Engineering Failure Analysis 82 (2017) 681–686
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Engineering Failure Analysis
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Failure mode analysis of a diesel motor crankshaft
M. Fontea,b,⁎, V. Infanteb, L. Reisb, M. Freitasb
a Escola Superior Naacute;utica, Av. Eng. Bonneville Franco, 2770-058 Paccedil;o de Arcos, Portugal
b LAETA, IDMEC, Instituto Superior Teacute;cnico, Universidade de Lisboa, Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa, Portugal
A R T I C L E I N F O
Keywords:
Crankshafts
Failure mode analysis Rotating bending Reverse bending Steady torsion
A B S T R A C T
A failure mode analysis of a diesel motor (110 kW) crankshaft from an automobile vehicle is presented. After 120,000 km in service, an abnormal vibration was detected which was in- creasing with the time. The diesel motor was first disassembled for determining the root cause, however without success. No defect was detected, but since a suspicion of damage was present, and being this failure recurrent in this type of diesel motor series, the crankshaft was dis- assembled again. Then the crankshaft was subjected to a simple vibration analysis and a pre- liminary indication of possible existence of a crack was concluded. The crankshaft was then replaced by a new one, and the old was subjected to a failure analysis for determining the root cause. A crack was found at the crankpin web-fillet and after a complete opening of the crack, the failure analysis showed that fatigue was the dominant failure mechanism. Observations were carried out by optical and Scanning Electronic Microscope. Material defects at the crack initiation zone were not found. The root cause of damage seems to be a misalignment of the main journals and a weakness of design close to the gear at the region where the crack was initiated. Therefore, probably a poor design and a deficient assembling of the crankshaft helical gear coupled to the main journal end was the first cause of the failure.
- Introduction
Fatigue is a phenomenon that results from cyclic loadings with stress levels well below the yield or ultimate material strength. The fatigue process is separated in three stages of a crack growth: crack initiation, crack propagation, and final failure when the crack propagating reaches a critical size at which the remaining material area cannot support the applied load, whereby the sudden rupture occurs. It is estimated that fatigue contributes to approximately 90% of all mechanical service failures.
All machines are subjected to fatigue failures and this phenomenon is known since the XIX century. The earliest scientific in- vestigations on fatigue behavior concerned the fatigue resistance of railway tracks are known since 1870#39;s being introduced the concept of fatigue limit [1]. Later a notable study of experiments on the resistance of metals to fatigue under combined stress, bending and torsion, were carried out [2] and published after the Second War only.
In internal combustion machines, the connecting rod big end transmits the gas pressure from each cylinder to every crankpins as forces distribute along the crankpin surface. These forces are decomposed in tangential and radial, which produce, respectively, the engine torque and bending on the crankshaft. A crankshaft generally is connected to a flywheel to reduce the pulsation characteristic of the four-stroke cycle, and sometimes a torsional or vibrational damper is assembled at the opposite end, in order to reduce the torsional vibrations.
When a mechanical component fails, it becomes vitally important to investigate the root cause. The failure mode analysis is a
⁎ Corresponding author at: Escola Superior Naacute;utica, Av. Eng. Bonneville Franco, 2770-058 Paccedil;o de Arcos, Portugal.
E-mail address: fonte@enautica.pt (M. Fonte).
http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.06.010
Received 1 October 2016; Received in revised form 27 May 2017; Accepted 1 June 2017
Available online 08 June 2017
1350-6307/ copy; 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.
common process for determining the causes or factors that lead an undesired loss of functionality. Understanding the root cause for failures is therefore required to avoid recurrence and prevent failure in similar components. It is also clear that the failure analysis and laboratory testing have avoided future failures, namely through the design improving, materials selection, manufacturing pro- cess, etc. The study of failure and also the knowledge of the operating history of the mechanical component are of significant importance for any accurate and reliable analysis. However, a reliable technical failure investigation requires above all experience and multi-disciplinary expertise, as well as a good data gathering complemented by a credible laboratory. A failure investigation should cover at least several activities such as material characterization, failure mechanism or mechanisms, crack initiation site, sequence of failure and finally the determination of the root cause.
Endurance curves, well-known as Wouml;hler curves, or SeN curves, mainly obtained under r
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工程失效分析
柴油机曲轴失效模式分析
关键词：曲轴，失效模式分析,旋转弯曲, 反向弯曲, 稳态扭转,
摘要：本文对汽车柴油机（110kw）曲轴进行了失效模式分析。在行驶120000公里后，检测到异常振动，随着时间的推移，振动逐渐加剧。柴油发动机首次拆卸是为了确定根本原因，但没有成功。没有检测到任何缺陷，但由于存在损坏的嫌疑，并且这种故障在这种类型的柴油发动机系列中反复出现，因此曲轴再次解体。然后对曲轴进行简单的振动分析，得出可能存在裂纹的初步迹象。然后用新曲轴替换旧曲轴，并对旧曲轴进行故障分析，以确定根本原因。曲柄销轴颈处发现裂纹，裂纹完全张开后，失效分析表明疲劳是主要失效机理。用光学显微镜和扫描电子显微镜进行观察。在裂纹萌生区未发现材料缺陷。造成损坏的根本原因似乎是主轴颈错位，以及裂纹起始区域齿轮附近的设计缺陷。因此，曲轴斜齿轮与主轴颈端联接的设计和装配不当可能是故障的第一个原因。
1、引言
疲劳是由应力水平远低于屈服或极限材料强度的循环载荷引起的现象。疲劳过程分为三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和最终失效，当裂纹扩展到临界尺寸时，剩余材料区域无法支撑施加的载荷，从而发生突然断裂。据估计，疲劳导致大约90%的机械故障。
所有机器都会发生疲劳故障，这种现象自十九世纪以来就已为人所知。自1870年引入疲劳极限概念以来，有关铁路轨道抗疲劳性能的最早科学研究成果就已为人所知[1]。后来，对金属在组合应力、弯曲和扭转下的抗疲劳试验进行了一项引人注目的研究[2]，并仅在第二次战争后出版。
在内燃机中，连杆大端将气体压力从每个气缸传递到每个曲柄销，力沿曲柄销表面分布。这些力分解为切向力和径向力，分别在曲轴上产生发动机扭矩和弯曲力。曲轴通常与飞轮相连，以减少四冲程循环的脉动特性，有时在另一端装配扭转或振动减振器，以减少扭转振动。
当机械部件发生故障时，调查根本原因变得至关重要。故障模式分析是确定导致意外功能丧失的原因或因素的通用过程。因此，需要了解故障的根本原因，以避免再次发生，并防止类似部件出现故障。很明显，失效分析和实验室测试已经避免了未来的失效，即通过设计改进、材料选择、制造工艺等。对失效的研究以及对机械部件运行历史的了解对于任何准确可靠的分析都是极为重要的。然而，一个可靠的技术故障调查首先需要经验和多学科的专业知识，以及一个可靠的实验室补充的良好的数据收集。失效调查应至少包括几个活动，如材料特性、失效机理或机制、裂纹起始点、失效顺序和最终确定根本原因。
耐久曲线，也就是众所周知的沃勒曲线，或SeN曲线，主要在旋转或反向弯曲、伺服液压试验机下获得，或最近通过超声波疲劳获得[3]，这有助于了解材料疲劳性能，导致基于抗疲劳失效的可靠设计。影响疲劳的变量有很多，其中一些变量是峰值应力、平均应力、加载频率、环境、温度、材料微观结构、表面光洁度、残余应力等，在确定部件的安全寿命时，应考虑这些因素。
曲轴是将往复直线活塞运动转化为旋转运动的发动机部件，当连杆大端位于上止点（TDC）时，曲轴必须抵抗弯曲应力，该上止点直接作用于曲柄销，并倾向于弯曲相邻轴承之间的轴。它们是发动机中受力最大的部件之一，也是常见的疲劳失效部件，是内燃机失效的主要根源。曲轴也常用于动力传动装置中，从小型单缸到大型多缸在电机和压缩机中有广泛的应用。作为发动机的高速旋转部件，其使用寿命可执行数百万次重复加载循环。关于轴和曲轴及其疲劳和灾难性失效模式分析的研究，目前已得到广泛的研究。一些案例研究结果可以在最近的文献中找到[4-10]。
材料表面缺陷，如锻造重叠或表面裂纹，会增加局部应力，从而在这些点产生集中，导致疲劳开始过程比预期快得多。此外，腐蚀引起的应力集中、表面缺陷（如在使用过程中引入的划痕和磨损）也可能导致裂纹萌生。曲柄销或主轴颈上的应力集中是不可避免的。曲轴上任何几何或直径突然变化的地方，都存在可能导致疲劳失效的应力集中，因此，为了降低应力集中的严重性，必须使用小玻璃管[11]。曲轴裂纹的萌生通常是很好的局部性，其起源一般靠近曲柄销轴颈、润滑孔或主轴颈。曲轴销和主轴颈的弯曲半径不正确或纠正错误也可能导致疲劳裂纹萌生。
图1显示了具有技术术语的典型曲轴，如主轴颈、曲柄销、连杆、润滑孔、轴端和平衡重，其中也显示了连杆。平衡块平衡曲柄销和曲柄臂的偏心重量，补偿曲轴转速产生的离心力。如果没有这种平衡，曲柄动作将产生严重的振动，特别是在较高的速度下，如果不控制这种振动，会导致曲轴损坏[5]。曲轴还必须承受转速变化产生的扭转力。此外，由于这些异常的摩擦，螺栓的松动也经常发生。平衡锤利用惯性来减少功率脉冲的脉动效应，其方式与飞轮用于存储旋转能量的方式相同。另一个重要的声明是多轴载荷作用下的疲劳过程，该过程出现在主轴颈上。主轴颈处于旋转弯曲状态（Delta;KI，循环模式I），结合稳定扭转（KIII）[12,13]，而曲柄销仅处于反向弯曲状态。原因是曲柄销有一个平移运动，而不是旋转。
当活塞位于上止点时，曲轴必须抵抗连杆推力引起的弯曲应力。曲轴不平衡或错位可能会造成严重损坏或灾难性故障。这些错位可能是由于主轴承磨损或发动机底板横向构件变形造成的。由于气缸内的燃烧压力，曲柄销或主轴颈处的载荷可能会超过疲劳强度极限。最大气压直接作用在曲柄销上，并倾向于使相邻的主轴颈轴承之间的轴弯曲。例如，例如，一台典型的汽车柴油发动机，四冲程，涡轮增压，活塞直径80毫米，最大燃烧压力140巴，连杆大端对曲柄销施加的力，在上止点后接近10°，可达到约68千牛。这种负载在主轴颈之间产生过拱（关闭上止点处的曲轴摆度）和下垂（上止点处的曲轴摆度打开）。此外，曲轴还必须承受转速变化产生的扭转力。多程轴的曲柄设置在适当的角度，为发动机提供“配置顺序”。选择固定顺序主要是为了获得平稳的扭矩和最佳的机械平衡。但是，还应考虑适用于涡轮增压和扭转振动的主要轴承载荷和排气装置。尽管曲轴看起来很坚固，但它们依靠主轴承来发展其全部强度。这项工作报告了对一辆机动柴油车曲轴损坏的调查。为了保持匿名性，省略了发动机制造商，因为对故障模式分析没有任何兴趣。
曲柄销
平衡块
主轴颈 油孔
轴端
曲柄臂
腹板
斜齿轮
图1.具有技术术语的典型曲轴.
2.故障描述、材料和程序
曲轴属于柴油发动机，额定功率110千瓦，4缸，四冲程，知名汽车品牌。曲柄销和主轴颈直径分别为45.0 mm和60.0 mm。电机运行3年后，运行12万公里左右，开始振动，振动随时间增加。在一个机械车间，柴油发动机第一次拆卸是为了确定根本原因，但没有成功。未检测到任何缺陷，但由于怀疑存在损坏，并且这种故障在此类柴油发动机系列中反复出现，因此再次拆解了发动机。对曲轴进行了简单的振动分析，得出了在某个地方可能存在裂纹的初步迹象。然后用一个新的曲轴替换了曲轴，最终测试后，电机运行良好。随后对旧曲轴进行故障模式分析，以确定根本原因。
3.结果和讨论
3.1.寻找裂缝并切割材料样品
为了避免将来的损坏，对旧曲轴进行了故障分析，以确定根本原因。首先，使用适当的喷雾剂进行染色检查试验，以检测或定位可能的裂纹。未立即发现裂纹，但锤击平衡锤后，曲柄销轴网的小根部出现裂纹，周围出现大裂纹，如图2和图3所示。裂纹集中在靠近与主轴颈N°连接的斜齿轮的曲柄销轴网上。在这之后，有一个尝试打破曲轴弯曲使用重锤和扭矩杠杆，但没有成功。然后用机械锯分离零件，发现一个大的裂纹表面，裂纹深度接近曲柄销中心。
图4（a）和（b）所示为4号曲柄销用机械锯分离后的裂纹表面。曲柄销断裂的特写图还显示了裂纹的萌生位置和裂纹扩展方向，其中存在半椭圆形的滩痕。在断裂面上观察到海滩痕迹，表明裂纹前缘的连续位置，这些形态特征表明裂纹扩展模式为疲劳。裂纹扩展是一种较为光滑、光亮的疲劳裂纹扩展现象。
裂纹表面在底部边缘周围出现多处裂纹萌生（如图4（b）中的棘齿标记所示）。也可以看出，滩标profile采用了初始弯曲前缘（靠近裂纹起始点），之后，当它从曲柄销底部向中心传播时，会出现一个半椭圆前缘profile。裂纹萌生区显示棘轮痕迹，这表明腹板上存在一些严重的应力集中。
3.2.材料特性
利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对曲柄销4的横截面进行了金相检验。此外，EDS的化学成分如图5所示。
裂纹
图2.对整个曲轴进行染色检查试验，以确定裂纹.
裂纹
图3.4号曲柄销在染色检查测试后发现裂纹.
根据曲轴粗糙表面上的刻印参考，这种钢是典型的37Cr4，其化学成分约为0.37C、0.25Si、0.70Mn、1.05Cr、0.035S、0.035P。
从4号曲柄销（直径45 mm）上切下用于显微照片分析的样品，在这里也可以观察到润滑油通道，图6（a）。在图6（a）中，表面在3%nital蚀刻后显示为发现的。图6（b）和（c）分别显示了200times;和500times;放大倍数下4号曲柄销的横截面微观结构。观察组织，基体由铁素体和珠光体形成。所有表面的平均维氏硬度约为HV280，未观察到热处理。
3.3.扫描电子显微镜（SEM）分析
利用扫描电镜对裂纹萌生点附近的疲劳表面进行了详细的显微形貌观察。未观察到材料缺陷和腐蚀坑以及机加工的明显划痕。图7（a）显示了一个观察到的疲劳条纹区域，图7（b）中也包含了该区域。
3.4.损坏的根本原因
根据结果，根本原因似乎是在发现裂纹萌生的区域，曲柄销靠近齿轮的错位或弱点。裂纹萌生区未发现材料缺陷、腐蚀或机加工划痕。连接到4号主轴颈的齿轮设计不良或/和装配不当也会导致损坏。尽管外壳轴承处于良好的工作状态，但这种类型的柴油串联发动机的这种故障反复出现。
曲柄销4上的疲劳裂纹扩展形态和半椭圆形裂纹前缘形状决定了纯模式I（反向弯曲）的效果，即销网打开和关闭，即曲柄摆拱（在上止点处关闭曲柄摆）和下垂（在上止点处打开曲柄摆）。
曲柄销有一个平移运动，而曲柄摆的工作原理是悬臂弯曲。因此，纯模式i只存在，这是失效的主要机制。曲柄销处的扭转（扭矩）影响可以忽略不计[14]。因此，曲轴在4号曲柄销处断裂，其断裂形态表明是疲劳破坏，裂纹起始点位于曲柄销轴颈根部，并由可能出现的疲劳条纹表示，如图7（c）所示。
用机械锯
切割
裂纹萌生
(a)
(b)
裂纹萌生点
棘轮痕
图4。（a）用机械锯分离后的4号曲柄销的裂纹表面；（b）显示裂纹起始位置的断裂曲柄销的特写镜头，以及裂纹扩展方向和海滩标记。
图5。用EDS法测定曲轴钢的粗化学成分。
(a)
(b)
(c)
图6。（a）准备获得显微照片和平均维氏硬度（HV 280）的横向曲柄销4截面，以及（b）200times;和（c）500times;显微照片放大率。
由于主轴颈轴承、台板最终错位，甚至连杆大端在曲柄销上施加的高负荷水平，在相邻的腹板之间，疲劳裂纹通常会在曲柄销腹板处发生。通过追踪裂缝形态上观察到的半椭圆形海滩标记，可以确定裂缝起始位置，如图4（b）所示。腹板应力集中、主轴颈错位、轴瓦磨损、润滑或曲轴轴承压力不足都可能是造成损坏的一些根本原因。
4. 结论
根据上述分析，在4号曲柄销处，通过开孔方式i，在反向弯曲的情况下，疲劳、腐蚀或机加工划痕明显导致失效。在裂纹萌生附近未发现材料缺陷、腐蚀或机加工划痕。裂纹开始于4号曲柄销轴颈处，应力集中度最高，并最终由于4号和3号主轴颈错位。在4号主轴颈端部和4号曲柄销之间插入的螺旋齿轮（用于泵油）确实造成了这种反复损坏。曲轴的正确平衡和主轴颈轴承的对准对提高疲劳寿命起着重要的作用，因为曲柄销的腹板会在裂纹产生的关键区域内形成裂纹。建议改变这种曲轴的设计，主要是因为斜齿轮插入靠近4号曲柄销。
图7。在800times;（a）和5000times;（b）处观察到的SEM显微照片，在可能的情况下观察到疲劳条纹。
参考文献
[1] A. Wouml;hler, Uuml;ber die Fest
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