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曲軸是汽車發(fā)動機最重要的零件之一，運轉中的受力情況非常復雜，承受著彎曲、扭轉和壓縮等載荷的作用。這些載荷不僅數(shù)值較大，而且一般呈周期性變化，容易引起曲軸的扭轉和彎曲變形甚至產(chǎn)生裂紋和斷裂。某重型卡車行駛里程42948km時，發(fā)動機發(fā)生故障。拆檢發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機曲軸從曲軸齒輪與飛輪法蘭聯(lián)接位置斷裂，其他零部件完好。曲軸屬于柴油機運動件中的關鍵部件，而且此次曲軸的斷裂位置在此系列柴油機曲軸故障中為首次出現(xiàn)。本文對此次斷裂的重型高速柴油機的曲軸失效模式進行了深入分析，并提出了相應改善措施，以避免同類故障的發(fā)生，提高柴油機服役期間的可靠性。

1.故障問題描述

曲軸從曲軸齒輪與飛輪法蘭聯(lián)接位置斷裂，斷裂位置示意圖和斷裂曲軸照片如圖1和圖2所示。

圖1 曲軸斷裂位置示意

圖2  斷裂曲軸照片

曲軸材料為42CrMoA合金結構鋼，曲軸的主要制造工藝為：下料→鍛造→正火→粗加工→表面淬火及回火→精加工→包裝。

2.故障問題分析

（1）化學成分、金相組織、硬度檢測

故障機器拆機后，先對飛輪法蘭側的斷裂曲軸對照圖樣中的技術要求進行初步核查。理化檢測結果表明斷裂曲軸和飛輪法蘭的化學成分（見表1）、金相組織以及硬度等檢測項目均合格。

表1 標準牌號42CrMo與曲軸和法蘭取樣材料的化學成分（質量分數(shù)）（%）

（2）曲軸斷口形貌分析

飛輪法蘭側的曲軸斷口形貌如圖3所示，呈現(xiàn)棘輪狀斷口，裂紋從四周起源向心部擴展，擴展區(qū)疲勞貝紋明顯，表明此曲軸斷口屬于典型的扭轉疲勞端口。

圖3 飛輪法蘭側曲軸斷口形貌

（3）曲軸與飛輪法蘭配合面形貌分析

線切割分離曲軸與飛輪法蘭，分析二者之間的配合面形貌特征，如圖4所示。圖4表明：

①曲軸與飛輪法蘭配合面帶狀條紋明顯，說明曲軸與飛輪法蘭之間發(fā)生了相對轉動。

②曲軸斷口呈現(xiàn)鋸齒狀的特征，表明曲軸斷裂屬于扭轉斷裂。

③曲軸與飛輪法蘭配合面出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象，說明飛輪法蘭在與曲軸的相對轉動摩擦以及曲軸疲勞斷裂的過程中，產(chǎn)生了大量的熱量。

圖4 曲軸與飛輪法蘭配合面形貌

（4）減振器失效分析

發(fā)生故障的機器為六缸機型，曲軸在周期性的扭矩激勵下，產(chǎn)生扭轉振動。嚴重的扭轉振動會引起曲軸斷裂、破壞各缸工作的相位關系、惡化內燃機工作狀況和平衡性能等故障、導致內燃機功率下降，加劇振動噪聲。合理地匹配曲軸減振器可以改善曲軸的扭轉共振轉速、振型、振幅和扭振應力等，從而避免因曲軸扭轉共振引起的曲軸斷裂故障，降低振動噪聲。

拆解下故障柴油機的減振器，發(fā)現(xiàn)減振器蓋板凸出形成鼓形（見圖5a、圖5b），表明此減振器已經(jīng)失效。進一步解剖此減振器（見圖5c、圖5d），內部的硅油以及軸承元件多半都被破壞變成了黑色的碎塊。內部硅油的粘度已經(jīng)無法測量。由于硅油和軸承元件被破壞，導致慣性環(huán)與殼體在慣性環(huán)外圓處產(chǎn)生摩擦及碰撞。減振器的失效加劇了曲軸運轉過程中的扭振，加速了曲軸的疲勞斷裂過程。

圖5 減振器解剖照片

3.改善措施

（1）增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量

本項目分析的發(fā)生斷裂的柴油機曲軸生產(chǎn)制造日期為2012年5月，飛輪法蘭的內徑尺寸為mm。為了加強飛輪法蘭與曲軸之間的配合效果，將飛輪法蘭的內徑尺寸改為mm，即增大二者之間配合的過盈量（見圖6）。增加過盈量后的此型號機型，經(jīng)過一年的市場驗證未發(fā)現(xiàn)飛輪法蘭轉動的故障，表明此種改善措施取得了比較好的市場驗證效果。

圖6 飛輪法蘭與曲軸配合

（2）修改飛輪法蘭與曲軸齒輪結構設計

增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量后，為了順利完成裝配過程，相應的提高了熱裝配時的加熱溫度（430±10℃）。較高的熱裝溫度，會一定程度影響材料的組織和性能，所以必須將熱裝溫度控制在合理的范圍之內。顯然單純的增加配合過盈量并不是解決法蘭轉動的最優(yōu)處理方法，因此，在后續(xù)的設計過程中擬將飛輪法蘭和曲軸齒輪設計為一體式，增加與曲軸配合接觸的面積，增大摩擦力，可以最大程度的避免飛輪法蘭與曲軸之間出現(xiàn)相對轉動，減少因為此原因引起的曲軸疲勞斷裂。

圖7 飛輪法蘭和曲軸齒輪結構修改

4.結語

（1）斷裂曲軸和飛輪法蘭的化學成分、金相組織以及硬度等檢測項目均合格。

（2）曲軸與飛輪法蘭之間發(fā)生了相對轉動，曲軸發(fā)生了扭轉斷裂，且飛輪法蘭與曲軸的相對轉動摩擦以及曲軸疲勞斷裂的過程中，產(chǎn)生了大量的熱量，致使配合面出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象。減振器的失效加劇了曲軸運轉過程中的扭振，加速了曲軸的疲勞斷裂過程。

（3）實施增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量改善措施后經(jīng)過市場驗證取得了良好的改善效果；為了從根本上解決法蘭轉動的問題，杜絕類似故障的再次發(fā)生，后期設計中擬修改飛輪法蘭與曲軸齒輪為一體式結構。