轻型客车发动机曲轴断裂原因分析
2016-10-13 来源：厦门理工学院 材料科学与工程学院 作者：杨勇， 施钢， 冯文莱， 万甦伟，
引言
曲轴是发动机引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复） 运动变成循环（旋转）运动，因此曲轴材料必须具有足够的强度、高的冲击韧性和疲劳强度，一般采用碳素结构钢或球墨铸铁制成。 曲轴的旋转是发动机的动力源，一旦曲轴发生断裂，车辆将失去动力，无法继续运行。
曲轴通常断裂失效形式有以下几种情形 [1-2] ：1）校直引起原始纹;2）圆角淬火工艺不当，在服役过程中会引起疲劳裂纹;3）锻造质量问题;4）铸造缺陷;5）加工不当引起应力集中;6）曲轴服役过程中的异常情况。 曲轴由于其结构及加工工艺的复杂性，在实际生产中，最容易忽视加工工艺不当引起的应力集中这一常见失效形式。研究发现应力集中是导致零件产生原始裂纹主要
原因之一 [2] 。 鉴于应力的不可见性以及检测不便，近些年来发展的 ANSYS 有限元分析技术，由于具有强大的多物理分析功能和强大的前后处理功能，通过有限元分析能够获得零件在其工作条件下高应力集中的区域和分析数值，有助于优化产品结构设计，提高结构的合理性。 因此，ANSYS在曲轴结构辅助设计及断裂失效辅助分析中广泛应用 [3-7] 。
轻型客车发动机曲轴如图 1 所示。 该车型曲轴所用材料为 QT800 -2，热处理工艺要求采用正火处理，同批次在实际运行中多次发生断裂。 分析断裂曲轴的材质、断口形貌、金相组织和力学性能，并结合 ANSYS 有限元技术，确定其断裂原因，提出改进措施，避免同类断裂再次发生。
1 试验过程和结果
1.1 断口宏观形貌
曲轴主要是由主轴颈、连杆颈和扇形板 3 部分组成。 将断裂后的曲轴拼合（图 2a）可发现，断裂位于曲轴连杆颈与扇形板的交接处，断面经过过渡圆弧根部向两侧延伸，拼合面吻合较好，没有发生宏观大塑性变形。 断面与扇形板侧面夹角接近垂直，略有倾斜。 此外，发现连杆颈与扇形板连接处圆弧过渡半径远小于设计要求 R = 3 mm，且与之相联的主轴颈及圆周磨损较为严重，说明该曲轴加工精度达不到要求，使用中曲轴润滑条件较差。
图 2b 是断口宏观形貌，具有疲劳断口特征。裂纹源区沿曲轴连杆颈与扇形板连接过渡圆弧根部分布，附近有少量的疲劳扩展区，其余几乎都是瞬断区 [8] 。 裂纹源区细长，分布有多个微小台阶，表面有间断光亮，表明曲轴连轴颈与扇形板连接处存在较大的应力集中，同时产生了多个微小裂纹源，在交变载荷作用下这些微小裂纹逐渐扩展连通形成较大裂纹，同时裂纹面相互挤压擦伤，形成表面光亮。 裂纹扩展区面积较小，与裂纹源区和瞬断区的界限不明显，除观察到少量表面擦伤亮点外，未观察到明显的扩展贝纹。 最终瞬断区表面粗糙，呈暗灰色，几乎占据整个断面。 瞬断区内观察到若干条明显的瞬间扩展放射线，放射线呈“八”字，分别指向裂纹源区两端附近，进一步表明此曲轴的断裂是由多裂纹源扩展形成较大的裂纹后，瞬间发生断裂。 裂纹前沿与放射线成垂直状态瞬间扩展至整个断面。 瞬断区几乎占整个断面，表明曲轴断裂时载荷水平较高、或材质对裂纹较敏感或强度不足。
1.2 化学成分
断口附近取样，采用直读光谱仪进行成分分析。 断裂曲轴的主要成分如表 1 所示， 对比QT800 -2 标准成分与断裂曲轴成分，除了 C 含量偏低之外，其余各成分都在标准的范围内。 C 含量偏低导致韧性提高，硬度降低，但是由于相差很小，对材料的影响也就不显著。 因此，曲轴材料的化学成分基本符合技术要求。
1.3 金相组织
采用 4XB 型金相显微镜分析断口附近金相组织（图 3），其球化分级为 3 级，石墨大小为 5级，基本组织主要为片状珠光体，珠光体约占85%（体积分数，下同），其余为铁素体，磷碳化物为 2%，满足 QC/ T 481—2005 中 JB 1802—1976《稀土镁球墨铸铁金相标准》的要求：曲轴的基体组织为珠光体，珠光体含量大于 85%;石墨球化级别不低于 3 级;石墨球径大小不低于 3 级;磷碳化物不大于 2%。 结果表明，断裂曲轴的金相显微组织符合标准及设计要求。
表 1 化学成分分析结果 (质量分数 / %)
图 3 金相组织
1.4 力学性能
扇形板断裂位置取样，用 HR -150 型洛氏硬度计检测硬度，WDW - 3010 型微控电子万能试验机测定拉伸性能。曲轴断口附近硬度测试平均值为 HRC28. 3，满足国家标准要求的 HRC 24 35，硬度差小于HRC 6 的要求.拉伸试验测得抗拉强度为 955MPa，延伸率 σ为4.0%，满足技术标准（抗拉强度大于 800 MPa，σ大于2%）。
2曲轴结构有限元仿真分析
曲轴工作运转时承受弯曲、扭转和压缩等复杂载荷的作用，且这些载荷数值大，一般呈周期性变化，易引起曲轴的扭转和弯曲变形。 曲轴主轴颈、连杆颈和扇形板连接过渡部位常存在圆角过渡区，因此，圆角过渡区半径设计不当或加工不当易产生应力集中 [1] ，在交变载荷作用下会产生裂纹，最终导致断裂。
宏观断口分析发现连杆颈与扇形板连接处圆角过渡区圆角半径比原设计要求偏小，且加工精度较差。为了进一步证明曲轴连杆颈与扇形板的交接处由于过渡圆角较小，造成应力集中。采用三维软件对曲轴进行建模，连杆颈与扇形板连接处分为有圆角过渡和无圆角过渡2个模型，模拟在外加载荷作用下，过渡区应力分布情况。
将2个模型分别导入到 ANSYS10.0有限元分析软件进行参数设置，单元类型选择20node186，材料 QT800-2，弹性模量1.74 GPa，泊松比0.27。由于软件无法直接加载扭矩,把扭矩转化为力，首先对主轴颈施加所有方向的约束，之后在相反方向的连杆颈分别施加反方向 10 kN的力来模拟曲轴的工作状态，载荷及约束条件如图4所示。
对比连杆颈与扇形板连接圆角过渡与无圆角过渡区应力分布模拟结果如图 5 所示。2个模型在连杆颈与扇形板的交接处都存在着应力集中的情况，但是无圆角过渡模型的应力比圆角过渡的模型有着显著的区别，相差近 1000 倍。
3 分析与讨论
通过材料成分、金相组织、力学性能等检测表明，该断裂曲轴材质、热处理工艺都符合国家标准，可以断定曲轴的断裂与材料本身无关。
图 4 载荷及约束条件
图 5 曲轴应力分布图
经过对该曲轴宏观断口观察，断裂裂纹起源于曲轴连杆颈与扇形板交接过渡圆角处，应力较为集中。 通过 ANSYS 有限元对连杆颈与扇形板连接处圆角过渡和无圆角过渡进行比较，发现在过渡部位增加圆角过渡，可以大大减少应力集中，进一步证实了该断裂曲轴圆角过渡半径未满足设计要求，引起应力集中，造成曲轴的断裂。 另外，从宏观断口形貌也可发现与之相联的主轴颈磨损较为严重，说明该曲轴润滑效果较差，加速了曲轴的断裂。
4结论
1） 连杆颈与扇形板连接处圆角加工粗糙、圆弧衔接不好、过渡圆角达不到设计要求，由此引起的应力集中是引发曲轴疲劳断裂的首要原因。
2） 曲轴润滑条件较差，使得曲轴主轴颈及圆周磨损较为严重，是引发曲轴断裂次要原因。
3）控制好曲轴连接处加工工艺是预防曲轴断裂的关键因素之一，同时要提高曲轴在使用过程中的润滑条件，减少磨损，提高曲轴使用寿命。
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