发动机连杆失效分析

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汽车发动机连杆失效分析
学院机电工程学院
作者XXX
学号XXXXXXXX 专业班级XXXXXXXX 小组成员XXXXXXXXXXXXXX
指导教师XXXXXX
2013年12月
目录
引言 (3)
一．基本知识 (3)
1. 连杆的结构 (3)
2. 制造工艺 (3)
3. 钢锻连杆使用材料 (3)
4. 连杆受力分析及有限元法 (3)
二．断口理化检验 (3)
1. 材料化学成分 (3)
2. 断口外观质量和失效形貌 (3)
3. 微观断口夹杂物检测分析 (3)
4. 断口金相组织 (3)
5. 断裂位置 (3)
三．失效原因（断裂原因） (3)
1. 失效原因总结 (3)
2. 连杆疲劳强度研究 (3)
3. 连杆疲劳寿命预测 (3)
四．总结 (3)
1. 影响疲劳强度的主要因素 (3)
2. 对连杆生产的建议 (3)
五．参考文献 (3)
引言
连杆是车用发动机的重要部件，从对车用发动机的失效历史数据来看，连杆的失效概率非常高，而且其失效模式与失效原因具有多态性，其本身结构的复杂性、制造工艺、热处理工艺、工况的恶劣程度、使用频率以及设备维护、维修等因素均可造成失效。

连杆的作用是将活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动，并把活塞上的力传给曲轴。

连杆小端做往复运动，大端做旋转运动，杆身做复杂的平面运动，它承受活塞传来的气体压力，往复运动惯性力及本身摇摆所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化，易引起连杆失效。

据统计，连杆的主要破坏形式是疲劳破坏。

摘要：连杆的主要破坏形式是疲劳破坏。

本文主要对钢锻连杆进行分析，并从连杆结构、制造工艺、受力分析、所选材料以及断口组织结构等方面对失效原因和疲劳破坏进行分析总结。

关键词：汽车、发动机、钢锻连杆、失效分析、疲劳
连杆作为传递力的主要部件广泛地应用于各类动力机车上，是各类柴油机或汽油机的重要部件。

发动机连杆的作用是将活塞的直线往复运动转化为曲轴的旋转运动，实现发动机由化学能转变为机械能的输出。

发动机连杆连接活塞和曲轴，将活塞承受气体作用力传给曲轴，使曲轴旋转对外输出动力，工作时承受很高的周期性冲击压力、弯曲力和惯性力，这就要求连杆应具有高的强度、韧性和疲劳性能，连杆体的几何结构有良好的结构刚度。

同时也因连杆是发动机重要的运动部件，而高速运动产生的惯性力又要求结构轻巧，所以要求连杆在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度、强度和质量精度。

［1］
一．基本知识
1. 连杆的结构
连杆（connecting rod）连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。

连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。

连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。

杆身通常做成“工”或“H”形断面，以求在满足强度和刚度要求的前提下减少质量。

连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。

一般做成分开式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓连接为一体。

连杆轴瓦：安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装和在一起，是发动机中最重要的配合副之一。

2. 制造工艺
钢制连杆都用模锻制造毛坯。

它的锻造工艺有两种方案, 将连杆体和盖分开锻造, 连杆体和盖整体锻造。

钢锻连杆的一般制造工艺如下：
原材料→断料→锻造坯料→精模锻→调质处理→喷丸→硬度及表面检查→矫正→精压→探伤→精加工→成品。

［2］
按照连杆体和盖的剖分方法，目前连杆制造工艺主要分为2种：（1）传统连杆制造工艺。

体、盖为整体锻造结构，经过粗加工后，采用锯断法将体、盖分离，精加工结合面后再组装进行其它精加工；（2）连杆裂解工艺。

与传统工艺的区别体现在断裂面呈现犬牙交错的自然断裂表面，由此使其具有加工工序少、节省精加工设备、节材节能、生产成本低等优势。

此外，裂解工艺还可使连杆承载能力、抗剪能力、杆和盖的定位精度及装配质量大幅度。

传统连杆的大批量生产较多采用专用机床，工序较多。

加工过程中基准需经过多次转换，精度不易保证，适应性较差。

现在连杆制造工艺，采用数控加工中心完成机加工，工序集中，基准统一，而且可以随产量的增长而灵活调整，是一种既经济、适应性又强的先进生产方式。

3. 钢锻连杆使用材料
①碳素钢和合金钢
国内一般中、小型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料是碳素调质钢和合金调质钢，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。

碳素钢中碳的质量分数为：0.40%～0.55% ；合金钢主要添加的合金元素是铬、锰、钼、硼等，可单独添加或复合添加。

［3］碳素钢连杆的调质硬度一般在229~269HBS，合金钢连杆的调质硬度可达到300HBS，但最高不超过330HBS，这主要是考虑后续的机械加工。

调质连杆具有足够的强度和塑性，一般碳素钢抗拉强度可达到800 MPa以上，冲击韧度在60 J/cm²以上；合金钢调质钢抗拉强度可达到900 MPa以上，冲击韧度在80J/cm²以上，可满足连杆的可靠性要求。

调质钢连杆的制造工序是，棒料经过剪切，热锻成形，调质处理，强力喷丸、机械加工，装配和检测。

②非调质钢
非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。

非调质钢省略了锻后的热处理，从而节省了能源，减少了生产工序，降低了成本。

另外，由于省略了调质工序，避免了零件在热处理工序中
产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题，对提高产品质量有一定的好处。

非调质钢按其强韧可以分4类（如表1）其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。

③粉末烧结
粉末烧结锻造工艺在20世纪60年代就已出现。

当时，美国、日本及欧洲的一些国家均进行了大量的试验研究工作。

由于当时金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。

随着金属粉末、合金粉末的开发及相关工业的发展，粉末烧结锻造工艺也相应的得到发展，并且逐渐的应用到汽车结构件的制造之中。

4. 连杆受力分析及有限元法
对连杆高速运动中的受力状况进行理论分析，需结合有限元软件ANSYS对活塞连杆进行三维准静态有限元分析研究，计算模型与实际结构、工作状况相符；采用接触算法，以理论分析为依据，模拟分析为手段，找出导致连杆失效的主要因素。

活塞连杆组的运动状况如图1所示。

其中，小头端随活塞组做往复直线运动，大头端绕曲柄销做旋转运动，杆身部分为往复运动和摆动所合成的复合运动；连杆的受力情况较为复杂，在其杆身的每一个截面上都会有弯矩、剪力和法向力，但弯矩和剪力都不大，杆身的主要载荷是交变的拉压负荷。

［4］
图1活塞连杆组的运动
柴油机活塞连杆组的运动极不均匀，伴随着很大的加减速度，产生超重上千倍的惯性负荷，对连杆的强度和耐久性影响很大，并导致振动和噪声。

这些惯性负荷主要有：活塞组件往复运动所产生的往复惯性力，曲轴不平衡回转质量回转运动所产生的离心力，连杆运动所产生的惯性力。

［5］
受计算机技术限制，以往的连杆有限元分析计算一般是将连杆计算模型简化成二维平面问题来处理。

近年来随着计算机技术的发展，计算机的计算能力越来越大，连杆计算越来越多采用三维有限元分析。

三维有限元分析时因单元数量多，计算量庞大，资源占用严重，所以通常连杆分析模型一般不包括活塞销和连杆轴颈，连杆受力是通过加在连杆大、小头孔内表面的载荷来简化计算分析。

模型简化会给建立模型、划分网格、分析计算等过程带来方便，所需的计算资源减少，但同时带来的问题是简化处理过多会影响计算结果精度。

接触问题是有限元分析中的一个难点。

因为连杆与活塞销、曲轴等零件相互作用组成一个受力系统，每个零件间的接触表面有力的相互作用。

采用接触分析法能最大限度地模拟连杆与活塞销、曲轴间的关系。

［6］因此，本文采用接触法来对发动机连杆进行分析，分析过程中同时考虑到活塞销和连杆轴颈，在连杆与活塞销、连杆与连杆轴颈间分别建立弹性接触对，用接触对来模拟连杆与活塞销、连杆与连杆轴颈间的连接
关系，使连杆分析模型尽量与连杆工作的实际状况相吻合，实现准确分析的目的。

二．断口理化检验
采用QUANTA-400 型扫描电镜对失效连杆断口进行形貌观察分析。

从连杆断口附近切取试样进行抛光，经4%HNO3酒精溶液腐蚀后，用LEICA DMI5000M光学显微镜观察其显微组织。

连杆的化学成分采用化学粉末法进行分析。

1. 材料化学成分
碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，如：40Cr连杆，其化学成分如下：
2. 断口外观质量和失效形貌
具体取样位置见示意图2。

连杆杆身断裂成两部分，同时可以看出杆部有明显的扭曲塑性变形（图3、图4）。

图2 断裂位置图3 裂纹源图4 宏观断口形貌
对断口进行除油、除锈处理后，在裂纹源的过渡圆弧表面未发现明显的擦伤或腐蚀沟槽。

断口均呈明显疲劳断口，均有清晰可见的疲劳贝纹（外凸）。

可看出断口分成两个区，裂纹扩展区和断裂区。

在扩展区的某些区域可观察到类似疲劳的花样。

由弧线的弯曲方向，可知裂纹源的位置。

［2］
3. 微观断口夹杂物检测分析
在断裂部位进行扫描电镜观察，如图 5 所示，在裂纹源区断面的主要形貌由韧窝和夹杂物组成。

图5 裂纹源区的夹杂物分布
对断口处进行试样元素检测，发现S、Mn、Si、Al等元素含量很高，杂质多为A 类或B 类夹杂物，还有少量炉渣。

4. 断口金相组织
从图6 可以看出，组织主要为细片状的屈氏体和沿晶分布的网状铁素体，显然，这种组织是在调质淬火过程中由于冷却不足所造成的，连杆中调质组织的片状屈氏体，和边缘处的贫碳层为连杆过早的发生塑性变形提供了组织上的有利条件；边界上的夹杂物阻止塑性变形，产生位错塞积形成应力集中区，为显微裂纹的形成提供了有利条件。

裂纹显微形貌见图7。

100 μm 50μm
图6断口下侧金相组织图
图7裂纹显微形貌
5. 断裂位置
对不同类型的连杆的破坏进行深入研究，综合起来可以得出，连杆的破坏可能出现在以下几个部位：杆身断裂；连杆小头断裂；连杆大头断裂；连杆盖断裂；连杆螺栓断裂；“直角台阶”处的疲劳断裂。

从以上的破坏部位可以看出，几乎连杆所有部位都有可能出现断裂。

但是从连杆破坏的大量实例来看，无论是主副连杆，还是并列连杆，以其杆部的疲劳断裂居多。

疲劳破坏的主要形式有：磨损、腐蚀和断裂。

［7］
三．失效原因（断裂原因）
1. 失效原因总结
整个断口分为断裂源区、裂纹扩展区及最后瞬断区。

从连杆破坏的大量实例来看，无论是主副连杆，还是并列连杆，以其杆部的疲劳断裂居多。

疲劳破坏的主要形式有：磨损、腐蚀和断裂。

裂纹源区在轴颈圆角面的小曲面上，断口边缘较为锋利，扩展区较大，呈现贝壳状扩展花样，瞬断区域较小并呈纤维状断口形貌（如图2—图4），整个断口表现为低应力作用下的弯曲疲劳断裂。

裂纹萌生后的亚稳扩展较慢，扩展区也较大，从裂纹的形成到裂纹的失稳扩展经历了一定的时间，这与汽车的实际运行里程也比较吻合。

导致疲劳失效的原因总结如下：（1）当材料中有大量的夹杂物时，由于夹杂物本身与基体材料差异，在夹杂物周围集中了较大应力，循环加载初期，集中的应力得以释放而导
致裂纹的萌生，并在夹杂物的尖角处集中，当达到一定程度时，晶粒
内部产生不均匀塑性变形。

随着损伤的不断积累，开始形成微裂纹，
裂纹沿一定的滑移系不断扩展，最终成为导致基体材料断裂的主裂纹。

（2）材料组织为片状的屈氏体和沿晶分布的网状铁素体以及边缘处不同程度的贫碳，因贫碳层的强度下降，在外力的作用下首先发生塑性变形，
位错运动遇到障碍物受阻时，产生位错塞积。

位错塞积形成高应力区，
当应力超过临界值时，则形成微裂纹。

［2］
（3）热处理时连杆表面形成粗大的针状马氏体组织，使连杆具有较大脆性，易发生脆性断裂。

2. 连杆疲劳强度研究
连杆的主要破坏形式是疲劳破坏。

（1）疲劳现象
强度、刚度和疲劳寿命是对工程结构和机械使用的三个基本要求, 其中疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一, 引起疲劳失效的主要原因是重复载荷。

疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。

疲劳特征零件、构件的疲劳破坏可分为3 个阶段:
①微观裂纹阶段。

在循环加载下, 由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区, 该区存在的驻留滑移带晶界和夹杂, 发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。

此后, 裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展, 裂纹长度大致在0.005mm以内, 发展成为宏观裂纹。

②宏观裂纹扩展阶段。

裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。

③瞬时断裂阶段。

当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时, 物体就会在某一次加载下突然断裂，对应于疲劳破坏的3 个阶段,在疲劳宏观断口上出现有疲劳源疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区。

（2）疲劳力学性能指标
金属的疲劳力学性能指标有：疲劳缺口敏感度、应力比、疲劳裂纹扩展门槛值、应力场强度因子范围、最大载荷、最小载荷、平均应力、应力幅、保持时间、疲劳寿命、疲劳极限、理论应力集中系数、疲劳缺口系数、疲劳裂纹扩展速率、累积循环次数
（3）疲劳强度测试
①试验设备
连杆疲劳试验在液压伺服疲劳试验机上进行。

液压伺服疲劳试验机采用液压方式加载，加载过程中对试样无冲击，也允许试样装夹时存在间隙，但是试验频率较低，一般不高于30Hz，因而试验周期较长。

②装夹方式
在工况下，连杆小头孔与活塞销之间一般为间隙配合且有润滑油并带有衬套。

在疲劳试验过程中，连杆的装夹方式应尽量模拟连杆实际工作中的受载环境，并加注润滑油。

在使用高频疲劳试验机进行试验时，由于试验设备要求连杆小头孔与销之间必须采用过盈配合，所以连杆小头孔与活塞销之间不能加注润滑油，连杆孔在试验过程中的受载情况与实际工况有较大差别，影响了试验结果。

图8液压伺服疲劳试验机上连杆装夹方式
在使用液压伺服疲劳试验机进行试验时，用连杆夹具固定连杆大头和小头（如图8），大头用尺寸与曲轴连杆轴颈相同的大头销替代，小头孔与活塞销可采用间隙配合方式连接。

［8］
③试验方法
目前，连杆疲劳试验规范一般执行行业标准或企业标准。

按加载方式不同来分，常见的试验加载方式有如下两种。

1）恒定负荷比法
恒定负荷比法是在试验加载时，保持负荷比R f不变，用名义负荷中的最大压力和最大拉力乘以一个安全系数来确定试验载荷。

2）恒定最大压力法
恒定最大压力法是在试验加载时，用发动机的最大超转速乘以一个系数，然后由此确定出试验过程中的最大压力，而试验载荷中的拉力用连杆名义负荷中的最大拉力乘以一个安全系数来确定。

④疲劳试验流程
1）确定加载方式
根据连杆设计部门对连杆的要求，确定适当的加载方式。

2）确定试验样品
试验样品必须是完整的连杆总成，包括连杆、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦以及衬套。

根据试验方法确定所需样品数量。

用成组法确定连杆的S-N曲线时，为了保证疲劳试验的可靠性，同时考虑试验周期不能太长，需要在4—5个应力水平下进行试验，每个应力水平试验4—6个试样，一般需要25—30个试样。

用升降法确定连杆的疲劳极限，一般需要10个试样。

在进行疲劳试验前，需要对试验连杆进行常规检验，以确定试验连杆负荷技术条件要求。

试验样品必须明确其在设计过程或生产过程中所处的具体环节。

3）试验数据及处理
通过进行疲劳试验，可以得出试验连杆在一系列载荷下的疲劳寿命，并可以确定出在各个载荷下的破坏情况。

利用P-S-N曲线法估算疲劳极限时，可分别求出存活率(P)为99.9%、95%和
50%的P-S-N曲线。

以某型连杆为例进行试验数据处理。

根据试验所得的数据，以载荷对数值lgS为纵坐标、寿命对数值lgN为横坐标，在不同的存活率下按直线拟合出对数P-S-N曲线（如图9），通过P-S-N曲线，可以求得不同存活率下的疲劳极限载荷值Sr和安全系数Ks（如表2）。

图9某连杆的P-S-N曲线
表2 某连杆的疲劳极限载荷值Sr和安全系数Ks
P/% 99.9 95.0 90 50
Sr/kN 66 69 70 73
Ks 1.80 1.84 1.85 1.89
4）试验结果评价
通过对连杆进行疲劳试验，可以确定出连杆的薄弱部位，同时可以确定出试
验连杆的安全系数。

3. 连杆疲劳寿命预测
根据疲劳裂纹扩展速率表达式，用积分法算出疲劳裂纹扩展寿命Np ，也可以算出带裂纹或缺陷机件的剩余疲劳寿命。

对于机件疲劳寿命的估算，一般先用无损探伤的方法确定机件初始裂纹尺寸a0、形状位置和取向，从而确定ΔK 的表达式ΔK=Y Δσa ，再根据材料的断裂韧度K1c 及工作名义应力，确定临界裂纹尺寸c a ，然后根据实验确定的疲劳裂
纹扩展速率表达式，最后用积分方法计算从0a 到c a 所需的循环周次，即使疲劳
剩余寿命c N 。

［9］
四．总结
1. 影响疲劳强度的主要因素
疲劳断裂一般是从机件表面应力集中处或材料缺陷开始的，或者是从二者结合处发生的。

因此，材料和机件的疲劳强度不仅与材料成分、组织结构及夹杂物有关，而且还受载荷条件、工作环境及表面处理条件的影响。

影响疲劳强度的各种因素归纳于表3中。

表3 影响材料及机件疲劳强度的因素
2. 对连杆生产的建议
①加工前对材料进行严格的金相检验，采用超声探伤，避免刀痕、擦伤、裂痕等表面缺陷，提高材质表面质量；
②选用夹杂物较少的钢材，以减少夹杂物对零件力学性能的影响；
③制定正确的热加工工艺，防止和减少连杆在锻造和热处理过程中的氧化脱碳；
④选用恰当的热处理工艺，避免形成粗大的晶粒。

五．参考文献
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