬手冊(cè)下查到。動(dòng)力軸的裂縫如曲軸的裂縫一般從表面開始，在復(fù)雜加載，循環(huán)彎曲與扭轉(zhuǎn)相結(jié)合等各種狀態(tài)下加大。這種應(yīng)力狀態(tài)來(lái)自循環(huán)彎曲應(yīng)力之間由于自重造成或最終偏差主軸頸軸承在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的軸造成的。這些循環(huán)的彎曲分析和穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)了得出的結(jié)論是壽命增加被認(rèn)為

4、是由于低頻變化扭轉(zhuǎn)加載。在另一個(gè)主機(jī)曲軸故障進(jìn)行了分析認(rèn)為問(wèn)題的根源是曲柄銷上的裂紋萌生。同樣的原因是疲勞失效的主要原因。柴油機(jī)存在兩種不同來(lái)源的負(fù)載，即慣性和燃燒導(dǎo)致的曲軸彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷:慣性旋轉(zhuǎn)部件如連桿、適用于曲軸和發(fā)動(dòng)機(jī)。第二個(gè)載荷源是由于可燃混合氣在每個(gè)氣缸燃燒產(chǎn)生的力通過(guò)連桿對(duì)曲軸的影響。壓力作用于曲軸，引起彎曲和扭轉(zhuǎn)。圖1顯示了彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的變化情況在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)，根據(jù)作用于曲軸的合力的大小做的曲軸角函數(shù)但可

5、以擴(kuò)展到任何柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)。作用在曲軸上的彎曲負(fù)荷力的方向指向曲柄半徑的中心。在許多負(fù)載分析研究中，曲軸扭轉(zhuǎn)載荷是被忽視的，因?yàn)榍S的扭轉(zhuǎn)載荷很小，不到彎曲載荷的百分之十[11]當(dāng)彎曲負(fù)荷達(dá)到最大值時(shí)，扭轉(zhuǎn)載荷的大小為零見圖1原因是因?yàn)樽畲蟮膹澢团まD(zhuǎn)載荷發(fā)生在不同的時(shí)間。因此考慮扭轉(zhuǎn)負(fù)荷對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)加載條件并沒(méi)有影響，馮米塞斯應(yīng)力在強(qiáng)調(diào)位置和曲軸分析可以簡(jiǎn)化為只應(yīng)用彎曲荷載。曲軸上的幾何關(guān)鍵位置都是局部高應(yīng)力梯度的角區(qū)因?yàn)閷?dǎo)致高應(yīng)力集中因

6、而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確確定失效的區(qū)域。大多數(shù)曲軸通常通過(guò)鋼筋或韌性鋼滾鍛。直徑被設(shè)計(jì)用來(lái)提供足夠的抗扭強(qiáng)度。其中最高度強(qiáng)調(diào)引擎組件它們是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要安全限制以不超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度。高循環(huán)疲勞載荷以及應(yīng)力集中在關(guān)鍵幾何區(qū)域的影響有時(shí)會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生，盡管平均強(qiáng)度無(wú)法聯(lián)系到材料的疲勞極限。但是曲軸存在特定的差異見圖2將活塞的直線運(yùn)動(dòng)將活塞的往復(fù)圖2一個(gè)典型的曲軸與主命名的示意圖。（1.crankweb——曲柄臂2.mainjournal——主軸頸3

7、.mainbearingjournal——主軸承軸頸4.crankpin——曲柄銷5.crankpinoilhole——曲柄銷油孔6.counterweight——對(duì)重裝置）2.歷史材料和損害90HP的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸在2500轉(zhuǎn)分時(shí)有180NM的扭矩。該材料是由SAE1045冷卻而得到的典型的金屬合金，拉拔，鍛造，歸一化。對(duì)于這種鋼材公稱抗拉強(qiáng)度約為625兆帕，屈服強(qiáng)度530兆帕。硬度進(jìn)行測(cè)量，在曲軸的曲柄銷等的硬度測(cè)量顯示出相似的硬

8、度。該曲軸的質(zhì)量為21公斤和560毫米的長(zhǎng)度。主軸承和連桿進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)52.5毫米和59.5毫米曲柄銷和主軸頸直徑。圖2顯示了曲柄銷曲軸沒(méi)有斷裂。圖3顯示了兩個(gè)破損的部件（一）及（b）一個(gè)特寫，其中疲勞裂紋的表面是可見的。在正常運(yùn)行3年左右后，車輛馬達(dá)失效，曲柄銷沒(méi)有。曲軸2出現(xiàn)震動(dòng)不正常。電機(jī)被修復(fù)，其中包括在曲柄銷運(yùn)行后30000公里電機(jī)再次失敗。圖3和4分別顯示了2號(hào)曲柄銷出現(xiàn)裂隙3結(jié)果與討論2號(hào)曲柄銷的展示一個(gè)獲得了宏觀和微觀

9、以及從內(nèi)部向外部曲柄銷表面維氏硬度圖。圖5a和b顯示了所觀察到的，這種曲柄銷精餾至48.5毫米直徑的，然后通過(guò)添加一種金屬合金層的公稱尺寸，即52.5毫米重建宏觀形貌。熱量的熱區(qū)（HTZ）的金屬基體和所添加的金屬合金之間也觀察到的，見圖4。在曲柄銷的橫向表面測(cè)量，從中心到外側(cè)的平均維氏硬度為以下內(nèi)容：210HV（曲柄銷金屬基峰），286HV（HTZ），和HV185（添加金屬合金），極限強(qiáng)度約為672兆帕這是與這個(gè)典型的鍛鋼一致。在基體金