文獻(xiàn)翻譯汽車曲軸失效分析

1、汽車曲軸失效分析F.S.Silva 米尼奧大學(xué)汽車工程系2003年1月16日摘要本文對兩個失效的曲軸做了調(diào)查，它們是運行三十萬公里之后失效的柴油廂式貨車曲軸。在每根曲軸上，都有一些曲軸軸頸發(fā)生了損壞。經(jīng)過研磨，再將曲軸裝回廂式貨車運行大約一千公里之后，曲軸軸頸再次發(fā)生了損壞。然后再次將曲軸送回調(diào)查。不同的實驗室進(jìn)行測試，以發(fā)現(xiàn)可能已損壞的原因。對不同的典型的曲軸故障進(jìn)行了評估，將在本文中進(jìn)行討論。對于每個曲軸，軸頸損壞的原因被認(rèn)為是在一個錯誤的磨削過程中，熱疲勞裂紋將起源于小的軸頸的中心。這些幾乎看不見的裂縫，有鋒利的邊緣，是作為曲軸軸承和軸頸本身破壞的源頭。關(guān)鍵詞：磨削；熱疲勞；軸承失效；發(fā)

2、動機(jī)失效；曲軸1. 介紹在一般的曲軸故障，特別是曲軸的失效，可能是由幾個原因1,2。機(jī)械疲勞破壞是曲軸的失敗最常見的原因3,4。機(jī)械疲勞失效可能有一些來源，如軸的失調(diào)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)彎曲振動，或由于一些與主軸承的問題產(chǎn)生扭振，甚至由于一個不正確的尺寸引起的高應(yīng)力集中（在過渡圓角處）。在特殊情況下，當(dāng)曲軸送到地面，再組裝后，產(chǎn)品只有幾公里的運行，就出現(xiàn)一個或多個軸頸再次失敗，原因是一般歸因于組件的組裝或在最初幾公里的發(fā)動機(jī)不正確的使用。在特殊情況下，當(dāng)曲軸送到地面，再組裝后，產(chǎn)品只有幾公里的運行，就出現(xiàn)一個或多個軸頸再次失敗，原因是一般歸因于組件的組裝或在最初幾公里的發(fā)動機(jī)不正確的使用。在這種情況下，

3、失效的原因既不是主軸承的不正確安裝，也不是由于在使用過程中的不合適潤滑。最終的原因要歸咎于曲軸修理廠商。一般來講，導(dǎo)致?lián)p壞的原因有：曲軸的未對中，或是軸頸的不正確研磨，曲軸的直線度誤差，或是不合適的表面處理，當(dāng)需要修復(fù)軸頸時候的不正確焊接。在這項工作中所描述的情況下，這是不必要的改造或焊接軸頸。而僅僅需要研磨作業(yè)。在曲軸損壞所有出現(xiàn)的問題中，經(jīng)常會出現(xiàn)的問題是：破壞的原因是什么，什么可能導(dǎo)致類似的故障？基于對損壞的部件，本文的分析將試圖回答上述問題。2.方法確定曲軸故障的原因，用如下的方法：（1）通過問題的報告；（2）視覺分析；（3）基于典型失效的問題，分析原因可能的解釋；（4）通過實驗分析在

4、分析各項原因，并且基于實驗室的分析研究之后，得出結(jié)論。3. 問題報告汽車修理店收到一個廂式柴油車曲軸的問題。兩個曲軸軸頸被損壞。曲軸被送到在曲軸修理店修理。在修復(fù)后的曲軸在汽車修理廠裝配之后。這輛車是正常工作的，但約1000公里的軸頸再次被損壞。幾個月后，另一個柴油車，有損壞的曲軸帶鋸齒的軸頸，被送去同一曲軸修理店修理。這第二次的曲軸發(fā)生同樣的事情，即修復(fù)后，它只工作了約1000公里。兩個曲軸修復(fù)在同一曲軸修理店，在幾公里的使用后都出現(xiàn)了問題，汽車修理店認(rèn)為有一些與修復(fù)過程中的問題。另一方面，曲軸修理店說他們在修復(fù)曲軸有數(shù)十年的實踐經(jīng)驗，問題可能是對零件的裝配或使用不當(dāng)（例如無油）。因此，汽車

5、修理店向大學(xué)機(jī)械工程部準(zhǔn)備評估曲軸損壞的原因是什么，做一個技術(shù)報告。如圖1和圖2：對曲軸1，4軸頸損壞得很嚴(yán)重，如圖3所示的細(xì)節(jié)。涂有白色油漆的裂縫是明顯的。分析表明，一些裂縫（圖4），用肉眼不容易看見的在曲軸1的軸頸1（不是鋸齒狀）。這些裂縫是在該軸頸的表面和分散在整個該軸頸的圓周，與曲軸的軸線對稱。曲軸2的軸頸2是嚴(yán)重?fù)p壞（圖5）。一些小的裂縫可以觀察到，在軸頸的中心，與曲軸的軸線對稱。在同一曲軸軸頸4（圖6）一些小裂縫也可用放大鏡可見。這些裂縫是在該軸頸的中心帶和分散沿圓周的軸頸，但平行于曲軸軸線。裂紋的附近可以看到粗糙的表面，軸頸也開始成為鋸齒狀的。一個裂縫的細(xì)節(jié)圖7和8，分別為曲軸1

6、的軸頸1和曲軸2的軸頸4。很明顯，有裂縫，肉眼幾乎看不見，但容易被一些非破壞性的測試方法檢測到，如磁粉檢測。在視覺和微觀分析，軸頸的損壞的一些解釋是可接受的，將會繼續(xù)分析。4. 可能的解釋/汽車曲軸的典型故障曲軸軸頸的分析可以分為以下三個方面：（1） 操作原因（2） 制造原因（3） 維修原因圖1圖2圖3 圖1曲軸4主軸頸細(xì)節(jié)圖第一項（包括操作原因）：1.無油；2.潤滑油有不良物；3.高的工作油的溫度；4. 發(fā)動機(jī)的使用不當(dāng)（超過轉(zhuǎn)速）。圖4 曲軸1第1主軸頸圖5 曲軸2第2主軸頸第二項（包括機(jī)械源）：5.曲軸的裝配誤差；6.不當(dāng)?shù)妮S承（錯誤的大?。?.在期刊和軸承之間的間隙不控制；8.曲軸的

7、振動。最后，在第三項（包括修復(fù)的來源）：9.期刊的失調(diào)（由于磨削不當(dāng)）；10.曲軸的失調(diào)（由于曲軸的定位不當(dāng)）；11.高應(yīng)力集中（由于磨削不當(dāng)在期刊雙方半徑）；12.高的表面粗糙度（由于磨削不當(dāng)，產(chǎn)生磨損）；13.焊接不當(dāng)或氮化；14.矯直；15.磨削缺陷。圖6.曲軸2第4主軸頸細(xì)節(jié)圖圖 7.曲軸1第1主軸頸細(xì)節(jié)圖8.曲軸2第4主軸頸細(xì)節(jié)4.1 操作源操作源如油或潤滑不良的軸頸不足以損害軸頸。然而，軸承和軸頸之間的接觸將從根本上使得軸頸的表面變得粗糙。接觸熱應(yīng)力最終也會促進(jìn)現(xiàn)有的裂紋擴(kuò)展，如圖3所示，但不是核心裂紋。在曲軸軸承1和軸頸1（圖4）之間沒有直接接觸，但也存在一些小的裂縫。因此，軸承

8、與軸之間裂紋發(fā)展的原因不是由于主軸承與軸頸的接觸。另一個操作源是高的油溫度。如果是這樣的話，潤滑油將在極限溫度以下工作，即有可能存在的曲軸和軸承之間的接觸。然而，正如以前得出結(jié)論，小裂紋，不是一個表面之間的接觸的后果。發(fā)動機(jī)的使用不當(dāng)（超過轉(zhuǎn)速）可以包括在前一點，因為其后果會是軸頸和軸承之間的接觸。4.2 制造原因由于不當(dāng)?shù)男迯?fù)，導(dǎo)致在裝配曲軸錯位，不當(dāng)伸直曲柄，或磨損的軸承在曲軸產(chǎn)生彎矩和高應(yīng)力。這也是振動的影響。然而這些高應(yīng)力可能是機(jī)械疲勞裂紋在曲軸的薄弱點，即在應(yīng)力集中。裂縫會在那些薄弱環(huán)節(jié)發(fā)展,最終導(dǎo)致曲軸的失效。圖9顯示由于機(jī)械疲勞一火車曲軸失效的一個例子?？梢钥闯隽鸭y沿著曲軸不光滑

9、過度圓角處發(fā)展。在圖1和圖2的曲軸裂紋表面觀察到，由于應(yīng)力的原因并不是主要的。因此，第二個結(jié)論可以得出，在曲軸1和2中觀察到的裂紋不是這種機(jī)械疲勞裂紋。另一個原因可能是軸承和軸頸的非對稱接觸。然而，在以前的操作源的討論得出的結(jié)論是，裂縫產(chǎn)生在不接觸的表面。這個結(jié)論也消除了不正確的或甚至存在不受控制的在軸頸和軸承之間的縫隙而導(dǎo)致失效的可能性。盡管以前的結(jié)論，測量直線度是由曲軸1進(jìn)行的。曲軸放在V形塊，和一個分辨率1毫米的撥片放在曲軸中心，測量方式做了一個改進(jìn)（圖10）。結(jié)果是135毫米。這一結(jié)果，根據(jù)發(fā)動機(jī)裝配手冊 6 是可以接受的。極限是150毫米。因此，可以得出結(jié)論，曲軸1是直的。圖9 火車

10、曲軸失效 （a）曲軸的一部分（b）應(yīng)力集中部位的曲軸疲勞破壞4.3 維修原因由先前的解釋可以說明修復(fù)源9，10，和11。13項是由于考慮不必要焊接或氮化曲軸。高的表面粗糙度也會產(chǎn)生表面之間的接觸（滑動軸承），也不可以對裂縫的原因作為解釋。一些曲軸維修廠，為了曲軸有良好的直線度，用錘或壓力機(jī)彎曲軸 5 。這兩種方法都會導(dǎo)致彎曲曲軸甚至斷裂。如果由于彎曲導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的，也會出現(xiàn)在應(yīng)力集中。這不是對裂縫在軸頸的表面產(chǎn)生的情況（在機(jī)械源項的解釋）。軸頸的破壞另一個可能的解釋是一種滲氮層缺失。軸頸的直徑測量表明，在磨削加工中去除了直徑為0.25毫米的材料。根據(jù)發(fā)動機(jī)裝配手冊 6 的限制，直徑1毫米。羅克

11、韋爾硬度測量結(jié)果表明，存在一個滲氮層。得出了在軸頸是60 HRC，根據(jù)手冊 6 ，最低的是52 HRC。最后，項目15的磨削過程。這是能夠產(chǎn)生這種裂縫的原因么，作為這項工作的作者認(rèn)為，裂縫產(chǎn)生是由于熱疲勞，我們將會做關(guān)于這個項目的一些進(jìn)一步的考慮。圖10.直線度測量 1 撥片 2軸頸圖11.磨削加工方案4.4 磨削過程在圖11說明磨削基本過程。曲軸的低速旋轉(zhuǎn)和砂輪的高速的旋轉(zhuǎn)。某些磨削過程中的功能，可能會導(dǎo)致一些小裂紋，正如在工作中觀察到的。這些特點如下。l 過深的切削 如果在開始幾個旋轉(zhuǎn)期間有過大的切削深度的材料可能燒結(jié)。在有些情況下，材料的表面甚至改變顏色，變成藍(lán)色的 7 。這是常見的，在

12、磨削過程結(jié)束，軸頸看起來似乎正常，是因為在最后一圈，操作者正常的切削深度，藍(lán)色（燒傷）消失。這常常發(fā)生在曲軸修理廠。這種“燃燒”可能會導(dǎo)致的小裂紋 7 不會因為最后的切削消失。一個重要的特征，同時發(fā)生時，熱處在砂輪和軸頸之間的接觸面，熱膨脹的金剛石修整工具。因此，切削過度的深度變得更大更有害。l 潤滑不良這是另一個熱源在軸頸表面。 7,8 冷卻液的類型和數(shù)量是非常在磨削加工過程中重要的，為了防止燃燒表面軸頸。有缺陷的潤滑劑引起的小裂縫。l 砂輪的修整砂輪必須休整時。如果該操作沒有被關(guān)注，砂輪有可能成為“粘合”，這種效果會產(chǎn)生較差的切削性能和較高的生成熱在接觸面 8,9 。二次發(fā)熱可能產(chǎn)生小裂縫

13、。在三個方面的影響可能產(chǎn)生過多的熱，在軸頸和砂輪表面，問題是，熱如何產(chǎn)生小裂縫，裂縫會是什么樣子？由于熱應(yīng)力的擴(kuò)張，工件內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度。如果這種溫度梯度是重復(fù)了好幾次，例如一個區(qū)域被加熱，然后冷卻，加熱，然后冷卻，等等，這些應(yīng)力集中的位置，將會出現(xiàn)二次熱疲勞。經(jīng)過幾十或幾百個周期，小熱疲勞裂紋的出現(xiàn)在這些應(yīng)力集中的地區(qū)。這正是在研磨過程中發(fā)生的。每一次的軸頸與砂輪的高熱區(qū)接觸。在旋轉(zhuǎn)的其他時候，即是冷卻時間。這意味著，該軸頸表面各部分（如圖12所示）在熱梯度下，或壓力梯度下，將是重復(fù)的。圖12.磨削熱的的產(chǎn)生圖解。（一）軸頸和砂輪的接觸過程中，軸頸表面溫度和壓應(yīng)力的發(fā)展；（b）在其余的旋轉(zhuǎn)過程

14、中，相同的表面冷卻和拉應(yīng)力的發(fā)展。當(dāng)表面加熱，壓應(yīng)力發(fā)生在該表面位置在圖12（b），當(dāng)同一表面冷卻時，拉應(yīng)力出現(xiàn)在同一位置B表面圖12（a）。因此，疲勞小裂紋，如圖13所示，將在軸頸表面發(fā)展。這也解釋了裂縫的方位。熱疲勞裂紋的發(fā)展與熱梯度平行。如圖48，裂紋平行于熱梯度。另一個重要特征是，熱疲勞裂紋可能很長，但一個小的深度。機(jī)械疲勞裂紋的發(fā)展，在圖9中可以看到（B），在曲軸應(yīng)力集中大約是半圓形的。因此，如果在曲軸上產(chǎn)生的是機(jī)械疲勞裂紋圖4-8，其深度可能會導(dǎo)致曲軸斷裂。因此如果它們是熱疲勞裂紋，它們可以很長但是曲軸不會斷裂。這種熱疲勞裂紋現(xiàn)象的一個例子是，它發(fā)生在盤式制動器。圖14顯示了一個損

15、壞的盤式制動器。疲勞裂紋長，深度小，且位置平行于熱前（由剎車片造成的）。埃斯科巴 10 ，在他的碩士論文，在兩個凸輪軸裂片發(fā)現(xiàn)有裂縫。經(jīng)過廣泛的檢查他得出結(jié)論，熱疲勞裂紋的裂紋是由于不當(dāng)?shù)哪ハ鬟^程。對這些裂縫的觀察表明，他們是小的裂縫，深度小，都在平行砂輪方向。 圖13.熱疲勞裂紋方面圖14.（a) 剎車盤（b）剎車盤上的熱疲勞裂紋的的發(fā)展從這些磨削過程中，它似乎很清楚，這些裂縫在軸頸上發(fā)展；表面是熱疲勞裂紋（圖48）。只有在裂縫圖3所示中，裂紋是從表面的接觸中發(fā)展起來的（軸頸軸承）。看來，這些裂縫在表面的接觸過程中發(fā)展，但從現(xiàn)有的小型熱疲勞裂紋可以看出，這些裂紋由于熱應(yīng)力和傳播在形核從磨削過

16、程中產(chǎn)生的熱疲勞。以類似的方式，埃斯科巴 10 發(fā)現(xiàn)在凸輪軸的一些其他裂縫，裂紋不是由于磨削過程。他認(rèn)為，這些裂縫是由磨削過程作為開始，但由于滾子與凸輪軸的接觸應(yīng)力傳播而發(fā)展。毫無疑問，破壞軸承的曲軸軸頸是由那些小的熱疲勞裂紋而不應(yīng)該歸因于操作源或機(jī)械源。一方面，必須說明的是，這些曲軸是鍛造而成的。人們也許會問，這些裂縫可以在鑄造過程中的發(fā)展。一方面這些曲軸不是通過鑄造獲得的，而在另一方面，由于的鑄造后的殘余應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋不在曲軸的這些位置也不是那樣形狀。作為最后的評論應(yīng)該說，如果曲軸修理廠會有非破壞性測試方法如磁粉檢測，磨削過程中的不當(dāng)使用是可以克服的。5. 結(jié)論論文的主要結(jié)論如下：l 軸頸

17、的損傷起源于軸頸表面的小裂紋；l 小裂紋的產(chǎn)生是由于磨削過程中的熱疲勞；這種過熱可以通過削減過度的深度避免的，或由避免砂輪的修整，或由研磨操作導(dǎo)致的潤滑不良。6. 未引用圖圖10在論文中沒有應(yīng)用到。致謝感謝汽車曲軸修理廠商讓這一消息得以發(fā)布。參考文獻(xiàn)1 Berndt F, van Bennekom A. Pump shaft failuresa compendium of case studies. Engineering Failure Analysis 2001;8:13544.2 Carley L. Crankshaft bearings. Larry Carley copyright

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