机动车曲轴的失效分析

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1、译文：机动车曲轴的失效分析汽车的灾难性故障及其曲轴的失效分析的案例研究。曲轴的曲柄销在使用3年后遭受机械问题，即使被被修复后，在车辆行驶30000公里后也非常可能在相同的位置再次损坏而导致灾难发生。曲柄销的横向宏观图显示,曲柄销纠正,充满了相同的公称直径的金属合金。两个疲劳裂纹增长的中心曲柄销,最后发生断裂。对称半椭圆形裂纹前缘交变弯曲引起灾难性故障。1.介绍机动车曲轴一般在高旋转旋转,在700至8000转/分,根据车辆的发动机类型。柴油发动机通常低于4000转/分下运行。然而在这个旋转范围,发动机重大失衡可能出现。曲轴失效的共

2、同根源是由于疲劳现象。大部分的损失发生在曲柄销接近角焊缝和润滑孔存在高应力水平临界区。不足的设计、组装或不足发动机运行、轴失调、错误的几何学角焊缝以及异常振动最可能导致发动机损坏。在过去的几十年中，金属材料的疲劳寿命预测一直是个主要问题。,它最初被认为是一个问题是在19世纪早期,当调查人员发现,桥梁和铁路组件受到重复载荷时开裂。关于轴在旋转弯曲,Wohler[1]为了获得其疲劳极限提出了疲劳强度曲线(S-N曲线)。后来,在第二次战争时,高夫[2]在金属的耐疲劳应力相结合（即反向弯曲与扭转循环相结合）下发表重要的实验测试结果,。广

3、泛的疲劳失效情况下可以在著名的ASM金属手册下查到。动力轴的裂缝,如曲轴的裂缝,一般从表面开始，在复杂加载，循环弯曲与扭转相结合等各种状态下加大。这种应力状态来自循环弯曲应力之间由于自重造成或最终偏差主轴颈轴承在连续旋转的轴造成的。这些循环的弯曲分析和稳定扭转了得出的结论是,寿命增加被认为是由于低频变化扭转加载。在另一个主机曲轴故障进行了分析,认为问题的根源是曲柄销上的裂纹萌生。同样的原因是疲劳失效的主要原因。柴油机存在两种不同来源的负载，即惯性和燃烧导致的曲轴弯曲和扭转载荷:惯性旋转部件如连杆、适用于曲轴和发动机。第二个载荷源

4、是由于可燃混合气在每个气缸燃烧产生的力通过连杆对曲轴的影响。压力作用于曲轴，引起弯曲和扭转。图1显示了弯曲和扭转载荷的变化情况,在单缸发动机转速3600转，根据作用于曲轴的合力的大小做的曲轴角函数,但可以扩展到任何柴油发动机机。作用在曲轴上的弯曲负荷力的方向指向曲柄半径的中心。在许多负载分析研究中，曲轴扭转载荷是被忽视的，因为曲轴的扭转载荷很小，不到弯曲载荷的百分之十[11],当弯曲负荷达到最大值时，扭转载荷的大小为零,见图1,原因是因为最大的弯曲和扭转载荷发生在不同的时间。因此考虑扭转负荷对整个动态加载条件并没有影响，冯·米塞

5、斯应力在强调位置和曲轴分析可以简化为只应用弯曲荷载。曲轴上的几何关键位置都是局部高应力梯度的角区,因为导致高应力集中,因而导致无法准确确定失效的区域。大多数曲轴通常通过钢筋或韧性钢滚锻。直径被设计用来提供足够的抗扭强度。其中最高度强调引擎组件,它们是设计的一个重要安全限制,以不超过材料的疲劳强度。高循环疲劳载荷,以及应力集中在关键几何区域的影响,有时会导致裂纹萌生，尽管平均强度无法联系到材料的疲劳极限。但是曲轴存在特定的差异,见图2,将活塞的直线运动,将活塞的往复位移转换成旋转运动。他们受到旋转弯曲加上扭力和交变弯曲，曲柄销由于

6、其平移运动,扭转,可能被认为是由于准静态稳定曲轴的扭转。裂缝开始在表面上，由于旋转弯曲（循环模式I）时，有主轴颈或不平衡，由于配重效果的一些偏差。扭转载荷不扭转，尽管它有一些循环载荷的变化。因此,扭转只能影响疲劳裂纹增长速度。实验表明,稳定的扭力,不是循环扭转,增加每一根轴的生命周期(3、4)。扭转载荷改变裂纹路径和疲劳形态就像一个工厂的屋顶，在锯齿形路径。一些疲劳裂纹从曲柄销圆角增长模式III,但是裂纹张开的起源是由纯模式(纯交变弯曲,不旋转弯曲)。有时斜裂纹路径45似乎因为润滑孔从圆角改变初始裂纹路径。如之前所述，在曲柄销没

7、有扭转，虽然存在由于连接杆的动作力和曲柄网络传输负载一些剪切应力。裂纹普遍发生的地点主要是在曲柄销，网鱼片，以及对主轴颈圆角和润滑孔。弯曲和扭转疲劳裂缝也有类似的特点:平滑表面裂缝面孔与海滩痕辐射远离裂纹萌生网状,直到最终韧性断裂。弯曲或扭转疲劳裂纹鱼片增长，除非主轴颈或连杆轴颈油孔改变自己的路径。该油通过在轴承的中央周向槽供给和它完全围绕主轴颈表面的中心区域。对角线油孔中穿过主要和大端期刊之间的腹板的大端轴颈的润滑曲轴提供。这些油孔必须进行倒角，以减少应力集中。需要一个严格的，可控的制造工艺，以及仔细的组装和维修。但同样明显的

8、是绝对需要的了解的故障和故障分析，以避免复发和防止故障，可以在相同的负载条件下运行的类似设备。因此，疲劳失效分析这里有一个重要的作用，并能与设计的改进，材料选择，制造工艺，以及检查和维修方法很有帮助。本研究旨在分析汽车的曲轴灾难性故障，本研究旨在分析机动车的曲轴