汽車發動機曲軸疲勞性能分析研究

　　曲軸是汽車發動機的重要零部件，無論在汽車曲軸的研發還是實際生產階段，都需要對汽車曲軸的疲勞性能進行測試。在汽車發動機實際運行的過程中，曲軸所要承受的載荷形式為彎曲和扭轉載荷，所以實際案例表明，汽車曲軸的主要失效形式為彎曲疲勞破壞。另外如果發動機曲軸的輸出功率較大，所產生的扭矩較大，就會產生一定程度的扭轉疲勞破壞。早期的汽車發動機曲軸所使用的材料為40Cr和42CrMo等中碳調質鋼。然而，自從20世紀90年代末，大量的汽車曲軸開始廣泛使用非調質鋼，尤其是對于重型汽車的發動機曲軸的生產，所采用的材料主要包括了48MnV和C38N2，這兩種材料與中碳調質鋼相比，在保證強度相同的情況下，省略了很多調質工序。最近幾年以來，采用球墨鑄鐵生產的汽車曲軸具有更好的機械加工性能和彎曲疲勞強度，尤其在重載發動機的使用上表現出了很好的應用前景。

　　汽車曲軸在設計、原材料的選擇、鍛造、機械加工以及熱處理和表面強化的各個環節，如果在任何一個環節出現失誤就會造成汽車曲軸的失效。某公司結合實際軸承生產案例，介紹和分析了汽車發動機曲軸常見的失效形式和內在原因。

　　目前影響汽車曲軸疲勞強度的因素主要包括了零件軸頸處的應力集中、尺寸、表面狀態以及環境介質等因素。在這些因素中以應力集中和尺寸以及表面狀態最為重要。影響曲軸應力分布的因素主要包括了曲軸的設計形狀和材料的基本性質。可以通過改變材料的種類以及尺寸形狀來提高曲軸的彎曲疲勞強度，但是這樣一來就會大大增加材料的制造成本。在實際應用過程中通常采用表層強化工藝來提高曲軸疲勞強度，汽車曲軸在變載荷的作用下，由于曲軸軸頸處的形狀發生突變，所以最大應力應該會出現在軸頸圓角附近的一個范圍內。研究結果表明：

　　（1）汽車曲軸疲勞實驗在循環基數為1×107次下，彎矩的疲勞極限607.5Nm；曲軸軸頸的中部所受到的疲勞極限壓力為96.7MPa，曲軸應力集中系數為6.72，疲勞實驗過程中存活率為99%時的安全系數為1.31。

　　（2）從40Cr曲軸軸頸處的金相組織和裂紋斷口的SEM組織分析可知，40Cr調質處理后的顯微組織為回火索氏體+鐵素體+少數貝氏體，符合相關標準。斷口分析可知，該40Cr曲軸斷口為典型的韌窩和臺階混合斷裂，并無明顯的夾雜物。

　　（3）從材料化學成分和拉伸性能以及軸頸表面硬化層分析可知，曲軸疲勞斷裂的原因可以排除以上因素的影響。

　　（4）曲軸的鉆油孔在軸頸內壁造成的應力集中，比較容易產生缺陷；曲軸軸頸在交變應力的作用下很容易產生疲勞裂紋并擴展，導致曲軸的早期斷裂。