汽車發(fā)動機(jī)曲軸疲勞性能分析研究

　　曲軸是汽車發(fā)動機(jī)的重要零部件，無論在汽車曲軸的研發(fā)還是實(shí)際生產(chǎn)階段，都需要對汽車曲軸的疲勞性能進(jìn)行測試。在汽車發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過程中，曲軸所要承受的載荷形式為彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，所以實(shí)際案例表明，汽車曲軸的主要失效形式為彎曲疲勞破壞。另外如果發(fā)動機(jī)曲軸的輸出功率較大，所產(chǎn)生的扭矩較大，就會產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞。早期的汽車發(fā)動機(jī)曲軸所使用的材料為40Cr和42CrMo等中碳調(diào)質(zhì)鋼。然而，自從20世紀(jì)90年代末，大量的汽車曲軸開始廣泛使用非調(diào)質(zhì)鋼，尤其是對于重型汽車的發(fā)動機(jī)曲軸的生產(chǎn)，所采用的材料主要包括了48MnV和C38N2，這兩種材料與中碳調(diào)質(zhì)鋼相比，在保證強(qiáng)度相同的情況下，省略了很多調(diào)質(zhì)工序。最近幾年以來，采用球墨鑄鐵生產(chǎn)的汽車曲軸具有更好的機(jī)械加工性能和彎曲疲勞強(qiáng)度，尤其在重載發(fā)動機(jī)的使用上表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

　　汽車曲軸在設(shè)計(jì)、原材料的選擇、鍛造、機(jī)械加工以及熱處理和表面強(qiáng)化的各個(gè)環(huán)節(jié)，如果在任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤就會造成汽車曲軸的失效。某公司結(jié)合實(shí)際軸承生產(chǎn)案例，介紹和分析了汽車發(fā)動機(jī)曲軸常見的失效形式和內(nèi)在原因。

　　目前影響汽車曲軸疲勞強(qiáng)度的因素主要包括了零件軸頸處的應(yīng)力集中、尺寸、表面狀態(tài)以及環(huán)境介質(zhì)等因素。在這些因素中以應(yīng)力集中和尺寸以及表面狀態(tài)最為重要。影響曲軸應(yīng)力分布的因素主要包括了曲軸的設(shè)計(jì)形狀和材料的基本性質(zhì)?？梢酝ㄟ^改變材料的種類以及尺寸形狀來提高曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度，但是這樣一來就會大大增加材料的制造成本。在實(shí)際應(yīng)用過程中通常采用表層強(qiáng)化工藝來提高曲軸疲勞強(qiáng)度，汽車曲軸在變載荷的作用下，由于曲軸軸頸處的形狀發(fā)生突變，所以最大應(yīng)力應(yīng)該會出現(xiàn)在軸頸圓角附近的一個(gè)范圍內(nèi)。研究結(jié)果表明：

　?。?）汽車曲軸疲勞實(shí)驗(yàn)在循環(huán)基數(shù)為1×107次下，彎矩的疲勞極限607.5Nm；曲軸軸頸的中部所受到的疲勞極限壓力為96.7MPa，曲軸應(yīng)力集中系數(shù)為6.72，疲勞實(shí)驗(yàn)過程中存活率為99%時(shí)的安全系數(shù)為1.31。

　?。?）從40Cr曲軸軸頸處的金相組織和裂紋斷口的SEM組織分析可知，40Cr調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織為回火索氏體+鐵素體+少數(shù)貝氏體，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。斷口分析可知，該40Cr曲軸斷口為典型的韌窩和臺階混合斷裂，并無明顯的夾雜物。

　?。?）從材料化學(xué)成分和拉伸性能以及軸頸表面硬化層分析可知，曲軸疲勞斷裂的原因可以排除以上因素的影響。

　　（4）曲軸的鉆油孔在軸頸內(nèi)壁造成的應(yīng)力集中，比較容易產(chǎn)生缺陷；曲軸軸頸在交變應(yīng)力的作用下很容易產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致曲軸的早期斷裂。