柴油发动机凸轮轴疲劳断裂研究

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凸轮轴是柴油发动机的重要部件，凭借凸轮控制着发动机的配气相位，其专门用来控制发动机进气门和排气门开闭时间，凸轮轴的旋转速度只有发动机曲轴的-半，在运行过程中会不断加减速旋转 ，其怠速速度只有每分钟几百转，而它加速或重负荷运转时，其速度最高可达每分钟2000多转，这样高的旋转速度要求发动机凸轮轴具备有较好的韧.陛，并且凸轮轴内部不能有较为严重、较多的冶金缺陷，例如结构疏松、内部夹杂和裂纹等。凸轮轴在结构上-般由凸轮、轴颈和轴底三个部分构成，其形状比较复杂，而且存在着台阶变化和较多的热节。发动机工作时，凸轮轴上的凸轮与气门顶杆这-对摩擦副承受着极高的压应力和高速滑动摩擦力，而它们间的润滑较差，这两个部件都极易造成擦伤、剥落，以至大面积磨损现象l1l。与此同时加上凸轮轴制造上的缺陷，极易在集中载荷作用的轴颈部位产生裂纹，长时间的裂纹成长就会造成断轴的断裂，严重影响发动机正常运行 。

对于发动机凸轮轴而言，其心部必须要有足够的韧性，凸轮工作表面必须具有较高的硬度、优良的抗磨性能和-定的耐蚀性能，有稳定的内部组织和稳定的尺寸和精度，无内部冶金和组织缺陷，高的抗疲劳强度和长的使用寿命，能很好地满足在不同的运转速度下长时间的工作要求。

2凸轮轴疲劳断裂的情况研究的凸轮轴为某农用柴油发动机上的凸轮轴，如图 1所示。此凸轮轴是通过铸造工艺制造成型，凸轮的表面和轴颈表面通过热处理工艺来获得表面硬度，而突发断裂的地方靠近轴承处，如图2所示。

凸轮轴出现断裂首先是由疲劳裂纹引起的，产生有裂纹凸轮轴在高速运转情况下，会进-步助长裂纹的生长，当裂纹生长到-定阶段就变会出现断裂。为了研究凸轮轴疲劳断裂，需要从裂纹生长理论，实验研究以及疲劳仿真三个方面进行分析。

图 1柴油发动机凸轮轴Fig.1 Diesel engine camshaft来稿日期：2012-03-l0基金项目：浙江侍育厅 2012年度科研项 目(Y201224281；浙江侍育厅 2010年度科研项目(Y201016099)作者简介：李发宗，(1975-)，男，副教授，硕士，主要研究方向车辆工程第 1期 马天源等：柴油发动机凸轮轴疲劳断裂研究 141图 2断裂凸轮轴断裂面图Fig.2 Fracture surface chan of Camshaft3疲劳裂纹扩展理论部件的疲劳断裂通常是由疲劳裂纹扩展到-定阶段形成的，由于裂纹尖端的附近的应力场是由应力强度因子 AK控制的，因此裂纹在疲劳载荷下的扩展可以用应力强度因子进行描述。应力强度因子幅度 AK是控制疲劳裂纹扩展速率dddN最主要因素。

将由试验获得的裂纹扩展数据(dcddN)-(△K)画在双对数图中，就得到(d Ⅳ)-(△ )曲线 ，如图 3所示。曲线是描述疲劳过程中裂纹扩展阶段的性能。它是在脉冲循环下的曲线作为基本裂纹扩展速率曲线的。

图 3典型疲劳裂纹扩展速率与 AK曲线Figure 3 The Growth Rate and AK Curve of the Typical Fatigue Crack典型的 daldN-AK曲线-般可以分为三个区域：区域 I是低速率区。这个阶段的裂纹扩展往往是不连续的，材料的微结构，平均应力及环境因素对扩展速率的影响较大，区域 I中 da/dN-AK曲线较陡，存在着-个应力强度因子幅度的门槛值△ ，当应力强度因子幅度 AK

区域Ⅱ是中速扩展区。此时裂纹扩展速率-般在 10 m/c-10 rMc的范围内。实验研究证明，在这个区域 lg(dddN)和 lg(AK)是线性相关的。含裂纹工程构件疲劳寿命估算中最有用的就是区域Ⅱ的dddN-AK关系和区域 I中的门槛值 △ 。

区域Ⅲ为高速率区。因为裂纹扩展率高，寿命只占整个裂纹扩展寿命的很小-部分，这-区域主要是断裂韧性 控制。

全范围 dddN-AK关系的三分量模型为： ! -da/dN (△ ) 。(△ ) f(1- R)K 1式中的三项对应于裂纹扩展速率的三个区域，其转变部分由式中相邻两项表达。m.和m 是区域 I和区域Ⅱ中直线部分的斜率估计， 为数列韧性，4.、4：为待定系数，可通过线性回归来确定。如果只研究区域Ⅱ，则上式可写成：dddNalg(AK/AK )/lg[(1 )KyAK]式中： 与嘴 定常数。

由上式知，当 AKAK.，，则 da/dNO，裂纹将不扩展；如果△K (1-R)ICe，则 da/dN ，裂纹发生失稳扩展而破坏。

考虑加载对裂纹扩展的影响，以下为著名的Forman公式：da-C(AK) r1、dN-(1- AK式中：C、 r待定材料常数； -材料在试件或构件厚度下的断裂韧性。而：(1-R)K-AK -AK ( -K )n啪 x-m ax由上式可见，在循环最大应力下的K-若达到 时，(1)式分母为 0，da/dN趋于无穷大，裂纹失稳扩展至断裂。

4凸轮轴断裂的实验分析4.1 断裂凸轮轴的材料性能分析采用金属多元素分析仪对断裂的凸轮轴的化学成分进行测定。得到断裂凸轮轴的材料的化学成分，如表 1所示。从表1中的化学成分可以确定此凸轮轴的材料是球墨铸铁。由于球墨铸铁具有良好的流动性、良好的铸造性能、良好的切削加工性能和良好的耐磨性能。而且球墨铸铁还具有与高强度、高韧性、良好延伸性、热加工性能和良好的淬透性的钢的许多相似的特性 ，因此球墨铸铁已广泛用于发动机凸轮轴制造13]。

表 1断裂的凸轮轴主要化学元素所示比例Tab.1 The Proportion of Main Chemical Elementof Fracture CamshaftFe C si Mn Mo Ni S P对于非合金的球墨铸铁其C含量-般在为(3 4D ，si含量为(1.8～2.8)%。对于高质量的球墨铸铁，其硫元素的含量控制得很严格，硫元素含量太低会导致球状石墨数量减少，含量太高则会引起片状石墨的出现。球墨铸铁中的磷元素能促进珠光体的产生，能提高铸铁的硬度和抗拉强度，降低延伸率[。而且磷元素还具有促进石墨形成的作用I51。经对本凸轮轴的机械性能的测定，凸轮轴表面平均硬度值为 56.1HRC时，断裂截面的平均硬度为23.1HRC。凸轮轴材料的屈服强度大约为 450MPa，极限强度大约为 550MPa。

42断裂凸轮轴的材料性能分析图4扫描电镜下的断裂凸轮轴断口组织图Fig.4 The Fracture Organization Chart of Camshaft Underthe Scanning Electron Microscopy(SEM)采用扫描电镜对凸轮轴的断裂截面进行形貌扫描分析，可以发现凸轮轴在加工铸造时的-些缺陷。由于凸轮轴在铸造时受不恰当铸造条件的影响，会在铸件中产生许多气泡，这些气泡会No.1Jan.201 3 机械设计与制造 145阀体 1的阀座上，因此油液无法通过17]。

由于油压减小-侧的单向阀处于关闭状态，此时油液在这个细姓间内，随着切削液流速的增加，切削液必将对偏斜-侧钻杆产生冲击，其湍流油液作用与钻柄的力指向刀体回转体中心，力的大小撒于油液的冲击能力目。此方式可以产生很好的纠偏效果。当钻杆纠正，四个单向阀处于关闭状态，钻头继续钻削。

j-10.1 只 0l阀 体 2.阀芯 3.径向孔 4.内孔 5.弹簧图 6微型单向阀结构分布图Fig.6 The Structure Distribution Diagram of Miniature Check Valve4结论通过液压变化的角度设计，巧妙的使镶嵌于钻柄内的微型单向阀智能开闭，达到深孔钻削纠偏效果∩降低废品，提高生产效率。此方案对今后深孔加工领域的生产和研究提出新的进展。