发动机曲轴断裂原因分析

引言：曲轴是内燃机的重要组成部分，是内燃机的脊梁，在高温、高压和强度很高的振动的恶劣条件下工作，长期处于弯曲、扭转、振动、拉伸等循环应力作用的状态下，因此曲轴容易产生弯曲和扭转变形，导致其疲劳和产生裂纹，甚至断裂。

本文分析曲轴的受力情况，确定曲轴最易断裂的位置为曲轴主轴颈和连杆轴颈的过渡圆角以及轴颈上的油孔处，并结合曲轴的工作过程分析曲轴断裂的原因与金属疲劳破坏的机理，相应的采取一定的措施，使曲轴正常工作，内燃机安全、可靠的服务于各种机械设备。

内燃机包含着多个系统和机构。其中曲柄连杆机构主要包括活塞连杆组和曲柄飞轮组。曲轴组由曲轴、飞轮、平衡块、减振器以及传动齿轮等组成.曲轴是内燃机中最典型最重要的零件之一，它是由一个或多个曲拐组成的，其功用是将活塞连杆组传递过来的气体压力转变为转矩，作为动力而输出做功，驱动其他工作机构，并带动内燃机辅助装备工作。曲轴是内燃机的重要零件之一，其工作环境相当恶劣，长期处于弯曲、扭转、振动、拉伸等循环应力状态下，因此曲轴容易产生弯曲和扭转变形，导致其疲劳和产生裂纹，甚至断裂。

一、曲轴的功用及工作条件

曲轴是内燃机中最典型、最重要的零件之一，其功用是将活塞连杆传递来的气体压力转变为转矩，作为动力而输出做功，驱动器他工作机构，并带动内燃机辅助装备工作

二、曲轴的受力分析

曲轴是内燃机中最重要的零件之一，它的性能如何直接影响着内燃机的寿命与可靠性，且因为与曲轴联接的零部件甚多曲轴的破坏事故可能引起其它零部件的严重破坏。随着内燃机的发展，曲轴的工作条件更加恶劣，因此在内燃机的设计与改进中，曲轴占有极其重要的地位。

曲轴的功用是承受连杆传来的力，并由此造成其绕其本身轴线的力矩使其旋转。在内燃机工作中，曲轴受到旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴受弯曲和扭转载荷，为了保证工作可靠，因此要求曲轴具有足够的刚度和强度。

内燃机主要受力零件曲轴其疲劳破坏最常见的是金属疲劳破坏，即弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，前者的发生概率大于后者。弯曲疲劳裂纹首先产生在连杆轴颈（曲柄销）或主轴颈圆角处，然后向曲柄臂发展。扭转疲劳裂纹产生于加工不良的油孔或圆角处，然后向与轴线成 方向发展。金属疲劳破坏是由于随时间周期性变化的变应力作用的结果。曲轴在周期性变化的气体力和往复惯性力的共同作用既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。实践和理论表明，在多缸发动机曲轴采用扭振减振措施的情况下，扭转载荷占次要地位，弯曲载荷具有决定性的意义。曲轴破坏的统计分析表明，80%左右是弯曲疲劳产生的。

三、金属疲劳破坏机理

内燃机曲轴断裂故障直接危害到内燃机的安全和寿命，造成曲轴断裂的主要原因是由于疲劳破坏造成的。金属的疲劳破坏是由于机械零件局部应力最大处，在循环应力作用下形成微裂纹，然后逐渐扩大成宏观裂纹，裂纹再继续扩展而最终导致机械零件的断裂。

四、曲轴疲劳破坏的形式及原因

在内燃机工作中，曲轴不断受到旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴受到弯曲与扭转载荷。曲轴的断裂是金属疲劳后在强力冲击作用下生成的。常见的曲轴疲劳破坏有以下4种形式及原因。

（一）曲轴裂纹最初常发生在主轴颈或连杆轴颈与曲柄臂过渡圆角处应力集中严重点，随后逐渐发展成横断曲柄臂的疲劳裂纹。其主要原因是由于曲轴过渡圆角太小，曲柄臂太薄，过渡圆角加工不完善所致，另外曲轴箱刚度不够也会造成主轴颈变形，引起不均匀磨损。

（二）曲轴裂纹起源于油孔，沿与轴线呈45°方向发展。其主要原因是过大的扭转振动，引起附加应力；加工方面主要是油孔边缘加工不完善，或孔口过渡圆角太小，引起应力集中造成。

（三）曲轴裂纹起源于过渡圆角或油孔，且只有一个方向裂纹，裂纹与轴线呈。其主要原因一方面是由于内燃机不对称的交变扭矩引起最大应力造成疲劳破坏；加工方面主要是由于圆角加工及油孔圆角加工不好，及热处理加工工艺不够完善，造成材料组织不均匀。另外连杆轴颈太细也会造成此种形式的破坏。

（四）曲轴裂纹沿过渡圆角周向同时发生，断口呈径向锯齿形。主要原因是圆角太尖锐，引起过大的应力集中。

五、曲轴断裂及预防措施

曲轴是内燃机的关键零件，也是造价昂贵的零件，价格约为整机的1/3。整个内燃机的可靠性，在很大程度上取决于曲轴的可靠性。由于曲轴的形状复杂、钢性差，又存在着严重的应力集中部位，使该部位的交变应力达到很高的数值，容易产生疲劳破坏，即曲轴会因疲劳而弯曲，严重时甚至会断裂。在实际工作过程中曲轴断裂时有发生，只有清楚曲轴断裂的原因才能保证曲轴的正常工作，保证内燃机的安全运转。

（一）曲轴常见的断裂原因

1.曲轴轴颈两端的圆角过小。2.曲轴主轴颈轴线偏移。3.曲轴质量差。4.主轴瓦中心线不同心。5.曲轴装配间隙不合格。6.曲轴校正量过大。7.飞轮松动。8.供油时间过早或各缸供油量不均。9.曲轴轴颈润滑不良。10.操作不当引起曲轴断裂

（二）预防曲轴断裂的方法

1.材质和制造方面

（1）合理选择材料。（2）提高制造加工工艺。

2.使用方面

（1）保证润滑系正常工作。（2）注意内燃机运转的声音。（3）避免内燃机长期处于超负荷工作。（4）驾驶操作要规范。

3.维修方面

（1）在曲轴修理过程中，应仔细检查曲轴有无裂纹、弯曲、扭曲等缺陷，和主轴瓦与连杆轴瓦的磨损情况，保证主轴颈与主轴瓦、连杆轴颈与连杆轴瓦之间的配合间隙在允许范围之内。（2）曲轴裂纹多发生在曲柄臂与轴颈之间的过渡圆角处，以及轴颈中的油孔处。要特别重视对主轴颈和连杆轴颈的圆角加工，修理后的圆角在几何尺寸和光洁度方面要符合曲轴的技术要求，以免曲轴工作中的圆角处产生较大的应力集中而折断。（3）维修装复曲轴时应保证飞轮的运转平衡。曲轴修理后最好进行飞轮的静平衡和动平衡试验，避免安装飞轮后，由于飞轮偏摆造成曲轴轴心线偏移，使曲轴承受较大的惯性力而造成曲轴疲劳折断。（4）内燃机发生了烧瓦、捣缸等重大事故后，要对曲轴进行全面的检修。综上所述，要避免曲轴断裂需从选材、制造加工、使用、维护及维修等多方面去消除其潜在的隐患，减少磨损才能延长曲轴的使用寿命。

六、结论

曲轴断裂时常发生在发动机事故中，带来重大危害，造成巨大经济损失，通过以上分析得出曲轴的断裂原因以及采取的相应措施：

（1）曲轴轴颈两端的圆角过小。（2）曲轴主轴颈轴线偏移。（3）曲轴质量差。（4）主轴瓦中心线不同心。（5）曲轴装配间隙不合格。（6）曲轴校正量过大。（7）飞轮松动。（8）供油时间过早或各缸供油量不均。（9）曲轴轴颈润滑不良。（10）操作不当引起曲轴断裂

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