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发动机连杆断裂分析
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发动机连杆断裂分析 摘要:某售后发动机连杆发生一起断裂事故由此产生质量纠纷。通过对断裂连杆进行材 质分析、断口宏观和微观形貌分析、拆检现场痕迹分析等手段,重点分析了连杆断裂时受力工 况和发动机进水后连杆典型工况。研究认为,用户汽车有发动机进水经历是导致该连杆低周 疲劳断裂的直接原因。强调了在拆检现场进行痕迹分析对售后失效分析工作的重要性和必要 性。该案例在汽车失效分析案例中具有典型性。 关键词:连杆低周疲劳断裂发动机气缸进水痕迹分析 中图分类号:U464.133文献标识码:B ■神龙汽车有限公司技术中心张斌陈小工 某用户在汽车行驶至75919km时,突然听到 发动机爆响,随即紧急制动停车。经服务站网点 检查发现:4缸发动机的第4缸活塞连杆小头断 裂,连杆断裂引起发动机缸体破裂、油底壳损坏、 电机外壳断裂、离合器壳体局部裂纹,导致发动机 报废,由此产生质量纠纷。 图1断裂连杆实物照片 1连杆的失效及受力分析 断裂连杆实物照片见图1。连杆在靠近小端 1/3处断开,断口与杆身约呈70°角。其中,大端断 口已严重塑性变形,无法观察断口形貌,是由于连 杆断裂后在曲轴带动下,连杆大端被撞击而造成 了冲击塑性变形。小端断口有摩擦痕迹,但仍保 留有原始断口形貌,整个断面比较粗糙、起伏较 大,小端宏观断口见图2。其中,断口C区、D区一 侧为剪切唇,断裂方向见图2中箭头所示。 图2连杆小端宏观断口 对断裂实物进行了受力分析。从小端原始断 断面中C区侧剪切唇的面积比较小,表明C区侧在 口可以判断连杆在负载断裂时的受力情况,在工字 负载断裂时受力较小、D区侧受力较大,两侧受力 P T N 不均衡说明连杆存在扭曲情况。另外,活塞销孔偏 成分分析的结果(表1)表明,该连杆材料的化学成 离连杆大头中心线,连杆整体向一侧弯曲(图1),说分符合技术要求。 明连杆压力过大负载异常箭头指向的一侧为疲2.2金相组织 劳裂纹主源区,即图2中的B区、A区为次源区。 该连杆经锻造成形、正火850℃空冷,在连杆 2连杆材质分析 图纸规定的杆身部位截取金相试样,金相组织为 片状珠光体+网状铁素体(图3),金相组织良好,符 2.1化学成分 合技术要求。 该连杆材料为43MnS。对断裂连杆进行化学 3连杆小端断口分析 3.1疲劳主源B区 对疲劳主源B区进行扫描电镜观察,可观察到 裂纹起源处有明显一次疲劳台阶(图4箭头所示), 图5瞬时断裂区韧窝形貌 系裂纹交汇所致,说明B区存在应力过大或应力33疲劳扩展区 集中的情况,放射状花纹指向该裂纹起源处,裂纹 裂纹源区与瞬时断裂区之间区域为材料的疲 主源区图片见图4 劳扩展区。疲劳扩展区粗糙、高低不平,其疲劳辉 3.2瞬时断裂区 纹形貌见图6。对比通常的连杆高周疲劳断口,此 瞬时断裂区有明显韧窝形貌,此区约占整个断裂连杆未见到明显的疲劳贝纹弧线等高周疲劳 断裂区面积的1/2,说明连杆在断裂瞬间受力较特征。 大,可排除连杆存在应力集中的可能的情况,瞬时 综合以上形貌特征分析认为,该连杆属大应 断裂区形貌见图5 力低周疲劳断裂。 2014年第1期 汽车工艺与材料t&M51 5.2车辆涉水行驶工况分析 当汽车在一定高度的水面涉水行驶时,由于 水面存在较大波动,致使水面高度相对进气口位 置时高时低,如果水面高于进气口,发动机则将水 图114缸发动机气缸顺序编号 吸入汽缸。水进入发动机气缸后的典型工况分 析:a.当一次进水量较少时,水涌入进气管道并惯6结束语 性地涌入进气总管末端,之后回流,使位于进气总 本案例连杆断裂件的化学成分、金相组织和 管末端的第4缸进气歧管极易进水。水在发动机硬度均符合技术定义要求该连杆断裂是由于用 惯性力作用下,使活塞上行时传递至连杆的压力户汽车涉水导致发动机气缸进水引发的大应力, 增大,导致连杆弯曲变形并疲劳裂纹萌生,终导引起低周疲劳断裂,属驾驶员操作不当造成的机 致疲劳断裂b.当一次进水量较多时,如积水量接械事故,非产品质量问题。 近燃烧室容积时,在靠近上止点处,压缩行程实际 引起连杆低周疲劳断裂的原因除发动机气缸 变成了对水的压缩过程,导致连杆承受的压力急进水的原因之外,还有喷油嘴工作异常和轴瓦润 剧增大,发生连杆严重弯曲变形和结构失稳情况,滑异常导致连杆与曲轴抱死等原因,需区别对 若强行运转,存在额外的附加弯矩短时间内使连待。但是,必须高度重视拆检现场的痕迹分析工 杆承受大应力,发生低周疲劳断裂。 作,即对相关零件逐一排除,最终找出造成连杆断 5.3断裂产生的连杆位置分析 裂的直接原因。 发动机进水导致连杆断裂的位置一般发生在 用户在汽车涉水后应及时检查,发现发动 进气歧管末端对应气缸的连杆。常见的4缸发动机气缸进水应及时送修,以避免连杆断裂事故 机中进气歧管末端对应的气缸为第4气缸,见图发生。 11加发生第4缸连杆断裂应首先检查发动机是
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