发动机凸轮轴疲劳断裂分析_邹德志.pdf

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1、汽车零部件AUTOMOTIVEPARTS发动机凸轮轴疲劳断裂分析中国第一汽车集团公司技术中心邹德志刘柯军凸轮轴是汽车发动机配气机构表1凸轮轴首次断裂的里程中的重要零部件，工作过程中承受编号断裂里程/km较为恒定的弯曲和扭曲载荷，气门1号-16750凸轮与挺柱之间和主轴颈与气缸4号6800盖轴承之间是滑动摩擦，且后者5号3650为润滑油强制润滑。凸轮轴材料为表2凸轮轴连续断裂的里程QT450，凸轮和主轴颈表面感应淬编号断裂里程/km里程差/km火。气缸盖及凸轮轴瓦盖为铝合金图2气缸盖形貌1号-16

2、750材料。各相关零件除了要求有较高1号-213505400的加工精度以外，对各系统的清洁1号-3800550度也有很高的要求。表面均有较明显的摩擦磨损，性质属于磨粒磨损，见图4。其中一个气1失效情况缸盖的5个轴承孔的磨损量的测量结该发动机凸轮轴的断裂具有小果见表3，可见中间轴承孔的磨损量的批量性和时段性，据反映是集中较大，两端轴承孔的磨损量相对较在某一批次装配的发动机上，断裂小，说明凸轮轴工作时中间部分挠的凸轮轴共有十几根。收集到凸轮图3凸轮轴断口形貌度最大。轴断裂样件7根，见图1。同时还收裂

3、纹源位于凸轮根部圆角表面，表气缸盖总成拆检后发现轴承孔集到与凸轮轴断裂相关的气缸盖2现出对应力集中的敏感性。油道内有大量的金属屑（铁屑、铝件，见图2。将收集到的凸轮轴疲劳断裂数屑），见图5。分析认为，发动机润7根凸轮轴中有6根是集中在发据分为2组。表1所示为凸轮轴首滑系统的清洁度较差。动机二缸进、排气门凸轮根部圆角次疲劳开裂的里程，里程在数千公2产品检验处断裂，另一根断裂发生在三缸排里，表现出了对某种载荷或是应力气门凸轮根部圆角处。凸轮轴的断的敏感性。表2所示为1号气缸盖上（1）凸轮轴材料为QT

4、450，金裂形式相同，均为低应力高周性质连续更换凸轮轴并发生疲劳断裂的相组织、硬度及感应有效硬化层深的旋转弯曲疲劳断裂，断口见图3；数据，可明确地看出断裂里程逐次的检验结果见表4。明显下降，表现出（2）气门弹簧刚度检验结果为的是对疲劳应力增35.7N/mm，符合图纸要求。加的敏感性。对断裂部位的凸轮圆角观察、测量，其结果符合图纸要求，未见异常。收集到的2个图1断裂的凸轮轴样品气缸盖，在轴承孔图4轴承孔磨损情况2009年第1期汽车工艺与材料AT&M43汽车零部件AUTOMOTIVEPARTS（5）

5、考虑断裂的气缸盖各凸轮表3轴承孔的磨损量3讨论分析轴轴承孔的磨损量特征，可以确认技术要求测量直径磨损量编号/mm/mm/mm（1）凸轮轴金相凸轮轴在工作中已经发生弹性弯曲1号35.10.10组织中的渗碳体含量变形，变形的挠度大小（各轴承孔2号35.50.50较高，凸轮表面硬度的磨损量大小）与气门弹簧的分布3号35.135.60.60及有效硬化层深低于有关。疲劳断裂均发生在弯曲挠度4号35.40.40图纸要求，其他检验最大、应力最高的部位。5号35.10.10结果符合图纸要求。（6）凸轮轴轴承孔的

6、磨损性质但综合凸轮轴的工作情况考虑，不为磨粒磨损，这是由于发动机润滑合格的检验项不足以引起凸轮轴的系统清洁度不够、存在有较多的加断裂。工金属屑。（2）凸轮轴断裂部位非常集（7）从1号气缸盖连续3件凸中，断裂性质为低应力高周旋转弯轮轴断裂的数据得知，首次断裂的曲疲劳断裂，裂纹源位于凸轮根部里程含有摩擦磨损的发生及发展过圆角表面，凸轮轴工作时该部位存程，凸轮轴的弯曲载荷随磨损量增在局部应力集中现象。加而逐渐提高，直至断裂。这个图5轴承孔油道内金属屑（3）凸轮轴工作中承受弯、扭过程是以摩擦磨损为主体的

7、寿命因表4金相组织、硬度及有效硬化层深检验结果检验项目金相组织心部硬度HV5表面硬度HRC有效硬化层深/mm石墨大小6级，球化率3级，珠光基体组织260、264、274——体数量为珠85%，见图6、图7针状马氏体＋球形石墨＋渗碳体凸轮淬火层—51.0、51.5、52.01.10～1.20（3级），见图8（3）凸轮轴凸轮根部断裂部位的组合载荷，其中弯曲载荷来自于素。的圆角尺寸符合图纸要求。气门弹簧的推力，载荷的大小与转（8）在气缸盖轴承孔已经发生速有关，总体说比较稳定。严重摩擦磨损的情况下仅更换凸

8、轮（4）从凸轮轴的结构和工作特轴，使凸轮轴直接置于导致开裂的弯性分析，在旋转、传递扭矩的工况曲载荷下，其疲劳寿命明显减低。这下为整体的扭杆轴；而在推起气门时疲劳开裂转为主要寿命因素，还会承受弯曲载荷的工况下，凸轮轴以继续产生少量的磨损，再一次更换凸五个主轴颈为支点分为四段，分别轮轴则导致其寿命更短，更换凸轮轴承受气门弹簧施加的弯曲载荷，分的寿命依次明显降低。段的结构用以保证凸轮轴的弯曲刚4结束语图6凸轮轴石墨形态（100×）性。由上述分析可以推断，发动机润滑系统清洁度不够造成的气缸盖上轴承孔的异