內(nèi)燃機曲軸強度的現(xiàn)狀和發(fā)展

王琛

摘 要：作為內(nèi)燃機重要的零配件，曲軸強度體現(xiàn)在抗疲勞和抗斷裂兩個方面，如果曲軸強度水平不足，可能會引起內(nèi)燃機其他零配件的損壞。基于內(nèi)燃機的動力性和可靠性要求，文章將在分析內(nèi)燃機曲軸強度現(xiàn)狀的基礎上，深入研討如何提高內(nèi)燃機曲軸強度的具體方法。

關鍵詞：內(nèi)燃機；曲軸強度；現(xiàn)狀

1 內(nèi)燃機曲軸強度現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)復雜

內(nèi)燃機的曲軸結(jié)構(gòu)復雜，在加工時，一方面要求具有較為可觀的承受荷載能力，而且要兼顧內(nèi)燃機的功率需求，因此在設計時，要求保證曲軸強度達到既定的水平。曲軸在內(nèi)燃機中的作用是承受氣缸內(nèi)砌體作用力，并以旋轉(zhuǎn)、往復等運動方式，為內(nèi)燃機運行提供慣性力。但由于內(nèi)燃機運行時產(chǎn)生的荷載在周期內(nèi)不斷變化，以致曲軸持續(xù)承受彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力，尤其是過渡圓角位置，應力過于集中，最終導致曲軸的疲勞失效。

1.2 永久性性能變化

在內(nèi)燃機實際應用時，隨著使用時間的加長，曲軸局部某點可能會出現(xiàn)永久性的性能變化，反復循環(huán)載荷作用下，逐漸形成裂紋，甚至擴展至斷裂破裂，即人們常說的疲勞斷裂。疲勞斷裂具有低應力性、突然性、時間性、敏感性等特征，國內(nèi)的內(nèi)燃機工業(yè)中，大約有80%以上內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)強度破壞，就是因為曲軸的疲勞破壞引起，大約占其他強度破壞故障率的95%左右。從側(cè)面亟需要求改善內(nèi)燃機曲軸強度現(xiàn)狀。

1.3 強度設計現(xiàn)狀

目前內(nèi)燃機曲軸的強度設計，是在系統(tǒng)組合動力學仿真的基礎上，分析曲軸的應力分布，以此確定曲軸的疲勞強度儲備系數(shù)，并選擇最佳的強度儲備點，進行曲軸的疲勞試驗，以此提高設計的成功率。期間需要利用數(shù)據(jù)庫中的幾何參數(shù)、材料特性、載荷譜等，對零部件進行有限元分析和估算疲勞強度，在通過虛擬試驗和疲勞試驗后，擬定詳細的設計方案。

2 內(nèi)燃機曲軸強度的設計建議

2.1 建立曲軸系統(tǒng)動力學模型

鑒于內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)復雜，在設計曲軸時，應該建立曲軸系統(tǒng)的動力學模型，并借助各類動力學仿真軟件和專業(yè)模塊，以形成包括模板、子系統(tǒng)、裝配等在內(nèi)的模型結(jié)構(gòu)。模型的建立，一方面更改了模板的子系統(tǒng)，使得模型參數(shù)化，另一方面是按照一定的幾何體約束比例，設定模板的參數(shù)，然后集合多個子系統(tǒng)，為子系統(tǒng)的信息傳遞和求解提供渠道。在建立曲軸系統(tǒng)動力學模型的基礎上，建立初始拓撲結(jié)構(gòu)，其中所涉及的數(shù)據(jù)涵蓋了內(nèi)燃機的汽缸數(shù)、沖程數(shù)、缸心距、連桿尺寸和軸承布置等，而子系統(tǒng)的建立，要求對曲軸部件的尺寸、密度和轉(zhuǎn)動慣量等進行調(diào)整。通過曲軸系統(tǒng)動力學模型的建立，能夠為曲軸強度設計提供更為精確的數(shù)據(jù)，這也是內(nèi)燃機曲軸強度發(fā)展的重要基礎之一。

2.2 分析曲軸系統(tǒng)動力學仿真結(jié)果

曲軸系統(tǒng)動力學仿真結(jié)果的分析，通過對曲軸系統(tǒng)動力學模型的應用，按照曲軸強度的計算結(jié)果，分別進行減振器參數(shù)調(diào)試、活塞加速度比較分析、活塞側(cè)擊力比較分析、曲柄銷載荷比較分析、主軸承載荷分析等，全方位調(diào)整曲軸強度設計的差異性。首先是減振器的參數(shù)調(diào)試，系統(tǒng)測量布置是在曲軸上方設置發(fā)動機，其左右側(cè)分別為位移傳感器、信號齒輪和飛輪，其中位移傳感器由采集卡和PC機組成，在進行減振器參數(shù)調(diào)整之后，通過扭振響應曲線，可以看出振幅軸向基本一致，其數(shù)據(jù)誤差對曲軸強度設計精度影響不大。其次是活塞加速度比較分析，通過對曲軸轉(zhuǎn)角、連桿擺角、曲柄半徑、曲柄連桿比、連桿中心距等參數(shù)的確定，借助倍角余弦函數(shù)，表示活塞的位移，這樣所計算出來的內(nèi)燃機曲軸加速度，在實際曲軸強度設計中就能夠避免相對誤差的影響。再次是活塞側(cè)擊力比較分析，即曲軸在爆發(fā)壓力作用下的精度誤差，鑒于所有曲柄銷載荷曲線的一致性，可利用現(xiàn)代算法取值曲柄銷徑向和切向的峰值，以此檢驗連桿的質(zhì)量等效。最后是主軸承載荷分析，確定同一個工作循環(huán)內(nèi)的軸承載荷、轉(zhuǎn)動速度、扭轉(zhuǎn)情況、輸出扭矩和曲拐內(nèi)彎矩等。

2.3 曲軸應力計算

曲軸強度的控制，需要準確分析曲軸的應力分布，因此需要通過曲軸應力計算，以改善有效應力集中系數(shù)的精度。另外，需要注意的是，曲軸破壞的其中一個主要因素，就是由于彎曲應力失控引起的。在此筆者建議應用有限元分析法，對曲軸應力展開計算，并得出曲軸的疲勞安全系數(shù)。在計算之前，還需要評估曲軸高應力位置的疲勞安全，期間假定曲柄銷圓角和主軸頸圓角為高應力區(qū)域，然后將曲拐相互獨立的主軸頸，簡化成截斷簡支梁模型，這樣就能夠判斷出彎曲應力對曲軸的破壞程度。至于曲軸改進后常規(guī)強度設計的流程，一方面是根據(jù)計算的結(jié)果，判斷曲軸強度是否合格，進而確定安全系數(shù)，并進行扭振修正、屈服極限分析、表面處理、尺寸影響消除等，另一方面是利用截斷簡支梁模型，分析工作彎矩和計算截面模量，進而確定曲軸應力幅值和平均應力。在設計曲軸強度期間，我們還需要掌握以下的重要強度計算參數(shù)，其中包括連桿質(zhì)量、活塞組質(zhì)量、曲柄半徑、連桿長度、缸套內(nèi)徑、曲柄銷直徑、曲柄銷長度、主軸頸直徑、主軸頸長度、連桿大頭軸瓦寬度、曲軸主軸瓦寬度、凸臺厚度、曲柄臂厚度、轉(zhuǎn)速、最大爆壓、材料極限強度。借助這些計算參數(shù)，就可以計算出理論應力集中系數(shù)和有效應力集中系數(shù)，分析曲軸的疲勞強度。

2.4 曲軸彎曲疲勞試驗

曲軸彎曲疲勞試驗，常見的試驗方法有成組試驗法、配對升降法、疲勞極限統(tǒng)計分析法三種，其中成組試驗法適用于曲軸過載時的疲勞強度，可相對合理估算出曲軸安全壽命；配對升降法是按照國家標準試驗規(guī)范，選取隨機出現(xiàn)的成對數(shù)據(jù)，但只適用于分散性較小的試件；疲勞極限統(tǒng)計分析法，主要通過應力-壽命雙對數(shù)坐標，找出循環(huán)斷裂點，根據(jù)數(shù)值選取真實的斷裂強度。在此筆者推薦使用疲勞極限統(tǒng)計分析法，這種分析方法要求控制好試驗臺應變片的電阻值，以及柵長、柵寬、靈敏系數(shù)、精度等級等，并標定載荷，即在“靜標動測”原理范圍內(nèi)，分析試件某個部位的靜態(tài)應變和動態(tài)應變，然后得出靜標曲線的應變值和確定在該應變值下的激振轉(zhuǎn)速大小。至于系統(tǒng)誤差的分析，則要歸結(jié)為人為或者系統(tǒng)的誤差，前者只需要提高試驗人員的技術水平，并規(guī)范技術操作規(guī)范即可，后者則需要考量應變片在系統(tǒng)中的動載荷測量情況，調(diào)節(jié)各點應變量的真實值，使得更加接近測量目標點。除此之外，在疲勞試驗期間，還要求妥善處理試驗的數(shù)據(jù)，一方面是精確估計母體強度，另一方面是采用正態(tài)分布模型統(tǒng)計分析法，估計失效數(shù)據(jù)中的中位秩，得出曲軸彎曲疲勞試驗的強度安全系數(shù)，為內(nèi)燃機曲軸強度水平的提高，做出合理的設計選擇。

3 結(jié)束語

內(nèi)燃機歷經(jīng)兩個多世紀的發(fā)展，其環(huán)保性、動力性和經(jīng)濟性等性能指標，成為衡量內(nèi)燃機質(zhì)量的重要標準之一，而作為主要零配件的曲軸，其強度水平，直接關系到自身及其他零配件的強度。文章通過研究，基本明確了內(nèi)燃機曲軸強度現(xiàn)狀及發(fā)展情況，其中所涉及到的曲軸強度設計方法，是基于實際曲軸強度設計工作的經(jīng)驗總結(jié)，但鑒于內(nèi)燃機曲軸設計在技術要求方面具有差異性，因此這些方法的應用，有必要結(jié)合實際曲軸設計的工作條件，對相應的技術內(nèi)容進行調(diào)整、補充和完善，方可有效保證曲軸的強度水平。

參考文獻

[1]尤楊.淺談曲軸設計加工及強度仿真校核方法[J].價值工程，2013（2）：51-52.

[2]劉萬選，魏敬乾.16V240Z型內(nèi)燃機曲軸的強度性能分析[J].機械工程師，2012（12）：64-65.

[3]胡軍義，路明.基于有限元的內(nèi)燃機曲軸疲勞強度分析[J].汽車工程師，2012（2）：43-44.

[4]邵立新.內(nèi)燃機曲軸結(jié)構(gòu)強度問題對結(jié)構(gòu)設計的影響[J].現(xiàn)代零部件，2009（6）：74-76.