重型高速柴油机曲轴断裂失效分析

罗长增，张吉贤，李明，张金芳

重型高速柴油机曲轴断裂失效分析

罗长增，张吉贤，李明，张金芳

曲轴是汽车发动机最重要的零件之一，运转中的受力情况非常复杂，承受着弯曲、扭转和压缩等载荷的作用。这些载荷不仅数值较大，而且一般呈周期性变化，容易引起曲轴的扭转和弯曲变形甚至产生裂纹和断裂。

某重型载货汽车行驶里程42948km时，发动机发生故障。拆检发现，发动机曲轴从曲轴齿轮与飞轮法兰联接位置断裂，其他零部件完好。曲轴属于柴油机运动件中的关键部件，而且此次曲轴的断裂位置在该系列柴油机曲轴故障中为首次出现。本文对此次断裂的重型高速柴油机的曲轴失效模式进行了深入分析，并提出了相应改善措施，以避免同类故障的发生，提高柴油机服役期间的可靠性。

1. 故障问题描述

曲轴从曲轴齿轮与飞轮法兰联接位置断裂，断裂位置示意图和断裂曲轴照片如图1和图2所示。

曲轴材料为42CrMoA合金结构钢，曲轴的主要制造工艺为：下料→锻造→正火→粗加工→表面淬火及回火→精加工→包装。

2. 故障问题分析

（1）化学成分、金相组织、硬度检测故障机器拆机

后，先对飞轮法兰侧的断裂曲轴对照图样中的技术要求进行初步核查。理化检测结果表明断裂曲轴和飞轮法兰的化学成分（见附表）、金相组织以及硬度等检测项目均合格。

（2）曲轴断口形貌分析飞轮法兰侧的曲轴断口形貌如图3所示，呈现棘轮状断口，裂纹从四周起源向心部扩展，扩展区疲劳贝纹明显，表明此曲轴断口属于典型的扭转疲劳端口。

（3）曲轴与飞轮法兰配合面形貌分析线切割分离曲轴与飞轮法兰，分析二者之间的配合面形貌特征，如图4所示。图4表明：①曲轴与飞轮法兰配合面带状条纹明显，说明曲轴与飞轮法兰之间发生了相对转动。②曲轴断口呈现锯齿状的特征，表明曲轴断裂属于扭转断裂。③曲轴与飞轮法兰配合面出现局部熔化的现象，说明飞轮法兰在与曲轴的相对转动摩擦以及曲轴疲劳断裂的过程中，产生了大量的热量。

图1　曲轴断裂位置示意

图2　断裂曲轴照片

图3　飞轮法兰侧曲轴断口形貌

图4　曲轴与飞轮法兰配合面形貌

标准牌号42CrMo与曲轴和法兰取样材料的化学成分（质量分数）　　　　　（%）

（4）减振器失效分析发生故障的机器为六缸机型，曲轴在周期性的扭矩激励下，产生扭转振动。严重的扭转振动会引起曲轴断裂、破坏各缸工作的相位关系、恶化内燃机工作状况和平衡性能等故障，导致内燃机功率下降，加剧振动噪声。合理地匹配曲轴减振器可以改善曲轴的扭转共振转速、振型、振幅和扭振应力等，从而避免因曲轴扭转共振

引起的曲轴断裂故障，降低振动噪声。

拆解下故障柴油机的减振器，发现减振器盖板凸出形成鼓形（见图5a、图5b），表明此减振器已经失效。进一步解剖此减振器（见图5c、图5d），内部的硅油以及轴承元件多被破坏变成了黑色的碎块。内部硅油的黏度已经无法测量。由于硅油和轴承元件被破坏，导致惯性环与壳体在惯性环外圆处产生摩擦及碰撞。减振器的失效加剧了曲轴运转过程中的扭振，加速了曲轴的疲劳断裂过程。

3. 改善措施

（1）增大飞轮法兰与曲轴配合的过盈量本项目分析的发生断裂的柴油机曲轴生产制造日期为2012年5月，飞轮法兰的内径尺寸为φ70-0.012-0.051mm。为了加强飞轮法兰与曲轴之间的配合效果，将飞轮法兰的内径尺寸改为φ70-0.068-0.099mm，即增大二者之间配合的过盈量（见图6）。增加过盈量后的此型号机型，经过一年的市场验证未发现飞轮法兰转动的故障，表明此种改善措施取得了比较好的市场验证效果。

（2）修改飞轮法兰与曲轴齿轮结构设计增大飞轮法兰与曲轴配合的过盈量后，为了顺利完成装配过程，相应地提高了热装配时的加热温度（430±10）℃。较高的热装温度，会一定程度影响材料的组织和性能，所以必须将热装温度控制在合理的范围内。显然单纯地增加配合过盈量并不是解决法兰转动的最优处理方法，因此，在后续的设计过程中拟将飞轮法兰和曲轴齿轮设计为一体式（见图7），增加与曲轴配合接触的面积，增大摩擦力，可以最大程度地避免飞轮法兰与曲轴之间出现相对转动，减少因为此原因引起的曲轴疲劳断裂。

4. 结语

（1）断裂曲轴和飞轮法兰的化学成分、金相组织以及硬度等检测项目均合格。

（2）曲轴与飞轮法兰之间发生了相对转动，曲轴发生了扭转断裂，且飞轮法兰与曲轴的相对转动摩擦以及曲轴疲劳断裂的过程中，产生了大量的热量，致使配合面出现局部熔化的现象。减振器的失效加剧了曲轴运转过程中的扭振，加速了曲轴的疲劳断裂过程。

（3）实施增大飞轮法兰与曲轴配合的过盈量改善措施后经过市场验证取得了良好的改善效果；为了从根本上解决法兰转动的问题，杜绝类似故障的再次发生，后期设计中拟修改飞轮法兰与曲轴齿轮为一体式结构。

图5　减振器解剖照片

图6　飞轮法兰与曲轴配合

图7　飞轮法兰和曲轴齿轮结构修改

20141214

作者简介：罗长增、张吉贤、李明、张金芳，潍柴动力股份有限公司。