楊　勇，施　鋼，馮文萊，萬甦偉，王曉林（廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024）

輕型客車發(fā)動機曲軸斷裂原因分析

楊勇，施鋼，馮文萊，萬甦偉，王曉林
（廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024）

輕型客車發(fā)動機曲軸在實際使用中多次發(fā)生斷裂的問題，分析其宏觀斷口形貌，采用金相顯微鏡、直讀光譜儀、萬能試驗機和顯微硬度計對其金相組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能以及結(jié)合ANSYS有限元技術(shù)對曲軸斷裂原因進行分析。結(jié)果表明:曲軸連桿頸與扇形板交接處圓弧過渡半徑過小，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，在外加載荷作用下導(dǎo)致曲軸的斷裂；同時曲軸潤滑條件差，加速了斷裂的發(fā)生。根據(jù)斷裂原因提出了曲軸質(zhì)量控制措施建議。

曲軸；斷裂；ANSYS

0　引言

曲軸是發(fā)動機引擎的主要旋轉(zhuǎn)機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下（往復(fù)）運動變成循環(huán)（旋轉(zhuǎn)）運動，因此曲軸材料必須具有足夠的強度、高的沖擊韌性和疲勞強度，一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成。曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動機的動力源，一旦曲軸發(fā)生斷裂，車輛將失去動力，無法繼續(xù)運行。

曲軸通常斷裂失效形式有以下幾種情形［1-2］:1）校直引起原始裂紋；2）圓角淬火工藝不當(dāng)，在服役過程中會引起疲勞裂紋；3）鍛造質(zhì)量問題；4）鑄造缺陷；5）加工不當(dāng)引起應(yīng)力集中；6）曲軸服役過程中的異常情況。曲軸由于其結(jié)構(gòu)及加工工藝的復(fù)雜性，在實際生產(chǎn)中，最容易忽視加工工藝不當(dāng)引起的應(yīng)力集中這一常見失效形式。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中是導(dǎo)致零件產(chǎn)生原始裂紋主要原因之一［2］。鑒于應(yīng)力的不可見性以及檢測不便，近些年來發(fā)展的ANSYS有限元分析技術(shù)，由于具有強大的多物理分析功能和強大的前后處理功能，通過有限元分析能夠獲得零件在其工作條件下高應(yīng)力集中的區(qū)域和分析數(shù)值，有助于優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)的合理性。因此，ANSYS在曲軸結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計及斷裂失效輔助分析中廣泛應(yīng)用［3-7］。

輕型客車發(fā)動機曲軸如圖1所示。該車型曲軸所用材料為QT800-2，熱處理工藝要求采用正火處理，同批次在實際運行中多次發(fā)生斷裂。分析斷裂曲軸的材質(zhì)、斷口形貌、金相組織和力學(xué)性能，并結(jié)合ANSYS有限元技術(shù)，確定其斷裂原因，提出改進措施，避免同類斷裂再次發(fā)生。

圖1曲軸Fig.1　Crankshaft

1　試驗過程和結(jié)果

1.1斷口宏觀形貌

曲軸主要是由主軸頸、連桿頸和扇形板3部分組成。將斷裂后的曲軸拼合（圖2a）可發(fā)現(xiàn)，斷裂位于曲軸連桿頸與扇形板的交接處，斷面經(jīng)過過渡圓弧根部向兩側(cè)延伸，拼合面吻合較好，沒有發(fā)生宏觀大塑性變形。斷面與扇形板側(cè)面夾角接近垂直，略有傾斜。此外，發(fā)現(xiàn)連桿頸與扇形板連接處圓弧過渡半徑遠小于設(shè)計要求R=3 mm，且與之相聯(lián)的主軸頸及圓周磨損較為嚴重，說明該曲軸加工精度達不到要求，使用中曲軸潤滑條件較差。

圖2b是斷口宏觀形貌，具有疲勞斷口特征。裂紋源區(qū)沿曲軸連桿頸與扇形板連接過渡圓弧根部分布，附近有少量的疲勞擴展區(qū)，其余幾乎都是瞬斷區(qū)［8］。裂紋源區(qū)細長，分布有多個微小臺階，表面有間斷光亮，表明曲軸連軸頸與扇形板連接處存在較大的應(yīng)力集中，同時產(chǎn)生了多個微小裂紋源，在交變載荷作用下這些微小裂紋逐漸擴展連通形成較大裂紋，同時裂紋面相互擠壓擦傷，形成表面光亮。裂紋擴展區(qū)面積較小，與裂紋源區(qū)和瞬斷區(qū)的界限不明顯，除觀察到少量表面擦傷亮點外，未觀察到明顯的擴展貝紋。最終瞬斷區(qū)表面粗糙，呈暗灰色，幾乎占據(jù)整個斷面。瞬斷區(qū)內(nèi)觀察到若干條明顯的瞬間擴展放射線，放射線呈“八”字，分別指向裂紋源區(qū)兩端附近，進一步表明此曲軸的斷裂是由多裂紋源擴展形成較大的裂紋后，瞬間發(fā)生斷裂。裂紋前沿與放射線成垂直狀態(tài)瞬間擴展至整個斷面。瞬斷區(qū)幾乎占整個斷面，表明曲軸斷裂時載荷水平較高、或材質(zhì)對裂紋較敏感或強度不足。

圖2　宏觀斷口形貌Fig.2　Macro morphography of fracture

1.2化學(xué)成分

斷口附近取樣，采用直讀光譜儀進行成分分析。斷裂曲軸的主要成分如表1所示，對比QT800-2標(biāo)準(zhǔn)成分與斷裂曲軸成分，除了C含量偏低之外，其余各成分都在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。C含量偏低導(dǎo)致韌性提高，硬度降低，但是由于相差很小，對材料的影響也就不顯著。因此，曲軸材料的化學(xué)成分基本符合技術(shù)要求。

1.3金相組織

采用4XB型金相顯微鏡分析斷口附近金相組織（圖3），其球化分級為3級，石墨大小為5級，基本組織主要為片狀珠光體，珠光體約占85%（體積分數(shù)，下同），其余為鐵素體，磷碳化物為2%，滿足QC/T 481—2005中JB 1802—1976《稀土鎂球墨鑄鐵金相標(biāo)準(zhǔn)》的要求:曲軸的基體組織為珠光體，珠光體含量大于85%；石墨球化級別不低于3級；石墨球徑大小不低于3級；磷碳化物不大于2%。結(jié)果表明，斷裂曲軸的金相顯微組織符合標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Results of chemical composition analysis （ mass fraction /％）

圖3　金相組織Fig.3　Metallography of the crankshaft

1.4力學(xué)性能

扇形板斷裂位置取樣，用HR-150型洛氏硬度計檢測硬度，WDW-3010型微控電子萬能試驗機測定拉伸性能。

曲軸斷口附近硬度測試平均值為HRC 28.3，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的HRC 24～35，硬度差小于HRC 6的要求。拉伸試驗測得抗拉強度為955 MPa，延伸率σ為4.0%，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（抗拉強度大于800 MPa，σ大于2%）。

2　曲軸結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

曲軸工作運轉(zhuǎn)時承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮等復(fù)雜載荷的作用，且這些載荷數(shù)值大，一般呈周期性變化，易引起曲軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。曲軸主軸頸、連桿頸和扇形板連接過渡部位常存在圓角過渡區(qū)，因此，圓角過渡區(qū)半徑設(shè)計不當(dāng)或加工不當(dāng)易產(chǎn)生應(yīng)力集中［1］，在交變載荷作用下會產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。

宏觀斷口分析發(fā)現(xiàn)連桿頸與扇形板連接處圓角過渡區(qū)圓角半徑比原設(shè)計要求偏小，且加工精度較差。為了進一步證明曲軸連桿頸與扇形板的交接處由于過渡圓角較小，造成應(yīng)力集中。采用三維軟件對曲軸進行建模，連桿頸與扇形板連接處分為有圓角過渡和無圓角過渡2個模型，模擬在外加載荷作用下，過渡區(qū)應(yīng)力分布情況。

將2個模型分別導(dǎo)入到ANSYS10.0有限元分析軟件進行參數(shù)設(shè)置，單元類型選擇20node186，材料QT800-2，彈性模量1.74 GPa，泊松比0.27。由于軟件無法直接加載扭矩，把扭矩轉(zhuǎn)化為力，首先對主軸頸施加所有方向的約束，之后在相反方向的連桿頸分別施加反方向10 kN的力來模擬曲軸的工作狀態(tài)，載荷及約束條件如圖4所示。

對比連桿頸與扇形板連接圓角過渡與無圓角過渡區(qū)應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖5所示。2個模型在連桿頸與扇形板的交接處都存在著應(yīng)力集中的情況，但是無圓角過渡模型的應(yīng)力比圓角過渡的模型有著顯著的區(qū)別，相差近1000倍。

3　分析與討論

通過材料成分、金相組織、力學(xué)性能等檢測表明，該斷裂曲軸材質(zhì)、熱處理工藝都符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可以斷定曲軸的斷裂與材料本身無關(guān)。

圖4　載荷及約束條件Fig.4　Load and constraint condition

圖5　曲軸應(yīng)力分布圖Fig.5　Stress distribution of the crankshaft

經(jīng)過對該曲軸宏觀斷口觀察，斷裂裂紋起源于曲軸連桿頸與扇形板交接過渡圓角處，應(yīng)力較為集中。通過ANSYS有限元對連桿頸與扇形板連接處圓角過渡和無圓角過渡進行比較，發(fā)現(xiàn)在過渡部位增加圓角過渡，可以大大減少應(yīng)力集中，進一步證實了該斷裂曲軸圓角過渡半徑未滿足設(shè)計要求，引起應(yīng)力集中，造成曲軸的斷裂。另外，從宏觀斷口形貌也可發(fā)現(xiàn)與之相聯(lián)的主軸頸磨損較為嚴重，說明該曲軸潤滑效果較差，加速了曲軸的斷裂。

4　結(jié)論

1）連桿頸與扇形板連接處圓角加工粗糙、圓弧銜接不好、過渡圓角達不到設(shè)計要求，由此引起的應(yīng)力集中是引發(fā)曲軸疲勞斷裂的首要原因。

2）曲軸潤滑條件較差，使得曲軸主軸頸及圓周磨損較為嚴重，是引發(fā)曲軸斷裂次要原因。

3）控制好曲軸連接處加工工藝是預(yù)防曲軸斷裂的關(guān)鍵因素之一，同時要提高曲軸在使用過程中的潤滑條件，減少磨損，提高曲軸使用壽命。

［1］馮繼軍，郭文芳.汽車發(fā)動機曲軸常見的失效形式及原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2006，1（2）:7-12.

［2］劉紅福，周先忠，于秋明，等.汽車發(fā)動機曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞失效形式與原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2015，10（1）:57-61.

［3］駱清國，楊良平，王旭東，等.基于有限元仿真技術(shù)的曲軸疲勞強度分析［J］.車輛與動力技術(shù)，2012（2）:51-54.

［4］郝偉.曲軸的有限元分析［J］.機械管理開發(fā)，2010，25（3）: 31-32.

［5］鄭國棟.柴油機曲軸的有限元分析［J］.機械制造與自動化，2009，38（6）:56-58.

［6］盧柳林，馮繼軍，黃文長，等.汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿失效原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2011，6（4）:253-256.

［7］劉文斌.12Cr2Ni4A傳動齒輪的實效原因分析及預(yù)防探討［J］.失效分析與預(yù)防，2015，10（1）:31-35.

［8］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005:131-136.

Failure Analysis of Light Bus Engine Crankshaft

YANG Yong，SHI Gang，F(xiàn)ENG Wen-lai，WAN Su-wei，WANG Xiao-lin
（School of Materials Science and Engineering，Xiamen University of Technology，F(xiàn)ujian Xiamen 361024，China）

Failure analysis of a light bus engine crankshaft was carried out by macro observation on fracture surface，chemical composition analysis，microstructure examination，property testing and finite-element analysis.The results show that the radius of arc transition between the neck of connecting rod and the sector plate was lower than the design requirement，increasing stress concentration，which is the main cause for the fracture of the crankshaft.In addition，bad lubrication accelerated the fracture of the crankshaft.Suggestions were made based on the study.

crankshaft；fracture；ANSYS

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.01.004

1673-6214（2016）01-0017-04

2015年11月7日

2016年1月9日

福建省教育廳基金（JA10255）

楊勇（1980年-），男，碩士，主要從事材料性能分析等方面的研究。