發動機曲軸的斷裂失效分析

張立平，張學強

斷裂是發動機曲軸在運行過程中的主要失效形式，且疲勞斷裂居首位，占失效實例約60%，給企業生產和經營造成巨大浪費和損失，那么曲軸斷裂失效分析特別重要，可以防止同類失效現象的重復發生，為改進設計及加工工藝提供依據，消除隱患確保產品安全可靠等，同時也是企業節能增效的有利途徑。

一、曲軸斷裂簡介

曲軸作為發動機核心零件之一，由于加工基準在曲軸中心孔和主軸頸間經常轉換，產生基準不重合誤差，再加上各軸頸加工精度高和軸類零件加工過程中剛度差的特點，是發動機本體五大件中加工質量最難保證的零件。同時，曲軸又是把燃燒氣體推動活塞進行直線運動轉變成回轉運動的橋梁，曲軸的旋轉運動是整車或發動機的動力源，因此曲軸的壽命是發動機考核的關鍵指標之一。由于曲軸在工作中承受交變載荷，主軸頸和連桿頸圓角過渡處屬于曲軸強度的薄弱環節，長期的高速旋轉和較大的交變負荷應力將造成曲軸圓角處產生裂紋或斷裂。軸頸圓角處、軸頸表面如有缺陷，將成為裂紋源，易造成曲軸的早期非疲勞斷裂。裂紋源一般位于連桿軸頸R角處，沿著約45°方向往曲柄梢擴展，最后斷裂，包括裂紋源、裂紋擴展、斷裂三階段。如圖1、圖2所示。

曲軸的斷裂大多是突然發生，易引起人員的傷亡和機器的損壞，造成的損失非常巨大，是曲軸生產廠家生產經營中特別關注的課題。

二、曲軸斷裂分析

曲軸斷裂的原因主要有以下幾種情況。

1.機加工不符合要求

（1）曲軸制造質量不好，加工粗糙，材質不佳，達不到設計要求。

（2）各缸工作不平衡，活塞連桿組重量偏差過大，引起曲軸受力不均而導致斷裂。

（3）冷校直也是曲軸斷裂的一個原因。因為校直是塑性變形，會產生微裂紋，大大降低了曲軸的強度，因而在交變載荷的作用下，會導致曲軸斷裂。

（4）各道主軸承中心線不同心，使曲軸受交變壓力的作用，導致曲軸斷裂。造成主軸承不同心的原因，除了缸體熱處理過程中自然時效機體本身變形引起的以外，往往還由于維修裝配或刮瓦時主軸承不同心引起。

圖1 斷軸

圖2 曲軸斷裂示意

（5）曲軸軸心線偏移使飛輪偏擺，在慣性力的作用下，也易使曲軸產生疲勞斷裂。按要求飛輪擺差不能超過0.8mm。

（6）曲軸與飛輪的錐孔配合不符合技術要求。若兩者之間貼合不是面接觸而形成線接觸，則發動機工作時，飛輪就會松動，造成曲軸與飛輪之間的沖擊，此時飛輪受到兩個方向的沖擊，將易使曲軸鍵槽兩側面很快出現裂紋，如繼續使用，裂紋逐漸擴大，必將導致曲軸斷裂。這種情況一般在單缸機中多見。

2.裝配問題

（1）軸承裝配間隙過大或合金層脫落，引起沖擊載荷增大。當曲軸轉動之后產生甩動現象，或機器發生飛車、搗缸、頂氣門等，造成曲軸過度受力，也可導致曲軸斷裂。

（2）曲軸換裝了不符合要求的平衡塊，或安裝時錯位以及曲軸磨修時采用偏心法，使曲軸半徑超差，破壞了原來的平衡，曲軸產生較大的慣性力，使曲軸疲勞而斷裂。

（3）在裝配軸承時，各曲軸主軸承緊度不一，使曲軸軸頸受力不均而造成曲軸斷裂。

（4）曲軸軸向間隙過大，運轉時前后竄動，在柴油機負荷工作時，曲軸臂受到端面的附加反擊力，使應力集中而加速斷裂。

3.使用不當

（1）運行中發生飛車、燒瓦、抱軸、瓦蓋斷裂、活塞頂氣門等事故，導致曲軸斷裂。

（2）飛輪聯接螺栓松動，運轉時曲軸發生抖動而失去平衡，產生較大的慣性力，使曲軸疲勞，極易在其尾端斷裂。

（3）發動機潤滑油道不暢通，使曲軸與軸瓦長時間處于干摩擦狀態，導致曲軸斷裂。

（4）軸頸磨損超過使用極限，或表面裂紋劃痕太深，導致斷裂。

（5）長期處于各缸供油量不均的情況下運轉，因而各缸爆發力的大小也不一致，從而使曲軸各軸頸受力不均，時間長了也可能引起曲軸斷裂。

（6）在曲軸修整過程中，對曲軸主軸頸與連桿軸頸的圓角加工不夠重視，修理后的圓角往往是幾何尺寸及表面粗糙度不符合技術要求，則易使曲軸圓角處產生較大的應力集中，尤其是曲軸軸頸經幾次磨修后，軸頸尺寸相應減小，更易斷裂。

（7）曲軸彎扭變形超差，使不平衡量大大超過允許值，由此引起的不平衡離心力，將導致軸承超載，并使發動機產生強烈的振動，使曲軸斷裂。

（8）供油時間過早，在活塞未達到止點前，柴油便燃燒，使曲軸受到過大的沖擊載荷，由于機車長時間在此情況下作業，使曲軸疲勞而產生斷裂。

（9）操作不當。如拖拉機起步過猛或長期超負荷工作，曲軸受到過大的轉矩作用，或過大的沖擊載荷，導致曲軸斷裂。另外，由于操作不熟練，工作中油門控制不好，忽大忽小使發動機運轉不平衡，曲軸受到較大的沖擊載荷，長期在這種情況下工作，造成曲軸斷裂。

（10）在使用中，不踏離合器踏板而猛烈緊急制動造成曲軸斷裂。

三、斷裂預防措施

1.保證機加工技術要求和使用中的合理性

（1）首先保證材質符合技術要求，以避免曲軸在運行中所承載的載荷遠遠超過曲軸本身的疲勞極限而引起過載斷裂。

（2）軸頸尺寸、圓角、表面粗糙度、動平衡等機加工全尺寸，必須保證滿足技術要求。

（3）在安裝曲軸之前對其主要技術要求（如曲軸的連桿軸頸圓角、曲軸半徑、曲軸飛輪組件的動平衡等）進行嚴格的檢驗，應符合標準規定。

（4）曲軸與飛輪的錐孔的配合應符合技術要求，兩者之間的貼合面在75%以上，以避免貼合面過小引起飛輪松動，造成曲軸與飛輪之間的沖擊。

（5）各缸供油量（或點火）應均勻，并使供油提前或點火時間符合技術要求。

（6）曲軸軸頸與軸瓦的間隙，應符合技術要求。間隙配合是為更好的轉動和潤滑，過渡配合和過盈配合都有可能使得軸與軸套之間摩擦因數過高和潤滑油不能進入工作面。

（7）按規定的順序和擰緊力矩緊固飛輪與曲軸的聯接螺栓，并加以鎖緊，以防松動。

（8）避免發動機在超負荷條件下工作，并防止突爆的發生；機車重載時，應平穩起步，不可抬腳過快，遇到障礙物時，不要加大油門猛松離合器硬沖；機車行駛中，一般應先踏離合器脫檔后再制動停車；正確控制油門，切勿忽大忽小。

（9）保持發動機潤滑系統油路暢通，潤滑油充足。使潤滑良好，以避免造成軸瓦與軸頸發生干摩擦。

（10）發動機大修時，應對曲軸進行磁粉無損檢測，也可用浸油敲擊法、錘擊法，當軸頸表面有徑向裂紋，或有較深的延至主軸肩圓角的軸向裂紋時，不易修復使用，應立即更換曲軸。

2.改善曲軸的疲勞性能

改善曲軸的疲勞性能，是降低曲軸斷裂的關鍵，圓角滾壓是曲軸強化的非常有效的措施，同時它也是提升企業競爭力的核心技術。

通過采用各種強化方法提高材料的強度，尤其是表面強度，在軸頸R角表面形成殘余壓應力，可使疲勞強度顯著提高。此外，修復曲軸上各種能引起應力集中的缺陷、刀痕、尖角、截面突變等造成的質量問題，從而提高曲軸的抗疲勞能力，

像圓角滾壓強化、軟氮化強化、感應淬火圓角滾壓強化等復合強化工藝是最有效的強化手段，既提高了曲軸的疲勞強度，又改善了曲軸表面的耐磨性。僅就圓角滾壓來說，能使曲軸產生表面壓應力，提高表面硬度，改善表面粗糙度，結果提高整體的疲勞強度。現在各發動機曲軸生產廠家常用的是圓角沉割滾壓強化，提高疲勞強度約80%以上，大幅度降低斷軸率。

沉割滾壓原理：在曲軸圓角處加工沉割槽，使用滾壓技術，滾壓輪在接觸壓力下沿著溝槽圓周方向移動，據金屬變形理論，零件表面在外力作用下，被滾壓金屬的原子間距離會暫時減小或晶粒間產生滑動，當外力達到一定數值時，被加工表面金屬除產生彈性變形外，還形成塑性變形。因塑性變形的產生，使零件加工表面的形狀、組織結構和物理性能都發生變化，在圓角表層內產生一定殘余壓應力，使金屬表面得到強化，提高了零件表層冷作硬化硬度，壓平了微觀不平度，降低了零件的表面粗糙值，被滾壓金屬表面的抗拉強度、屈服強度和疲勞強度都有提高。

滾壓效果與曲軸設計尺寸、材料強度、滾輪尺寸、滾壓力、圈數等有關，在實際應用中，應根據產品的特點進行滾輪、滾壓力、壓入角、滾壓圈數等的選擇，力求能充分發揮出曲軸材料、圓角滾壓的優勢作用，提升產品的品質。

20140217