增壓汽油機(jī)曲軸疲勞強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

李忠輝，謝 薇，劉宏瑞

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司動(dòng)力總成部，上海201201)

0 引 言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件之一，不僅與連桿一起將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出，同時(shí)也將活塞所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ剌敵觥Ｔ诎l(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸承受氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力以及它們產(chǎn)生的力矩，這些交變載荷在曲軸上產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的交變應(yīng)力，因此曲軸的可靠性設(shè)計(jì)非常重要［1-3］。

提高曲軸疲勞強(qiáng)度主要在材料、設(shè)計(jì)和工藝3個(gè)方面。在材料方面，曲軸主要采用鍛鋼或者球墨鑄鐵兩種材料，鍛鋼曲軸相對(duì)常用的球墨鑄鐵曲軸具有更好的疲勞性能，但在成本和加工性能上沒有優(yōu)勢(shì)［4］。在設(shè)計(jì)方面，曲軸的軸頸、長(zhǎng)度、重疊度等基本參數(shù)直接影響其疲勞特性;平衡塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響曲軸的內(nèi)應(yīng)力、重量，在一定程度上也會(huì)影響曲軸的疲勞特性［5］。在工藝方面，曲軸的強(qiáng)化工藝主要有滲氮、表面中頻感應(yīng)淬火、熱應(yīng)力強(qiáng)化、圓角滾壓和噴丸等;而其中圓角滾壓是提高曲軸疲勞強(qiáng)度效果尤其顯著的方法，曲軸中采用滾壓工藝的比例已從上世紀(jì)70年代的50%提高到現(xiàn)在的 90%［6-7］。

基于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸更高的疲勞強(qiáng)度需求，本研究分別改進(jìn)原型機(jī)曲軸的材料、工藝和結(jié)構(gòu)，并通過疲勞試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 曲軸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

原1.4 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比如表1所示。增壓后功率、扭矩和爆發(fā)壓力都有較大提升，因此對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度提出了更高的要求。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本信息

1.1 曲軸材料的改進(jìn)

原機(jī)型曲軸材料為球鐵600，新機(jī)型曲軸材料選用38MnVS6，兩種材料的性能對(duì)比如表2所示。在非滾壓狀態(tài)下新曲軸材料38MnVS6比原曲軸材料球鐵600在抗拉強(qiáng)度上提高了41.7%。

表2 性能對(duì)比表

38MnVS6為微合金非調(diào)質(zhì)鋼，該材料采用鍛造的工藝生產(chǎn)，并在鍛造完成后，利用金屬材料的余溫來控制曲軸的冷卻速度，從而使鋼中的釩等金屬合金碳氮化合物能比較充分地融入奧氏體，使奧氏體充分地合金化，增強(qiáng)了鋼的強(qiáng)度和硬度，基體組織顯著強(qiáng)化，以獲得較好的綜合力學(xué)性能，力學(xué)性能表如表3所示。與此同時(shí)，38MnVS6省去了調(diào)質(zhì)處理的工序，既節(jié)約了能源，又保護(hù)了環(huán)境［8］。

由后面第10組疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和原曲軸對(duì)比，材料的優(yōu)化使疲勞強(qiáng)度由645 N·m上升到712 N·m，提高了10.4%。

1.2 曲軸加工工藝的改進(jìn)

曲軸軸頸過渡圓角是曲軸疲勞破壞的主要部位，而圓角滾壓是提高圓角疲勞強(qiáng)度的最有效方法［9］。

表3 力學(xué)性能表

在圓角滾壓過程中，曲軸的疲勞強(qiáng)度隨著滾壓壓力的增加而提升，因此在新機(jī)型的曲軸加工工藝方面，本研究通過將曲軸圓角滾壓壓力由6 000 N增加到7 000 N，進(jìn)而提升新曲軸的疲勞強(qiáng)度［10］。

新款曲軸采用德國赫根塞特的變滾壓機(jī)進(jìn)行沉割滾壓。滾壓示意圖如圖1所示:滾壓輪壓入設(shè)定的角度為55°，沉割溝槽圓角為1.3 mm，滾壓頭圓角為1.2 mm(偏差不大于 0.1 mm)。

由后面的第1組、第2組疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在材料不變的情況下，滾壓后疲勞強(qiáng)度從712 N·m上升到740 N·m，提高了3.93%。

圖1 滾壓溝槽的示意圖

1.3 曲軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

在原機(jī)型曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，考慮到與發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)和相關(guān)零部件的匹配，曲軸的基本結(jié)構(gòu)特征和主要設(shè)計(jì)尺寸保持不變。

原曲軸重量為11.32 kg，材料從 QT 600-3變?yōu)?8MnVS6后，由于密度增大，在不進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上重量變?yōu)?2.25 kg，比原曲軸重了0.97 kg。

在曲軸基本參數(shù)不變以保證配合的情況下，曲軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要分為兩個(gè)方面:曲軸減重和曲軸增強(qiáng)。而改進(jìn)部位只針對(duì)曲軸平衡塊，原曲軸平衡塊如圖2所示。在減重原則下，削減連桿頸主軸頸邊緣，減小扇形面角度，減小平衡塊厚度;在增強(qiáng)的原則下，增強(qiáng)主軸頸連桿頸過渡區(qū)域。改進(jìn)后的軸平衡塊如圖3所示。

優(yōu)化后，整個(gè)曲軸重量為11.28 kg，在采用高密度的鍛鋼材料前提下，達(dá)到了減重的目的，比原機(jī)型曲軸輕了0.04 kg;在疲勞性能方面，由后面第1組和第3組疲勞試驗(yàn)對(duì)比可以得到，在材料、滾壓力都一樣的情況下，平衡塊的優(yōu)化使曲軸疲勞強(qiáng)度由740 N·m上升到80 N·m，提高了8.24%，達(dá)到了增強(qiáng)的目的。

圖2 優(yōu)化前曲軸平衡塊

圖3 優(yōu)化后曲軸平衡塊

2 疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比

針對(duì)以上新款曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本研究對(duì)幾種改進(jìn)的曲軸樣本進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)為曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度。目前國內(nèi)外曲軸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)主要有成組試驗(yàn)法、配對(duì)升降法、疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法(SAFL)［11］。

升降試驗(yàn)法用于長(zhǎng)壽命區(qū)的疲勞試驗(yàn)，在指定循環(huán)基數(shù)下測(cè)試疲勞極限，或在某一指定疲勞壽命下測(cè)試疲勞強(qiáng)度。在樣本量充足(通常25根以上)情況下與其他兩個(gè)試驗(yàn)方法相比，升降試驗(yàn)法能更加準(zhǔn)確地評(píng)估樣本疲勞強(qiáng)度。升降試驗(yàn)法根據(jù)樣本數(shù)目的多少和最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法的差別主要分為大子樣升降法(樣本數(shù)25以上)和小子樣升降法(樣本數(shù)12左右)。大子樣升降法成本較高，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，但試驗(yàn)結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確，國外一般采用大子樣升降法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

本研究采用大子樣升降法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GME L-6C-1，基本試驗(yàn)信息如表4所示。

表4 試驗(yàn)基本信息

試驗(yàn)過程如下:

(1)準(zhǔn)備試驗(yàn)樣本。

該試驗(yàn)只對(duì)每根曲軸的第4連桿頸進(jìn)行考察，因此用線切割的方法將每根試驗(yàn)曲軸的第4連桿頸切割下來作為試驗(yàn)樣本，試驗(yàn)樣本如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)樣本

本研究一共制作了3組樣本:第1組為材料改進(jìn)后的曲軸試驗(yàn)，第3組為材料、滾壓力改進(jìn)后的曲軸試驗(yàn)，第3組為材料、滾壓力和結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的曲軸試驗(yàn)，每組25根。

(2)試驗(yàn)樣本裝夾。

試驗(yàn)樣本制作完成后，筆者按照如圖5所示的裝夾方法將曲軸疲勞試驗(yàn)安裝到試驗(yàn)機(jī)上。安裝好的疲勞試驗(yàn)裝夾效果圖如圖6所示。

圖5 裝夾示意圖

圖6 裝夾效果圖

(3)試驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)定。

開始試驗(yàn)前需要對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，該試驗(yàn)系統(tǒng)采用應(yīng)變法進(jìn)行標(biāo)定，主要分為兩個(gè)步驟:首先，進(jìn)行靜標(biāo)，建立靜力矩與應(yīng)變之間的關(guān)系;然后，進(jìn)行動(dòng)標(biāo)，建立試驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)激振頻率與曲軸圓角上產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變之間的關(guān)系。本研究根據(jù)這兩個(gè)關(guān)系就可以確定指定應(yīng)力下的激振特性［12］。

(4)完成試驗(yàn)。

根據(jù)以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，3組曲軸試驗(yàn)初始載荷分別定為:第 1組 710 N·m，第2組740 N·m，第3組770 N·m，應(yīng)力級(jí)差為30 N·m。試驗(yàn)完成后，得出的3組試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)升降示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果的分析主要是根據(jù)GME L-6C-1試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)得到每組試驗(yàn)的90%存活率的疲勞強(qiáng)度極限，從而通過對(duì)比檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的改進(jìn)情況。

以上結(jié)果可由下式得出:

式中:M—疲勞極限平均值;s—疲勞極限標(biāo)準(zhǔn)差;S0—當(dāng)未破壞的試樣數(shù)小于破壞試樣數(shù)時(shí)為最低的試驗(yàn)應(yīng)力水平，當(dāng)未破壞的試樣數(shù)大于破壞的試樣數(shù)時(shí)為最低的破壞應(yīng)力水平;ΔS—應(yīng)力級(jí)差;j—應(yīng)力水平序號(hào)，以S0應(yīng)力水平的序號(hào)為“0”，其上依次為1、2、3……;fj—在第j級(jí)應(yīng)力水平下的最少試件數(shù)，當(dāng)破壞試樣數(shù)少于未破壞試樣數(shù)時(shí)，fj為破壞試樣數(shù)，當(dāng)破壞試樣數(shù)多于未破壞試樣數(shù)時(shí)，fj為未破壞試樣數(shù);F90%—90%存活率的疲勞強(qiáng)度極限;當(dāng)最少試件是未破壞時(shí)，式(1)的括號(hào)中取“+”號(hào)，當(dāng)最少試件是破壞時(shí)，式(1)的括號(hào)中取“－”號(hào)。

本研究將式(1～3)得出的3組試驗(yàn)結(jié)果與已知的原機(jī)型曲軸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

本研究對(duì)增壓汽油機(jī)曲軸進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明:

(1)在疲勞強(qiáng)度方面，以90%的存活率疲勞強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化后的曲軸疲勞強(qiáng)度達(dá)到801 N·m，相對(duì)原機(jī)型曲軸(645 N·m)提高了24%，優(yōu)化設(shè)計(jì)大大提高了曲軸的疲勞強(qiáng)度。

(2)鍛鋼材料相對(duì)球墨鑄鐵材料對(duì)曲軸的疲勞性能有較大提升。

(3)通過3組試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，在所選擇的38MnVS6材料基礎(chǔ)上，平衡塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化相對(duì)于滾壓力1 000 N的提升具有更加明顯的效果，對(duì)相關(guān)材料的曲軸優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

綜上所述，本研究對(duì)曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期的效果，完全滿足新款增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

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