柴油发动机凸轮轴疲劳断裂研究_马天源

+（ΔAK2）m2
-
A2 （1-R）Kc
m2
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。m1 和 m2 是区域Ⅰ和区域Ⅱ中直线部分的 斜率估计，Kc 为数列韧性，A1、A2 为待定系数，可通过线性回归来
ห้องสมุดไป่ตู้
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 Under
第1期
马天源等：柴油发动机凸轮轴疲劳断裂研究
141
确定。如果只研究区域Ⅱ，则上式可写成： da/dN=a｛lg（ΔK/ΔKth）/lg［（1-R）Kc/ΔK］｝B
式中：A 与 B—待定常数。
图 2 断裂凸轮轴断裂面图 Fig.2 Fracture surface chart of Camshaft
裂韧性。而：
（1-R）Ke
-ΔK=
ΔK Kmax
Ke
-ΔK=
ΔK Kmax
圯Ke -Kmax 圯
由上式可见，在循环最大应力下的 Kmax 若达到 Ke 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
the 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一些缺陷。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.1
142
机械设计与制造
Ｊａｎ．２０１３
聚积在一个区域，如图 4 所示。这里会形成应力集中，应用力集中 会在产生气泡的截面产生疲劳裂纹。这些裂纹在循环动载荷的作 用下会迅速生长，裂纹进一步扩展就会造成断裂情况的出现。除 此之外，由于凸轮轴的自身结构和总体设计方面的原因，凸轮轴 本身有裂纹的区域有一个应力集中，如图 2 所示。气泡和结构缺 陷的交互作用进一步加速了凸轮轴的断裂。
沿凸轮轴圆周的节点号
通用有限元软件 ABAQUS 对断裂凸轮轴进行应力分析，使用 FE-safe 对断裂凸轮轴进行疲劳仿真分析，得出凸轮轴疲劳断裂 失稳区域。
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，会进一步助长裂纹的生长，当裂纹生长 到一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。
对于非合金的球墨铸铁其 C 含量一般在为（3.0～4.0）%，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
典型的 da/dN-ΔK 曲线一般可以分为三个区域：
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
区域Ⅰ是低速率区。这个阶段的裂纹扩展往往是不连续的， 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
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 da/dN-ΔK 关系和区域Ⅰ中的门槛值 ΔKth。 区域Ⅲ为高速率区。因为裂纹扩展率高，寿命只占整个裂纹
扩展寿命的很小一部分，这一区域主要是断裂韧性 Kc 控制。
全范围 da/dN-ΔK 关系的三分量模型为：
1 da/dN
=（ΔAK1）m1
1 引言
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，
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
凸轮轴的旋转速度只有发动机曲轴的一半，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性，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 轴在结构上一般由凸轮、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一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、
区域Ⅱ是中速扩展区。此时裂纹扩展速率一般在 10-8m/c-
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。
10-5m/c 的范围内。实验研究证明，在这个区域 lg（da/dN）和 lg（ΔK） 4.2 断裂凸轮轴的材料性能分析
5 凸轮轴疲劳断裂有限元分析
针对凸轮轴结构设计上的缺陷和应力集中问题可以使用有 限元方法来分析断裂区域的应力集中及断裂区的疲劳寿命。应用
应力（ＭＰａ）
２００ １８０ １６０ １４０ １２０ １００
８０ ６０ ４０ ２０１９０７１９０９１９１１１９１３１９１５１９１７４１３４１１４０９ ３９３３９１３８９４１
3 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一定阶段形成 的，由于裂纹尖端的附近的应力场是由应力强度因子 ΔK 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 ΔK 是控制疲劳裂纹扩展速率 da/dN 最主 要因素。
将由试验获得的裂纹扩展数据（da/dN）-（ΔK）画在双对数图 中，就得到（da/dN）-（ΔK）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。
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
Kc ｄa C（ΔK）m ｄN ΔKth
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[3]。
表 １ 断裂的凸轮轴主要化学元素所示比例 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ Ｐ ｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ
ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｃａｍｓ ｈａｆｔ
ⅠⅡ
Ⅲ
Fe
C
Si
Mn
Mo
Ni
S
P
93.315 3.42 2.33 0.296 0.010 0.038 0.009 0
图 3 典型疲劳裂纹扩展速率与 ΔK 曲线 Figure 3 The Growth Rate and ΔK Curve of the Typical Fatigue Crack
ｌｇ ｄa ｄN
由上式知，当 ΔK圯ΔKth，则 da/dN圯0，裂纹将不扩展；如果 ΔK圯（1-R）Ke，则 da/dN圯∞，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（ΔK）m dN （1-R）Ke ΔK
（1）
式中：C、m—待定材料常数；Ke—材料在试件或构件厚度下的断
机械设计与制造
第1期
140
Machinery Design ＆ Manufacture
2013 年 1 月
柴油发动机凸轮轴疲劳断裂研究
马天源，李发宗，邓艳宁，胡如夫 （宁波工程学院 机械工程学院，浙江 宁波 315016）
摘 要：凸轮轴是发动机关键部件，控制着进排气系统的配气相位，凸轮运转时承受着交变载荷，长时间工作易产生疲劳 裂纹，裂纹扩展会导致凸轮轴的断裂，造成配气部件的损坏。 针对某柴油发动机凸轮轴断裂情况，根据疲劳断裂生长理 论，运用实验分析和有限元分析方法，对凸轮轴疲劳断裂成因进行分析，计算出了凸轮轴极限应力和疲劳安全系数，分析 了凸轮轴的疲劳安全可靠性。 同时发现柴油发动机凸轮轴在制造和设计中存在的问题，提出避免柴油发动机凸轮轴发生 疲劳断裂的措施，为设计高质量的凸轮轴提供依据。 关键词：柴油发动机；凸轮轴；疲劳；有限元 中图分类号：TH16；S219.031 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2013）01-0140-03
Research on Fatigue Fracture of Diesel Engine Camshaft
MA Tian-yuan，LI Fa-zong，DENG Yan-ning，HU Ru-fu
（School of Mechanical Engineering，Ningbo University of Technology，Zhejiang Ningbo 315016，China）
剥落，以至大面积磨损现象[1]。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[8]。
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、优良的抗磨性能和一定的耐蚀性 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
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 生，能提高铸铁的硬度和抗拉强度，降低延伸率[4]。而且磷元素还
域Ⅰ中 da/dN-ΔK 曲线较陡，存在着一个应力强度因子幅度的门 具有促进石墨形成的作用[5]。经对本凸轮轴的机械性能的测定，凸
槛值 ΔKth，当应力强度因子幅度 ΔK<ΔKth 时，裂纹将不发生扩展。 <ΔKth 是估计裂纹是否扩展的一个重要的材料参数。