摘要：汽车发动机曲轴是发动机中重要的零部件，在运行过程中承受着气体压力、惯性力及其力矩综合作用，易发生弯曲和扭转变形。主要分析了汽车发动机曲轴在工作过程中常见的失效形式，并且重点分析了各种失效形式引起的原因，根据其原因对汽车发动机曲轴在设计、制造及使用过程中的不恰当方式进行总结，提出一些解决汽车发动机曲轴常见问题的相关措施和方法。
关键词：发动机曲轴；疲劳失效；工作过程；原因分析
1.曲轴的结构及特点
曲轴的组成部分包括：主轴颈、连杆轴颈、平衡块、前端、后端和曲柄等几大部分，具体结构如图1所示，一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数（直列式发动机）；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。
曲轴结构中的支承部分是主轴颈，它通过主轴承支承在曲轴箱中的主轴承座中。发动机气缸的数目和曲轴的支承方式决定了主轴承的数目。
曲轴结构中连接曲轴与连杆的部分是连杆轴，为了减少集中应力，通常在连接处设置成圆弧状。
曲轴结构中连接主轴颈和连杆轴颈的部分是曲柄，为了达到平衡惯性力的目的，通常将其断面设置成为椭圆形。为了让曲轴能够平稳旋转，曲柄通常铸有平衡重块，一是用它来平衡发动机的离心力矩，二是有时还用它来平衡惯性力。
曲轴结构的前端设置有驱动风扇、齿轮、皮带等结构构件，为了防止机油从轴顶漏出，多在前端设置甩油盘；曲轴结构的后端设置有飞轮，为了防止机油从后端漏出，多在后轴颈与飞轮凸缘之间设置回油螺纹或者防油凸缘。
图1
2汽车发动机曲轴的运行原理
在汽车运行使用过程中，曲轴是发动机的最关键的零件之一，在进行工作的过程中受力情况十分复杂，要同时承受弯曲、扭转及压缩等载荷作用，而且这些载荷作用往往数值较大，并且呈周期性变化，所以曲轴在运行过程中容易引起扭曲甚至断裂。曲轴在外形的设计上也比较复杂，主要是通过多个主轴颈与连接颈之间的连体进行组合的，而且这些连接体的长度及方向分布各异。由于曲轴的刚度比较弱，所以在运转过程中，每个缸之间都有一个轴承起到支撑作用。在发动机的所有零件中，曲轴是其中比较容易的受损零件之一，而且在运行过程中一旦出现损坏往往就会引起其他机件的损毁，造成严重的事故。
曲轴对于材料选取的主要要求大致要满足以下特征：足够的强度、高的冲击韧性及高度的抗疲劳强度。在进行设计、材料的选取、锻造、机械加工、热处理及以后的每个环节的运行过程中，都可能会造成曲轴的失效，所以在进行汽车加工的各个环节中，一定要严格把控质量关，针对容易出现的问题进行原因分析，并且要及时预防及时解决。
3汽车发动机曲轴常见的失效形式和失效原因
由于汽车发动机曲轴受力复杂，失效形式及失效原因多样，通过实践总结起来主要有以下几点：
3.1曲轴圆角弯曲疲劳断裂失效
根据实例统计分析，曲轴圆角弯曲疲劳断裂是曲轴出现失效的最常见原因，大约占80%。引起曲轴圆角弯曲疲劳断裂的因素有圆角淬火不当、圆角加工刀痕损伤、圆角氮化工艺不当、曲轴强度不足、圆角校直裂纹等很多原因。对于球墨铸铁曲轴，目前多采用圆角滚压强化工艺或先氮化再滚压强化的复合强化工艺。对于中碳钢曲轴，多采用碳氮共渗或感应淬火强化工艺。目前广泛采用的感应淬火的淬火范围普遍应用于圆角区域，事实已经证明这种方式能够明显地提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增压技术的发展，我们对曲轴疲劳强度的要求也会越来越高，因此对发动机圆角的强化处理已经成为必须的一个工艺过程，这样就有可能减少曲轴在服役使用过程中产生疲劳断裂。
3.2曲轴在校直过程中引起的裂纹失效
锻造碳钢材料的曲轴，在锻造和热处理等制造过程中必然产生一定的变形，我们生产过程中采用校直的方法来消除变形。校直的方法又分为冷校和热校，不管是哪一种，如果校直幅度过大，都可能导致曲轴产生校直裂纹。一般情况下如果曲轴本身存在裂纹，一般行驶5000～8000 km裂纹就会扩展引起断裂，最后的瞬断区与疲劳扩展区几乎呈现垂直的现象，断裂处面积虽小但断面粗糙，通过扫描电镜的分析，发现新月形粗糙区域擦伤严重，未见明显的疲劳特征，可以推断裂纹形成应在断口疲劳扩展之前。虽然曲轴校直开裂情况在生产中并不多见，但此类故障一旦发生，危害却非常大。对于这种失效形式，我们可以对校直后的曲轴再进行一次探伤检查，避免有裂纹的曲轴被使用。
3.3曲轴在锻造质量上出现的失效
影响曲轴锻造质量的因素很多而且很复杂，有原材料晶粒长大倾向、偏析、微观夹杂物、锻造温度等的影响因素。生产中选用制造曲轴的材料应该考虑与制造工艺相匹配，尽量避免在容易引起晶粒长大的敏感区域停留时间太长，这样才能有效地避免晶粒粗大。曲轴材料晶粒粗大，一般被认为是有较严重的组织缺陷，可能会严重损害材料的机械使用性能，尤其是在疲劳强度的影响。其他几个因素也对曲轴锻造质量有着重要的影响，整个影响过程比较复杂。生产中我们要重视曲轴锻造质量，避免容易引起曲轴锻造质量的不利因素，制造出高标准的曲轴。
3.4曲轴的弯扭复合疲劳失效
通常发动机工作过程受多种因素影响，零部件各有不同的工作特点。发动机曲轴在整个生命周期的工作过程中情况也是非常复杂，引起曲轴失效的形式也多种多样。有时仅凭断口、主轴颈和连杆轴颈表面面貌以及轴瓦等零部件的分析，难以准确地判断出具体的失效原因，但这些原因分析有助于我们对失效性质的判定，并为最终确定失效原因提供有效的依据。当曲轴受到弯曲和扭转的应力时，很容易引起弯扭复合疲劳失效，弯扭复合疲劳失效是曲轴失效的一种原因。通常对发动机曲轴因工作过程中的异常情况引起的失效进行分析，都比较困难，往往需要结合对其它相关的零部件进行分析。
4曲轴制造的新应用
随着科技发展，曲轴制造新材料、新工艺、新技术的出现和发展，使曲轴制造质量有了很大提高，提升了曲轴使用寿命，保证了汽车运行的可靠性。目前非调制曲轴和等温淬火球墨铸铁曲轴都有了很好的发展和应用。非调制钢在汽车上的开发应用开始于汽车的曲轴，目前已大量应用。成功的主要案例有：长安汽车有限公司与上海汽车锻造总厂合作采用49MnVS3制造长安汽车的发动机曲轴；东风汽车集团采用50MnV制造部分发动机曲轴。等温淬火球墨铸铁曲轴力学性能上明显优越于中碳钢和一般的合金钢，具有较高的强度和较高的耐磨性的优良特征，同时具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。制造时经过圆角滚压后，一般会发生马氏体的转变，通常能够进一步提高曲轴的抗疲劳强度，而且由于这种材料里本身有球形石墨的存在，能够使曲轴有良好的减震和消声性能，使其成为好的发动机曲轴材料。随着新技术新材料的不断发展和应用，汽车发动机曲轴将会制造出更高的质量和更强的抗压能力，这将会对未来汽车发动机行业的发展起到关键作用。
结束语
针对汽车发动机曲轴的失效形式及失效原因进行分析，由于汽车发动机曲轴本身的设计构造比较复杂，再加上加工及运行环节中的应用原理也比较复杂，所以在针对汽车发动机的曲轴应用过程中，一定要根据经验进行曲轴失效的措施应对，在保护发动机曲轴的过程中，同时保护了其他零件，进而减少了汽车事故。所以在曲轴的应用过程中，一定要做好实际的分析工作，对容易出现的状况进行调查统计，并且找出原因，从而避免汽车发动机曲轴失效带来的损失。
参考文献
[1]张帷，王晓辉，王长彭，黄文明.汽车发动机曲轴疲劳性能分析研究[J].精密成形工程，2017.
[2]叶晓琰，张军辉，蒋小平.基于ANSYS-FATIGUE的曲轴疲劳寿命计算[J].流体机械，2017.
论文作者:肖梦婕
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
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