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汽車(chē)發(fā)動(dòng)機零部件雖說(shuō)眾多，曲軸卻是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機在行駛運行的過(guò)程中最關(guān)鍵的零件之一，它在工作過(guò)程中受力情況十分的復雜，要同時(shí)承受氣體壓縮、彎曲、扭轉等載荷作用，這些載荷呈周期性變化并且數值往往較大，因此曲軸在運行過(guò)程中極易引起扭曲變形甚至斷裂。曲軸的外形設計也比較復雜，主要是通過(guò)多個(gè)主軸頸與連桿軸頸還有平衡塊等之間的連接進(jìn)行組合的，而且這些連接體的大小、長(cháng)度及方向又各不相同。曲軸的質(zhì)量受其本身剛度與強度，還有耐磨性和平衡性等影響，因此曲軸是發(fā)動(dòng)機中最容易受損的零部件之一，而且在運行過(guò)程中一旦出現損壞往往還會(huì )引起其他零部件的損毀，使汽車(chē)不能正常工作。
曲軸的主要材料是中碳鋼或中碳合金鋼，有時(shí)也用球墨鑄鐵。曲軸對制造材料的要求大致要滿(mǎn)足以下特征：足夠的強度、剛度、沖擊韌性及高度的抗疲勞強度，因此在設計、材料選取、鍛造過(guò)程、機械加工、熱處理及其他環(huán)節，都可能會(huì )造成曲軸的失效，所以在進(jìn)行曲軸加工的各個(gè)環(huán)節中，一定要嚴格把控質(zhì)量關(guān)，針對容易出現的問(wèn)題進(jìn)行原因分析，及時(shí)預防和解決可能出現的問(wèn)題。
2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機曲軸常見(jiàn)的失效形式和失效原因
由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機曲軸受力復雜，失效形式及失效原因多樣，通過(guò)實(shí)踐總結起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：
2.1曲軸圓角彎曲疲勞斷裂失效
根據實(shí)例統計分析，曲軸圓角彎曲疲勞斷裂是曲軸出現失效的最常見(jiàn)原因，大約占80%。引起曲軸圓角彎曲疲勞斷裂的因素有圓角淬火不當、圓角加工刀痕損傷、圓角氮化工藝不當、曲軸強度不足、圓角校直裂紋等很多原因。對于球墨鑄鐵曲軸，目前多采用圓角滾壓強化工藝或先氮化再滾壓強化的復合強化工藝。對于中碳鋼曲軸，多采用碳氮共滲或感應淬火強化工藝。目前廣泛采用的感應淬火的淬火范圍普遍應用于圓角區域，事實(shí)已經(jīng)證明這種方式能夠明顯地提高曲軸圓角的疲勞強度。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機增壓技術(shù)的發(fā)展，我們對曲軸疲勞強度的要求也會(huì )越來(lái)越高，因此對發(fā)動(dòng)機圓角的強化處理已經(jīng)成為必須的一個(gè)工藝過(guò)程，這樣就有可能減少曲軸在服役使用過(guò)程中產(chǎn)生疲勞斷裂。
2.2曲軸在校直過(guò)程中引起的裂紋失效
鍛造碳鋼材料的曲軸，在鍛造和熱處理等制造過(guò)程中必然產(chǎn)生一定的變形，我們生產(chǎn)過(guò)程中采用校直的方法來(lái)消除變形。校直的方法又分為冷校和熱校，不管是哪一種，如果校直幅度過(guò)大，都可能導致曲軸產(chǎn)生校直裂紋。一般情況下如果曲軸本身存在裂紋，一般行駛5000～8000 km裂紋就會(huì )擴展引起斷裂，最后的瞬斷區與疲勞擴展區幾乎呈現垂直的現象，斷裂處面積雖小但斷面粗糙，通過(guò)掃描電鏡的分析，發(fā)現新月形粗糙區域擦傷嚴重，未見(jiàn)明顯的疲勞特征，可以推斷裂紋形成應在斷口疲勞擴展之前。雖然曲軸校直開(kāi)裂情況在生產(chǎn)中并不多見(jiàn)，但此類(lèi)故障一旦發(fā)生，危害卻非常大。對于這種失效形式，我們可以對校直后的曲軸再進(jìn)行一次探傷檢查，避免有裂紋的曲軸被使用。
2.3曲軸在鍛造質(zhì)量上出現的失效
影響曲軸鍛造質(zhì)量的因素很多而且很復雜，有原材料晶粒長(cháng)大傾向、偏析、微觀(guān)夾雜物、鍛造溫度等的影響因素。生產(chǎn)中選用制造曲軸的材料應該考慮與制造工藝相匹配，盡量避免在容易引起晶粒長(cháng)大的敏感區域停留時(shí)間太長(cháng)，這樣才能有效地避免晶粒粗大。曲軸材料晶粒粗大，一般被認為是有較嚴重的組織缺陷，可能會(huì )嚴重損害材料的機械使用性能，尤其是在疲勞強度的影響。其他幾個(gè)因素也對曲軸鍛造質(zhì)量有著(zhù)重要的影響，整個(gè)影響過(guò)程比較復雜。生產(chǎn)中我們要重視曲軸鍛造質(zhì)量，避免容易引起曲軸鍛造質(zhì)量的不利因素，制造出高標準的曲軸。
2.4曲軸的彎扭復合疲勞失效
通常發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程受多種因素影響，零部件各有不同的工作特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機曲軸在整個(gè)生命周期的工作過(guò)程中情況也是非常復雜，引起曲軸失效的形式也多種多樣。有時(shí)僅憑斷口、主軸頸和連桿軸頸表面面貌以及軸瓦等零部件的分析，難以準確地判斷出具體的失效原因，但這些原因分析有助于我們對失效性質(zhì)的判定，并為最終確定失效原因提供有效的依據。當曲軸受到彎曲和扭轉的應力時(shí)，很容易引起彎扭復合疲勞失效，彎扭復合疲勞失效是曲軸失效的一種原因。通常對發(fā)動(dòng)機曲軸因工作過(guò)程中的異常情況引起的失效進(jìn)行分析，都比較困難，往往需要結合對其它相關(guān)的零部件進(jìn)行分析。
3 曲軸制造的新應用
隨著(zhù)科技發(fā)展，曲軸制造新材料、新工藝、新技術(shù)的出現和發(fā)展，使曲軸制造質(zhì)量有了很大提高，提升了曲軸使用壽命，保證了汽車(chē)運行的可靠性。目前非調制曲軸和等溫淬火球墨鑄鐵曲軸都有了很好的發(fā)展和應用。非調制鋼在汽車(chē)上的開(kāi)發(fā)應用開(kāi)始于汽車(chē)的曲軸，目前已大量應用。成功的主要案例有：長(cháng)安汽車(chē)有限公司與上海汽車(chē)鍛造總廠(chǎng)合作采用49MnVS3制造長(cháng)安汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機曲軸；東風(fēng)汽車(chē)集團采用50MnV制造部分發(fā)動(dòng)機曲軸。等溫淬火球墨鑄鐵曲軸力學(xué)性能上明顯優(yōu)越于中碳鋼和一般的合金鋼，具有較高的強度和較高的耐磨性的優(yōu)良特征，同時(shí)具有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。制造時(shí)經(jīng)過(guò)圓角滾壓后，一般會(huì )發(fā)生馬氏體的轉變，通常能夠進(jìn)一步提高曲軸的抗疲勞強度，而且由于這種材料里本身有球形石墨的存在，能夠使曲軸有良好的減震和消聲性能，使其成為好的發(fā)動(dòng)機曲軸材料。隨著(zhù)新技術(shù)新材料的不斷發(fā)展和應用，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機曲軸將會(huì )制造出更高的質(zhì)量和更強的抗壓能力，這將會(huì )對未來(lái)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機行業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。
4 結束語(yǔ)
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機是汽車(chē)的心臟，曲軸又是發(fā)動(dòng)機中重要的零部件，曲軸本身的設計制造、工作過(guò)程和受力非常復雜，因此曲軸的失效形式及失效原因也是多種多樣，分析起來(lái)比較困難，所以在針對汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的曲軸應用過(guò)程中，一定要根據經(jīng)驗進(jìn)行曲軸失效的措施應對，在保護發(fā)動(dòng)機曲軸的過(guò)程中，同時(shí)保護汽車(chē)其他零部件，減少汽車(chē)事故，保障汽車(chē)能夠平穩正常運行，提高汽車(chē)可靠性。
