你不知道的发动机曲轴疲劳性能分析研究

惊枝雀

做一个帅气的卡友很累，这点我真的深有体会。

曲轴是汽车发动机的重要零部件，无论在汽车曲轴的研发还是实际生产阶段，都需要对汽车曲轴的疲劳性能进行测试。在汽车发动机实际运行的过程中，曲轴所要承受的载荷形式为弯曲和扭转载荷，所以实际案例表明，汽车曲轴的主要失效形式为弯曲疲劳破坏。

另外如果发动机曲轴的输出功率较大，所产生的扭矩较大，就会产生一定程度的扭转疲劳破坏。早期的汽车发动机曲轴所使用的材料为40Cr和42CrMo等中碳调质钢。

然而，自从20世纪90年代末，大量的汽车曲轴开始广泛使用非调质钢，尤其是对于重型汽车的发动机曲轴的生产，所采用的材料主要包括了48MnV和C38N2，这两种材料与中碳调质钢相比，在保证强度相同的情况下，省略了很多调质工序。

最近几年以来，采用球墨铸铁生产的汽车曲轴具有更好的机械加工性能和弯曲疲劳强度，尤其在重载发动机的使用上表现出了很好的应用前景。

汽车曲轴在设计、原材料的选择、锻造、机械加工以及热处理和表面强化的各个环节，如果在任何一个环节出现失误就会造成汽车曲轴的失效。某公司结合实际轴承生产案例，介绍和分析了汽车发动机曲轴常见的失效形式和内在原因。

目前影响汽车曲轴疲劳强度的因素主要包括了零件轴颈处的应力集中、尺寸、表面状态以及环境介质等因素。在这些因素中以应力集中和尺寸以及表面状态最为重要。

影响曲轴应力分布的因素主要包括了曲轴的设计形状和材料的基本性质。可以通过改变材料的种类以及尺寸形状来提高曲轴的弯曲疲劳强度，但是这样一来就会大大增加材料的制造成本。

在实际应用过程中通常采用表层强化工艺来提高曲轴疲劳强度，汽车曲轴在变载荷的作用下，由于曲轴轴颈处的形状发生突变，所以最大应力应该会出现在轴颈圆角附近的一个范围内。研究结果表明：

（1）汽车曲轴疲劳实验在循环基数为1×107次下，弯矩的疲劳极限607.5Nm；曲轴轴颈的中部所受到的疲劳极限压力为96.7MPa，曲轴应力集中系数为6.72，疲劳实验过程中存活率为99%时的安全系数为1.31。

（2）从40Cr曲轴轴颈处的金相组织和裂纹断口的SEM组织分析可知，40Cr调质处理后的显微组织为回火索氏体+铁素体+少数贝氏体，符合相关标准。断口分析可知，该40Cr曲轴断口为典型的韧窝和台阶混合断裂，并无明显的夹杂物。

（3）从材料化学成分和拉伸性能以及轴颈表面硬化层分析可知，曲轴疲劳断裂的原因可以排除以上因素的影响。

（4）曲轴的钻油孔在轴颈内壁造成的应力集中，比较容易产生缺陷；曲轴轴颈在交变应力的作用下很容易产生疲劳裂纹并扩展，导致曲轴的早期断裂。

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