發(fā)動(dòng)機(jī)零部件疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證技術(shù)

胡偉興，劉曉光，董爽，武斌

(中國第一汽車集團(tuán)有限公司，吉林 長春 130011)

零部件的疲勞破壞是發(fā)動(dòng)機(jī)主要失效形式之一，為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。通過對疲勞失效產(chǎn)生機(jī)理的研究分析，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中綜合運(yùn)用CAE計(jì)算分析、低周疲勞臺架試驗(yàn)、高周疲勞零件試驗(yàn)、整機(jī)道路試驗(yàn)等驗(yàn)證技術(shù)，對易產(chǎn)生疲勞破壞的零部件進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)投產(chǎn)前最大限度地降低零部件疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件疲勞分類

疲勞按破壞循環(huán)次數(shù)的高低分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞作用于零部件的應(yīng)力水平較低，一般不超過材料的屈服強(qiáng)度，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于104～106；低周疲勞交變應(yīng)力較高，往往接近或超過材料的屈服強(qiáng)度，局部區(qū)域會產(chǎn)生宏觀塑性變形和疲勞壽命低于104～106次的疲勞斷裂形式[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件高周疲勞源分為2大類。

1)氣缸的氣體壓力，活塞、連桿、曲軸等運(yùn)動(dòng)部件慣性力與重力等產(chǎn)生的作用力。

2)吸收功率部件所吸收的扭矩因非定值而產(chǎn)生的激振力矩。

受高周疲勞影響較大的主要零部件及其疲勞影響因素見表1。

振動(dòng)也是引起零件高周疲勞失效的一個(gè)激勵(lì)源，發(fā)動(dòng)機(jī)中主要受影響的為懸置、支架類零件，如發(fā)電機(jī)及其支架、空調(diào)壓縮機(jī)及其支架、張緊輪、進(jìn)氣歧管、排氣歧管等。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件高周疲勞破壞影響因素

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件低周疲勞源主要與零件所承受的巨大交變熱負(fù)荷相關(guān)[2]，受影響零件主要有缸體、缸蓋、氣門、排氣歧管等。表現(xiàn)形式如開車上、下班的行駛工況，上班時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可能剛完成熱機(jī)就要停機(jī)，下班時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)狀態(tài)下需要快速啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)等，這種影響在北方冬季表現(xiàn)的尤為突出。

2 疲勞強(qiáng)度CAE驗(yàn)證技術(shù)

缸體、缸蓋、曲軸、連桿等為發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件，對發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和壽命起著至關(guān)重要的作用。采用CAE仿真分析技術(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可以對以上零件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析評價(jià)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 缸體、缸蓋高周疲勞CAE分析

CAE分析中充分考慮裝配載荷、工作載荷、熱載荷的影響，建立發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中缸體、缸蓋承受的熱應(yīng)力、氣體爆發(fā)壓力、螺栓預(yù)緊力的作用綜合模型，尤其熱應(yīng)力和氣體爆發(fā)壓力不斷交變，在不超過材料屈服極限的情況下就有可能發(fā)生疲勞破壞。

圖1 主結(jié)構(gòu)裝配條件下有限元分析模型

采用疲勞分析軟件，在發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)裝配條件下結(jié)合工作過程集成仿真分析技術(shù)，考慮應(yīng)力梯度、平均應(yīng)力修正、工藝過程、表面光潔度、統(tǒng)計(jì)學(xué)等方面的影響，通過輸入多軸載荷下的應(yīng)力場，確定結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)計(jì)算疲勞損傷的各截面，建立節(jié)點(diǎn)各截面的應(yīng)力應(yīng)變張量轉(zhuǎn)換矩陣，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)高周疲勞安全系數(shù)。確保缸體缸蓋最小疲勞安全系數(shù)大于許可范圍。圖1為某V型發(fā)動(dòng)機(jī)主結(jié)構(gòu)裝配條件下有限元分析模型。

缸體、缸蓋高周疲勞的危險(xiǎn)部位包括：缸蓋水側(cè)底板與氣道的過渡區(qū)域，進(jìn)、排氣道氣側(cè)曲率變化較大部位，缸蓋上板與缸蓋螺栓支撐的過渡區(qū)域，主軸承座螺紋孔最后一道螺紋處等[3]。

2.2 缸蓋低周疲勞CAE分析

圖2 灰鑄鐵材料缸蓋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

缸蓋需要承受高的熱負(fù)荷，溫度的不均勻和局部材料在高溫下不能自由膨脹，會產(chǎn)生較大應(yīng)力并足以達(dá)到塑性變形的狀態(tài)，當(dāng)缸蓋冷卻后又會產(chǎn)生相反的應(yīng)力，構(gòu)成了應(yīng)力應(yīng)變的循環(huán)過程從而產(chǎn)生機(jī)械疲勞，同時(shí)持續(xù)高溫下的缸蓋會產(chǎn)生氧化和蠕變。缸蓋的低周疲勞壽命是由熱機(jī)械疲勞、氧化和蠕變共同決定，熱機(jī)械疲勞對缸蓋的低周疲勞壽命起最重要的作用，缸蓋低周疲勞CAE分析采用瞬時(shí)熱傳遞方法模擬高熱沖擊試驗(yàn)過程中的溫度變化，灰鑄鐵材料缸蓋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[4]如圖2所示。缸蓋低周疲勞的危險(xiǎn)部位包括火焰接觸面底板拱梁區(qū)、水套底端等。如某6缸柴油機(jī)，其灰鑄鐵缸蓋曾發(fā)生進(jìn)排氣鼻梁區(qū)開裂現(xiàn)象，且僅產(chǎn)生于2～5缸，通過對比該發(fā)動(dòng)機(jī)1、6缸與2～5缸缸蓋鼻梁區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及發(fā)生的脈沖循環(huán)次數(shù)，確定灰鑄鐵缸蓋脈沖應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為8 000次。

2.3 曲軸、連桿高周疲勞CAE分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，曲軸、連桿承受著由燃?xì)鈮毫脱h(huán)慣性力共同作用產(chǎn)生的拉、壓交變載荷，處于疲勞應(yīng)力狀態(tài)[5]。除此之外，還應(yīng)考慮由此產(chǎn)生的軸承變形應(yīng)力或附加扭轉(zhuǎn)載荷。

以連桿為例，疲勞強(qiáng)度CAE分析中需要考慮裝配預(yù)緊力、往復(fù)慣性力以及爆發(fā)壓力等影響[6]。表2為連桿CAE分析中應(yīng)考慮的疲勞影響因素，一般連桿疲勞失效危險(xiǎn)點(diǎn)在小頭中心線附近或桿身靠近小頭處，如圖3所示(圖中數(shù)值為無量綱的安全系數(shù))。

表2 連桿疲勞強(qiáng)度CAE分析疲勞影響因素

a)連桿小頭危險(xiǎn)點(diǎn) b)連桿桿身危險(xiǎn)點(diǎn)圖3 連桿疲勞失效危險(xiǎn)點(diǎn)

曲軸CAE分析中應(yīng)考慮爆發(fā)壓力、旋轉(zhuǎn)慣性力以及飛輪扭矩的影響。對于錯(cuò)拐曲軸，除了考慮載荷影響外，對于易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位(如錯(cuò)拐交接面等)在CAE模型建模時(shí)還應(yīng)增加網(wǎng)格密度。曲軸疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)主要在主軸頸、連桿軸頸過渡圓角以及連桿軸頸錯(cuò)拐交接處。圖4為某V型汽油機(jī)錯(cuò)拐曲軸有限元分析模型。

a)主軸頸圓角 b)連桿軸頸圓角 c)連桿軸頸錯(cuò)拐圖4 某V型汽油機(jī)錯(cuò)拐曲軸CAE模型

3 低周疲勞強(qiáng)度臺架驗(yàn)證技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作中零部件的低周疲勞破壞主要與熱負(fù)荷密切相關(guān)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)零部件熱疲勞失效，開發(fā)過程中，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用工況進(jìn)行臺架系統(tǒng)功能、臺架可靠性等各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 臺架系統(tǒng)功能開發(fā)試驗(yàn)

臺架系統(tǒng)功能開發(fā)試驗(yàn)主要為了保證各零部件不出現(xiàn)較高熱負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在合理溫度范圍。在臺架試驗(yàn)基礎(chǔ)上，要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行修正分析。

3.2 臺架可靠性試驗(yàn)

臺架可靠性試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證主要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)快速熱負(fù)荷脈沖變化導(dǎo)致應(yīng)力循環(huán)交變產(chǎn)生低周疲勞損傷。

柴油機(jī)缸體、缸蓋一般為鑄鐵材料，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證其低周疲勞裂紋一般在104次之前形成，據(jù)此可以確定柴油機(jī)臺架熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為104，充分保證了缸體、缸蓋的低周疲勞強(qiáng)度。

汽油機(jī)缸體、缸蓋多為鑄鋁材料，相比鑄鐵其塑性應(yīng)變較大，其低周疲勞壽命較短。轎車汽油機(jī)使用頻次可以確定冷熱沖擊循環(huán)次數(shù)，按照每天發(fā)動(dòng)機(jī)起停2次，每年總計(jì)約600次，然后依據(jù)整車質(zhì)保年限即可。

對于排氣歧管低周疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)證主要是考慮到車輛高速行駛時(shí)，遇緊急情況急停或者高速下坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管溫度劇烈變化，易引起排氣歧管熱疲勞破壞[7]。這與臺架試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)全速全負(fù)荷及高速反拖運(yùn)轉(zhuǎn)工況下排氣歧管溫差變化基本符合，由此確定整機(jī)臺架排氣歧管開裂試驗(yàn)工況，即全速全負(fù)荷、高速反拖交變。

冷熱沖擊試驗(yàn)、排氣歧管開裂試驗(yàn)后零件除了不應(yīng)產(chǎn)生疲勞裂紋外，其變形量，如平面度也不應(yīng)超過其密封限值。

4 高周疲勞強(qiáng)度臺架驗(yàn)證技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)易產(chǎn)生高周疲勞的零件主要有缸體、缸蓋、曲軸、連桿、飛輪殼以及配氣機(jī)構(gòu)、鏈條系統(tǒng)等。與此對應(yīng)的主要臺架試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目包括零部件疲勞試驗(yàn)和臺架可靠性試驗(yàn)。

4.1 零部件疲勞試驗(yàn)

零部件疲勞試驗(yàn)是通過分析零件材料疲勞特性和激振源，確定交變載荷脈沖循環(huán)次數(shù)和加載方式，在試驗(yàn)臺上模擬零件在工作中的受力狀態(tài)。

圖5 缸體疲勞試驗(yàn)原理

以缸體為例，它是發(fā)動(dòng)機(jī)上受高周疲勞影響最顯著的零件，運(yùn)行中缸筒、主軸承座受到氣缸工作脈沖爆發(fā)壓力作用，承受很高沖擊載荷，因此設(shè)計(jì)中對缸體的疲勞強(qiáng)度有較高的要求。缸體疲勞試驗(yàn)?zāi)M在一定爆發(fā)壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體所能承受的載荷。試驗(yàn)時(shí)通過液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)將高壓液壓油以一定頻率脈沖注入到模擬活塞的上部空間，以此考核缸套及主軸承座的耐壓能力[3]。缸體疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)原理如圖5。

確定缸體疲勞安全系數(shù)，首先用成組法確定缸體的S-N曲線，在4～5個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)應(yīng)力水平試驗(yàn)4～6個(gè)試樣；然后利用P-S-N曲線法估算疲勞極限，分別求出存活率為99.9%、95%和50%的P-S-N曲線，通過P-S-N曲線，可以求得不同存活率下的疲勞極限載荷值和安全系數(shù)[8-9]。

目前國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)零部件疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)基本都在1.6以上，可保證零件具備足夠的可靠性及耐久性。

4.2 臺架可靠性試驗(yàn)

為進(jìn)一步確保零件在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中受機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的雙重作用不致?lián)p壞，零件疲勞試驗(yàn)后，需要經(jīng)過整機(jī)臺架可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。

以汽油機(jī)為例，為考查零部件高周疲勞強(qiáng)度，一般需要進(jìn)行額定功率試驗(yàn)或者高速高負(fù)荷試驗(yàn)。對于受振動(dòng)激勵(lì)源引疲勞，首先需要通過臺架振動(dòng)試驗(yàn)確認(rèn)零件的危害程度，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[10]，發(fā)動(dòng)機(jī)工作中零部件振動(dòng)速度超過80 mm/s的工況點(diǎn)為共振危險(xiǎn)點(diǎn)。按照零件材料特性確定共振危險(xiǎn)點(diǎn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)，以此作為臺架振動(dòng)耐久試驗(yàn)工況及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的依據(jù)。

5 疲勞強(qiáng)度道路驗(yàn)證技術(shù)

道路可靠性試驗(yàn)為最接近用戶實(shí)際使用情況的試驗(yàn)類型，在很大程度上反映了整車、整機(jī)及零部件耐受疲勞破壞的真實(shí)水平，也是對發(fā)動(dòng)機(jī)零部件疲勞強(qiáng)度的最終驗(yàn)證[11]。

整車高速耐久試驗(yàn)和強(qiáng)化壞路試驗(yàn)均為典型零件高周振動(dòng)疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)，道路試驗(yàn)后，主要受疲勞強(qiáng)度影響的零件需經(jīng)變形及探傷檢查，在確認(rèn)無較大變形量或開裂損傷的情況下，方可認(rèn)為通過道路疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證。

6 結(jié)論

1) 通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)零部件疲勞破壞產(chǎn)生的機(jī)理，區(qū)分高、低周疲勞類型，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中能有針對性地進(jìn)行預(yù)測分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2)用零件疲勞強(qiáng)度CAE仿真分析方法，發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件疲勞強(qiáng)度在設(shè)計(jì)階段即能作出分析評價(jià)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3) 采用臺架低周疲勞試驗(yàn)、臺架高周疲勞試驗(yàn)以及整車道路試驗(yàn)等全面、綜合試驗(yàn)驗(yàn)證，能最大限度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)零部件產(chǎn)生疲勞破環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)。