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3 曲轴的断裂失效分析
从大量使用的空压机主要零部件的疲劳破损分析得知曲轴连杆机构的失效主要有两种形式，一种是连杆所受压缩疲劳破坏；另外一种是发生在曲轴主轴颈与曲柄及连杆轴颈与曲柄过渡圆角处的拉伸疲劳断裂。通过曲轴疲劳强度的计算分析求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力，并在此基础上进行疲劳强度校核，即按材料的疲劳极限，考虑材料强化处理、应力循环和尺寸影响，求出曲轴上危险部位的最小强度储备，对于提高空压机整机性能和可靠性，对曲轴进行整体受力分析，找出过渡圆角处的应力集中部位，从而优化曲轴结构设计具有重要意义。
3.1 疲劳基本概念
3.1.1 疲劳及疲劳破坏
疲劳：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。当材料或机构受到多次重复变化的载荷之后，应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象就叫疲劳破坏。
对疲劳可以从不同的角度进行分类。根据研究对象的不同可以分为材料疲劳和结构疲劳。材料疲劳研究材料的失效机理、化学成分和微观组织对疲劳强度的影响；结构疲劳则以零部件、接头以至整机为研究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法，形状、尺寸和工艺因素的影响，以提高其疲劳强度的方法。
根据材料疲劳破坏前所经历的循环次数的不同，可以分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳是材料所受的交变应力远低于材料的疲劳极限，甚至只有屈服极限的三分之一左右，断裂前的循环次数Nf大于 1×105～1×107次；通常用 S-N 曲线来描述该材料的疲劳特性。低周疲劳是指材料所受的交变应力较高，通常接近或超过屈服极限，断裂前的循环次数较少，一般少于 1×104～1×105次。高周疲劳与低周疲劳的主要区别在于塑性应变的程度不同。高周疲劳时，应力一般较低，材料处于弹性范围，因此其应力与应变是成正比的。低周疲劳则不然，其应力一
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般超过弹性极限，产生了比较大的塑性变形，应力与应变不成比例。高周疲劳是各种机械中最常见的，也是曲轴疲劳所着重研究的对象。 3.1.2 疲劳强度
材料或构件疲劳性能的好坏是用疲劳强度来衡量的，所谓疲劳强度就是指材料或构件在交变载荷作用下的强度。疲劳强度的大小是用疲劳极限来衡量的。曲轴的疲劳强度是指曲轴在交变载荷作用下的强度。曲轴疲劳强度的大小又是用疲劳极限来衡量的，疲劳极限是指在一定循环特征下，曲轴可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力。因材料的疲劳极限随加载方式和应力比的不同而异。计算曲轴变应力对称循环时疲劳强度，需要利用线性关系把非对称的变应力循环化为对应的对称循环。
3.2 影响曲轴疲劳强度的主要因素
影响机械零件疲劳强度的因素有很多，其中主要有尺寸、形状、表面状况、平均应力、复合应力、腐蚀介质、温度等。在分析曲轴疲劳强度时，主要研究其结构的应力集中、尺寸、表面加工、载荷等常规因素对疲劳强度的影响。对于承受动力负荷的曲轴，如果用形状系数求得的应力峰值已经超过光滑试样的疲劳强度，则此曲轴不能经受任意多次的负荷循环。 3.2.1 应力集中对疲劳强度的影响
由于零件或构件几何形状的不连续而引起比名义应力大得多的局部应力的现象称为应力集中。空压机曲轴由于其形状复杂，不可避免地存在沟槽、轴肩、润滑孔、拐角、切口等不连续部分，致使截面形状发生突变。应力集中总是发生在结构截面尺寸变化的部位，这是由于应力分布不均匀所致，应力集中程度是随一个截面过渡到另一个截面的急剧程度的增加而增长的。应力集中程度常用相应截面处的名义应力表示为应力集中系数。
应力集中对疲劳强度的影响极大，并且是各种影响因素中起主要作用的因素，它大大降低了曲轴的疲劳强度。曲轴的连杆轴颈或主轴颈圆角处是曲轴应力集中最高的部位，通常连杆轴颈圆角处应力比主轴颈圆角处应力大，主要是因为连杆轴颈的直径小于主轴颈直径。
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如果材料是绝对弹性或脆性的，则静载作用时所得的应力集中系数最大，实际上由于工程中所用的材料都有一定的粘性，在应力集中部位由于局部屈服而发生应力重新分布，使最大应力达不到计算的最大值。空压机曲轴主要承受动载荷作用，材料没有充分应变时间，塑性变形很小。破坏常常是伴随着疲劳裂纹的发展而产生的，这时的应力集中系数称为有效应力集中系数。计算有效应力集中系数是不现实的，因为疲劳中的应力集中还和其他因素，如构件的整体结构、外形尺寸等许多因素有关。有效应力集中系数是确定应力集中系数的根本标准，一般需要在实际曲轴的疲劳试验中确定。
应力集中降低疲劳强度的作用可以用疲劳缺口系数表征。疲劳缺口系数 Kf为光滑试样的疲劳极限?-1与净截面尺寸及加工方法相同的缺口试样疲劳极限
?-1k之比，即
Kf???1 （3.1） ??1k3.2.2 尺寸对疲劳强度影响
试样和零件的尺寸对其疲劳强度影响也很大，一般说来零件和试样的尺寸增大时疲劳强度降低。这种疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象称为疲劳的尺寸影响，也称为尺寸效应。尺寸对疲劳强度的影响主要有以下三个原因：
（1）材料的机械性能（包括疲劳性能）随着材料断面的增大而降低。它与材料的冶金、热加工工艺和金相组织有关，是由材料的内在性质决定的，与零件的结构、载荷情况、冷加工过程无关。
（2）曲轴的应力梯度是造成尺寸效应的主要原因。尺寸不同的试件若受力条件相同，且危险点峰值应力相等，则大尺寸零件由于应力梯度小而疲劳强度低，小试件由于应力梯度大而疲劳强度高。
(3) 从同一毛胚上取下的不同断面的试件，大尺寸试件的疲劳强度低于小试件。因为大尺寸试件含有更多的疲劳损伤源，裂纹萌生的概率高，导致疲劳强度下降。
尺寸效应的大小用尺寸系数?来表示。?的定义为：当应力集中和终加工方法相同时，尺寸为d的试样的疲劳极限??1d与几何相似的标准尺寸试样的疲劳极限??1之比，即
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????1d （3.2） ??1尺寸系数是小于 1 的系数。 3.2.3 表面状况对疲劳强度的影响
疲劳裂纹源通常产生于曲轴表面，这是因为外表面的应力水平往往最高，外表面的缺陷也往往最多。当发动机运转时，曲轴的破坏由裂纹的形状决定，裂纹在润滑孔附近的截面处并从轴颈的内表面开始，对于应力分布不均匀性较小的曲轴连杆轴颈来说，外表面的应力值高于内表面；对于英里分布不均匀性显著的曲轴主轴颈而言，在垂直于曲拐平面的纵平面附近的应力值，则是内表面高于相应的外表面。此外，外表面层材料由于约束小，滑移带易开动。因而，零部件的表面状况对其疲劳强度有着显著的影响，其影响程度用表面敏感系数?来表示，?=加工某试样的疲劳强度/标准光滑试件的疲劳强度
通常，材料的疲劳强度或疲劳寿命是由标准光滑试件得到的，在用?估算零部件的疲劳强度或疲劳寿命时，需做表面敏感系数的修正。绝大多数结构或机械的疲劳关键部位往往就是应力集中部位，进行表面敏感系数修正时要注意表面状况的对应。表面状况主要包括表面加工粗糙度?1，表面层的组织结构?2和表层应力状态?3，且???1?2?3。 3.2.4 载荷对疲劳强度的影响
同一材料的构件在不同的载荷方式下，疲劳强度的差别会很大。发动机运转初期的疲劳强度破坏主要是由扭转引起的，扭转疲劳破坏主要有下述特点：（1）由扭振引起的过载应力产生的破坏，一般是因为曲轴的临界转速处在工作范围之内。（2）大部分破坏是从扭转应力集中处（油孔边缘、轴颈圆角）开始，并沿连杆轴颈或主轴颈发展为对角线方向的疲劳裂纹。（3）破坏发生在曲臂的最小断面。
弯曲疲劳破坏通常是由过载应力引起的，多半是由于主轴承的偏磨，因此在发动机短期运行中很少见。在发动机短期运行中的弯曲疲劳破坏主要是由于曲臂，曲轴箱或发动机支座的刚度不足造成的。弯曲疲劳破坏通常发生在应力集中大的地方，如轴颈圆角处，并发展成为横截面曲柄臂的疲劳裂纹。这种破坏可能
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发生在曲轴的任一拐，但发生在接近曲轴中间的曲柄臂上最为常见。由弯曲引起的主轴颈处应力分布不均匀性比扭转时更高，在曲拐平面内弯曲时，主轴颈的最大应力是名义应力的1.8～2.4倍。当在垂直于曲拐平面内弯曲时，轴的折曲形状对轴颈内的应力分布有更大的影响。
载荷频率对疲劳强度也存在着影响，与试样处在最大载荷下的时间有关。这是因为塑性变形落后于应力，最大应力作用的时间越长，强化越强烈。提高频率相当于提高加载速率，加载速率高于裂纹扩展速率时使裂纹来不及扩展，从而使其疲劳强度与寿命提高。加载速率对疲劳强度的影响与外加应力水平有关。应力水平愈高，频率的影响愈大，加载速率对寿命的影响比对疲劳极限的影响要大。
3.3 曲轴静疲劳强度计算
考虑曲轴某静态时刻下的最大受力状况。曲轴在运动过程中的实际受力情况是非常复杂的，受到交变的弯曲载荷和交变的扭矩的作用。
力边界条件的确定运用近似理论较多，往往是根据有限宽度轴颈油膜压应力分布规律，并忽略油孔处压力峰值突变的影响，假定力边界条件为：载荷沿连杆轴颈和主轴颈轴线方向按二次抛物线规律分布；沿轴颈截面圆周120?角范围内按余弦规律分布,如图 3.1 所示。
图 3.1 连杆轴颈的力边界条件
曲轴的疲劳强度校核一般采用常规的安全系数法。从上述额定工况时刻点的做功情况分析可以看出，各过渡圆角处为应力集中最为严重的部位，曲柄销处承
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