QT800-6球墨鑄鐵曲軸彎曲疲勞強度安全系數快速評估方法

陶前昭，蔚興建

（1.廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

QT800-6球墨鑄鐵曲軸材料是一種新型曲軸材料[1]。該材料的特點是在保證高強度的同時，也具有較高的延伸率，這是一般球墨鑄鐵材料所不具備的。采用QT800-6材料制造的曲軸輔以“軸頸淬火+圓角滾壓”強化工藝后，能夠獲得較高的疲勞彎矩性能，接近鍛鋼（軸頸+圓角淬火）曲軸水平。隨著柴油機爆壓的提高，曲軸作為發動機傳遞扭矩的核心部件，發動機工程規范規定QT800-6球墨鑄鐵曲軸的安全系數需達到1.8的要求[2]。目前發動機設計計算基本上采用CAE分析軟件進行，但由于計算軟件價格高，需采用軟件計算的零部件眾多，往往無法滿足曲軸應用計算分析需求；另一方面QT800-6球墨鑄鐵材料是一種新型材料，匹配滾壓工藝進行，CAE分析軟件的尚未能覆蓋QT800-6球墨鑄鐵材料性能參數和滾壓后的強度提升。因此，技術人員需要采用快速計算方法來評估曲軸的安全系數是否達到要求，以便后續進行系統的CAE分析提供選擇依據。曲軸形位系數與曲軸強度存關直接的對應關系，可用曲軸形位系數來評估曲軸強度。因此，本文提出用曲軸形位系數來快速評估QT800-6球墨鑄鐵曲軸安全系數，分析找出形位系數與強度的對應關系，建立快速評估安全系數的計算模型。

1 計算方法

1.1 常用曲軸計算方法

關于曲軸形位系數的常用計算方法有斯塔耳方法、壹岐·高垣方法、普芬德爾計算法（FVV公司）、戴勒姆-本茨（DB公司）和新井淳一方法[3]。因為各種計算方法均在一定結構曲軸上進行研究而得出的經驗式，加上曲軸結構參數差別大，這幾種曲軸計算方法都有一定的適用范圍，尤其是各種方法所設定的工況、發動機結構，曲軸支撐情況、強化處理工藝等都有區別，計算結果差異較大，無法確定一種統一、公認的計算方法。因此，如何選用上述方法進行初步計算評估，同時通過試驗進行驗證是目前各廠家最普遍和有效的方法。

計算方法所采用的計算公式基本上都是參照材料的疲勞極限、結合材料的強化工藝和結構尺寸等相關影響因素進行，并按曲軸危險截面部位的最小強度要求進行評估，并在此基礎上用曲軸形位系數來評估曲軸的安全系數，計算方法均采用無因次參數法，主要采用如下4個參數進行為曲軸連桿徑直徑，R為連桿徑圓角半徑，H為曲柄臂厚度，B為曲柄臂寬度和S為軸頸重疊度（危險截面處重疊度）。

1.2 5種曲軸計算方法所用公式

1.2.1 斯塔耳方法

1.2.2 壹岐·高垣方法

1.2.3 戴勒姆-本茨（DB公司）

1.2.4 新井淳一方法

連桿頸圓角沉割深度與圓角比值）

1.2.5 普芬德爾計算法（FVV公司）

2 計算結果

2.1 曲軸參數

為了對比結果有代表性，選取已生產并進行過系統彎曲疲勞試驗的43種曲軸進行對比分析（一種曲軸進行系統彎曲疲勞試驗需歷時近1個月，43種曲軸已是多年的數據積累，有一定的參考價值）。其中，所選定的O#曲軸是生產量超過30萬根，并在不同時期進行過系統的彎曲疲勞試驗（包括內部定型試驗和過程抽檢試驗、客戶進貨試驗以及第三方試驗），并統一用升降法進行安全系數的評估，所得到的疲勞試驗結果穩定，基本一致，可作為參照物進行對比，所列出的43種曲軸見表1。應用范圍覆蓋乘用車發動機曲軸、商用車輕中重型發動機曲軸、船用發動機曲軸，工程機械曲軸、發電機組曲軸，從曲軸軸徑尺寸、氣缸直徑以及中心距尺寸已涵蓋國內主流機型，對同一系列軸徑的曲軸，也有不同曲柄臂寬B值和不同的中心距，范圍具有一定的代表性。

表1 曲軸結構參數

續表

2.2 計算結果

將上述所列出的42款曲軸，分別按前面所說的5種計算方法進行計算，為避免不同的圓徑比（連桿徑圓角尺寸與軸徑尺寸比值）對計算結果的影響，在此次計算過程均按同一參數進行，即值固定，R隨D的大小變化；計算得出各曲軸的形位系數值。

如前面所述，曲軸形位系與曲軸強度有直接對應關系，而工程規范上描述曲軸強度基本上用曲軸安全系數進行；將上述計算所得的各曲軸形位系數與0#曲軸形位系數進行對比，進一步轉化為曲軸安全系數進行描述，即曲軸安全系數=×0#曲軸實測安全系數，對應得到各曲軸安全系數見表2，曲軸安全系數越高，表明曲軸的強度越好，一般情況下，球墨鑄鐵曲軸裝機首要條件是安全系數不低1.8。

表2 安全系數結果

2.3 數據分析

2.3.1 安全系數偏差

根據43款曲軸計算所得安全系數與筆者采用升降法[4]實際測量所得安全系數的偏差（數值為正值對應計算結果大于實測結果，負值對應計算結果小于實測結果），偏差值見表3。偏差值越小，表明計算結果越接近實測結果，這是本文所需尋找到的。從計算結果的安全性來說，負值越多表明如應用計算結果，代表曲軸的安全性越高，換句通俗點的說法，就是計算結果有一定的富余。

表3 安全系數偏差

續表

為更為直觀，在列出數據后，也通過圖表折線圖進行對比，對比曲線如圖1。

圖1 各計算方法轉化后安全系數與實測安全系數對比

2.3.2 偏差分析

按偏差結果進行整理匯總數據見表4。

表4 匯總結果

從上面的統計數據分析可得出如下結果：

（1）偏差在±30%內，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過88.1%，普芬德爾、戴勒姆-本茨、新井淳一3種計算方法得到的偏差一樣，均達到97.62%，均有一款曲軸計算結果偏差超過30%，且集中在14#曲軸，經核對，發現此款曲軸為國外設計，設計采用鍛鋼材料，球墨鑄鐵材料不適用此結構，因此計算出的結果偏差出現超30%以上。

（2）偏差在±20%內，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過69.05%，普芬德爾、壹岐.高垣和新井淳一3種計算法所對應的偏差均達到92.86%，其中普芬德爾稍為好些。

（3）偏差在±15%內，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過50%，普芬德爾和新井淳一兩種計算法所對應的偏差均達到85.71%，其他3種計算方法均不超過70%，相符率最差的是戴勒姆-本茨，僅過到50%。

（4）偏差在±10%內，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過33.33%，普芬德爾和新井淳一2種計算法所對應的偏差均達到76.19%，其他3種計算方法均不超過50%。

（5）偏差在±5%內，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過21.43%，普芬德爾計算法最好，所對應的偏差達到42.86%，其它3種計算方法均不超過30%。

（6）計算安全性上，普芬德爾計算法所對應的負值占比達到61.9%，其次是戴勒姆-本茨和新井淳一2種計算法，負值占比達到54.76%，最不好的是壹岐.高垣法，負值占比僅為30.95%

2.3.3 計算結果應用

（1）上述對比結果也進一步說明，計算所得的曲軸形位系數越小，所對應的曲軸安全系數越高[5]，曲軸技術人員可采用曲軸形位系數的計算來評估曲軸強度。

（2）前面所列的5種曲軸計算方法所對應的計算公式，均是相關專家通過自身經驗積累，通過大量試驗數據進行修正，才逐步形成的計算公式（計算方法以個人名字命名），在一定的范圍內，其計算結果與實測結果相符性較高，如16#～24#九款曲軸，所得計算結果就比較一致。因此，與這9款曲軸結構參數接近的曲軸，均可應用這5種計算方法進行形位系數的計算來評估曲軸強度，雖有一定的偏差，但是這些偏差在可接受范圍。

（3）5種曲軸計算方法均有一部分計算結果大幅超出實際測量結果，進一步分析可發現這些曲軸均是結構性較差，即設計時的曲軸安全系數就偏小，估計與對應發動機所應用的領域有關，本研究均從車機工況進行對比分析，也有一定的局限性，如從曲軸技術人員需掌握曲軸強度的初始計算分析來說，有一定的參考價值。

（4）對于QT800-6球墨鑄鐵曲軸來說，5種計算方法優先權順序是普芬德爾計算法、新井淳一方法、斯塔爾計算法、戴勒姆-本茨法、壹岐.高垣法。

3 結語

由于各發動機結構尺寸、使用工況、材料一致性、曲軸強化工藝的不同，確實無法確定一種統一的方法來計算曲軸安全系數，本文通過常用的斯塔耳方法、壹岐.高垣方法、普芬德爾計算法（FVV公司）、戴勒姆-本茨（DB公司）和新井淳一方法計算方法進行對比，從結果看，對于QT800-6球墨鑄鐵曲軸來說，采用普芬德爾計算法計算出來的安全系數與實際結果符合度較高，滿足快速分析評估的需求，在后續曲軸技術人員進行曲軸強度初始計算分析時，可優先采用普芬德爾方法作為快速評估方法。當然，也可以用普芬德爾計算法和新井淳一方法同時進行評估。本研究建立的用普芬德爾計算法和新井淳一方法結合Excel計算模型，可以實現加快評估。