機動車曲軸的失效分析

1、譯文：機動車曲軸的失效分析汽車的災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年后遭受機械問題，即使被被修復后，在車輛行駛30000公里后也非?？赡茉谙嗤奈恢迷俅螕p壞而導致災難發(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。兩個疲勞裂紋增長的中心曲柄銷最后發(fā)生斷裂。對稱半橢圓形裂紋前緣交變彎曲引起災難性故障。1.介紹機動車曲軸一般在高旋轉旋轉在700至8000轉分根據車輛的發(fā)動機類型。柴油發(fā)動機通常

2、低于4000轉分下運行。然而在這個旋轉范圍發(fā)動機重大失衡可能出現。曲軸失效的共同根源是由于疲勞現象。大部分的損失發(fā)生在曲柄銷接近角焊縫和潤滑孔存在高應力水平臨界區(qū)。不足的設計、組裝或不足發(fā)動機運行、軸失調、錯誤的幾何學角焊縫以及異常振動最可能導致發(fā)動機損壞。在過去的幾十年中，金屬材料的疲勞壽命預測一直是個主要問題。它最初被認為是一個問題是在19世紀早期當調查人員發(fā)現橋梁和鐵路組件受到重復載荷時開裂。關于軸在旋轉彎曲Wohler[1]為了

3、獲得其疲勞極限提出了疲勞強度曲線(SN曲線)。后來在第二次戰(zhàn)爭時高夫[2]在金屬的耐疲勞應力相結合（即反向彎曲與扭轉循環(huán)相結合）下發(fā)表重要的實驗測試結果。廣泛的疲勞失效情況下可以在著名的ASM金屬手冊下查到。動力軸的裂縫如曲軸的裂縫一般從表面開始，在復雜加載，循環(huán)彎曲與扭轉相結合等各種狀態(tài)下加大。這種應力狀態(tài)來自循環(huán)彎曲應力之間由于自重造成或最終偏差主軸頸軸承在連續(xù)旋轉的軸造成的。這些循環(huán)的彎曲分析和穩(wěn)定扭轉了得出的結論是壽命增加被認為

4、是由于低頻變化扭轉加載。在另一個主機曲軸故障進行了分析認為問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。柴油機存在兩種不同來源的負載，即慣性和燃燒導致的曲軸彎曲和扭轉載荷:慣性旋轉部件如連桿、適用于曲軸和發(fā)動機。第二個載荷源是由于可燃混合氣在每個氣缸燃燒產生的力通過連桿對曲軸的影響。壓力作用于曲軸，引起彎曲和扭轉。圖1顯示了彎曲和扭轉載荷的變化情況在單缸發(fā)動機轉速3600轉，根據作用于曲軸的合力的大小做的曲軸角函數但可

5、以擴展到任何柴油發(fā)動機機。作用在曲軸上的彎曲負荷力的方向指向曲柄半徑的中心。在許多負載分析研究中，曲軸扭轉載荷是被忽視的，因為曲軸的扭轉載荷很小，不到彎曲載荷的百分之十[11]當彎曲負荷達到最大值時，扭轉載荷的大小為零見圖1原因是因為最大的彎曲和扭轉載荷發(fā)生在不同的時間。因此考慮扭轉負荷對整個動態(tài)加載條件并沒有影響，馮米塞斯應力在強調位置和曲軸分析可以簡化為只應用彎曲荷載。曲軸上的幾何關鍵位置都是局部高應力梯度的角區(qū)因為導致高應力集中因

6、而導致無法準確確定失效的區(qū)域。大多數曲軸通常通過鋼筋或韌性鋼滾鍛。直徑被設計用來提供足夠的抗扭強度。其中最高度強調引擎組件它們是設計的一個重要安全限制以不超過材料的疲勞強度。高循環(huán)疲勞載荷以及應力集中在關鍵幾何區(qū)域的影響有時會導致裂紋萌生，盡管平均強度無法聯系到材料的疲勞極限。但是曲軸存在特定的差異見圖2將活塞的直線運動將活塞的往復圖2一個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——對重裝置）2.歷史材料和損害90HP的柴油發(fā)動機的曲軸在2500轉分時有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。對于這種鋼材公稱抗拉強度約為625兆帕，屈服強度530兆帕。硬度進行測量，在曲軸的曲柄銷等的硬度測量顯示出相似的硬

8、度。該曲軸的質量為21公斤和560毫米的長度。主軸承和連桿進行測定，發(fā)現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有斷裂。圖3顯示了兩個破損的部件（一）及（b）一個特寫，其中疲勞裂紋的表面是可見的。在正常運行3年左右后，車輛馬達失效，曲柄銷沒有。曲軸2出現震動不正常。電機被修復，其中包括在曲柄銷運行后30000公里電機再次失敗。圖3和4分別顯示了2號曲柄銷出現裂隙3結果與討論2號曲柄銷的展示一個獲得了宏觀和微觀

9、以及從內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量，從中心到外側的平均維氏硬度為以下內容：210HV（曲柄銷金屬基峰），286HV（HTZ），和HV185（添加金屬合金），極限強度約為672兆帕這是與這個典型的鍛鋼一致。在基體金