增壓汽油機曲軸疲勞強度優(yōu)化設計

李忠輝，謝 薇，劉宏瑞

(泛亞汽車技術中心有限公司動力總成部，上海201201)

0 引 言

曲軸是發(fā)動機核心零部件之一，不僅與連桿一起將活塞的直線運動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運動輸出，同時也將活塞所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ剌敵?。在發(fā)動機工作時，曲軸承受氣體作用力、往復慣性力和旋轉(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)等復雜的交變應力，因此曲軸的可靠性設計非常重要［1-3］。

提高曲軸疲勞強度主要在材料、設計和工藝3個方面。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［4］。在設計方面，曲軸的軸頸、長度、重疊度等基本參數(shù)直接影響其疲勞特性;平衡塊結構的設計影響曲軸的內(nèi)應力、重量，在一定程度上也會影響曲軸的疲勞特性［5］。在工藝方面，曲軸的強化工藝主要有滲氮、表面中頻感應淬火、熱應力強化、圓角滾壓和噴丸等;而其中圓角滾壓是提高曲軸疲勞強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70年代的50%提高到現(xiàn)在的 90%［6-7］。

基于增壓發(fā)動機對曲軸更高的疲勞強度需求，本研究分別改進原型機曲軸的材料、工藝和結構，并通過疲勞試驗對優(yōu)化設計進行驗證。

1 曲軸優(yōu)化設計方案

原1.4 L自然吸氣發(fā)動機與增壓發(fā)動機參數(shù)對比如表1所示。增壓后功率、扭矩和爆發(fā)壓力都有較大提升，因此對曲軸疲勞強度提出了更高的要求。

表1 發(fā)動機基本信息

1.1 曲軸材料的改進

原機型曲軸材料為球鐵600，新機型曲軸材料選用38MnVS6，兩種材料的性能對比如表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在抗拉強度上提高了41.7%。

表2 性能對比表

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，增強了鋼的強度和硬度，基體組織顯著強化，以獲得較好的綜合力學性能，力學性能表如表3所示。與此同時，38MnVS6省去了調(diào)質(zhì)處理的工序，既節(jié)約了能源，又保護了環(huán)境［8］。

由后面第10組疲勞試驗數(shù)據(jù)和原曲軸對比，材料的優(yōu)化使疲勞強度由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

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度的最有效方法［9］。

表3 力學性能表

在圓角滾壓過程中，曲軸的疲勞強度隨著滾壓壓力的增加而提升，因此在新機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，進而提升新曲軸的疲勞強度［10］。

新款曲軸采用德國赫根塞特的變滾壓機進行沉割滾壓。滾壓示意圖如圖1所示:滾壓輪壓入設定的角度為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組疲勞試驗數(shù)據(jù)對比可知，在材料不變的情況下，滾壓后疲勞強度從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 曲軸結構的改進

在原機型曲軸的結構優(yōu)化中，考慮到與發(fā)動機主要參數(shù)和相關零部件的匹配，曲軸的基本結構特征和主要設計尺寸保持不變。

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，在不進行結構改進優(yōu)化的基礎上重量變?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，曲軸的結構改進主要分為兩個方面:曲軸減重和曲軸增強。而改進部位只針對曲軸平衡塊，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;在增強的原則下，增強主軸頸連桿頸過渡區(qū)域。改進后的軸平衡塊如圖3所示。

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

圖2 優(yōu)化前曲軸平衡塊

圖3 優(yōu)化后曲軸平衡塊

2 疲勞試驗驗證對比

針對以上新款曲軸的優(yōu)化設計，本研究對幾種改進的曲軸樣本進行了彎曲疲勞試驗，驗證對比標準為曲軸彎曲疲勞強度。目前國內(nèi)外曲軸疲勞強度試驗主要有成組試驗法、配對升降法、疲勞極限統(tǒng)計分析法(SAFL)［11］。

升降試驗法用于長壽命區(qū)的疲勞試驗，在指定循環(huán)基數(shù)下測試疲勞極限，或在某一指定疲勞壽命下測試疲勞強度。在樣本量充足(通常25根以上)情況下與其他兩個試驗方法相比，升降試驗法能更加準確地評估樣本疲勞強度。升降試驗法根據(jù)樣本數(shù)目的多少和最終試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計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，試驗周期較長，但試驗結構更加準確，國外一般采用大子樣升降法進行疲勞強度試驗。

本研究采用大子樣升降法進行疲勞試驗，試驗標準為GME L-6C-1，基本試驗信息如表4所示。

表4 試驗基本信息

試驗過程如下:

(1)準備試驗樣本。

該試驗只對每根曲軸的第4連桿頸進行考察，因此用線切割的方法將每根試驗曲軸的第4連桿頸切割下來作為試驗樣本，試驗樣本如圖4所示。

圖4 試驗樣本

本研究一共制作了3組樣本:第1組為材料改進后的曲軸試驗，第3組為材料、滾壓力改進后的曲軸試驗，第3組為材料、滾壓力和結構改進后的曲軸試驗，每組25根。

(2)試驗樣本裝夾。

試驗樣本制作完成后，筆者按照如圖5所示的裝夾方法將曲軸疲勞試驗安裝到試驗機上。安裝好的疲勞試驗裝夾效果圖如圖6所示。

圖5 裝夾示意圖

圖6 裝夾效果圖

(3)試驗系統(tǒng)標定。

開始試驗前需要對試驗系統(tǒng)進行標定，該試驗系統(tǒng)采用應變法進行標定，主要分為兩個步驟:首先，進行靜標，建立靜力矩與應變之間的關系;然后，進行動標，建立試驗系統(tǒng)工作時激振頻率與曲軸圓角上產(chǎn)生的動應變之間的關系。本研究根據(jù)這兩個關系就可以確定指定應力下的激振特性［12］。

(4)完成試驗。

根據(jù)以往的試驗經(jīng)驗，3組曲軸試驗初始載荷分別定為:第 1組 710 N·m，第2組740 N·m，第3組770 N·m，應力級差為30 N·m。試驗完成后，得出的3組試驗結果如圖7所示。

圖7 試驗結構升降示意圖

3 試驗結果分析

試驗結果的分析主要是根據(jù)GME L-6C-1試驗標準得到每組試驗的90%存活率的疲勞強度極限，從而通過對比檢驗優(yōu)化設計后的改進情況。

以上結果可由下式得出:

式中:M—疲勞極限平均值;s—疲勞極限標準差;S0—當未破壞的試樣數(shù)小于破壞試樣數(shù)時為最低的試驗應力水平，當未破壞的試樣數(shù)大于破壞的試樣數(shù)時為最低的破壞應力水平;ΔS—應力級差;j—應力水平序號，以S0應力水平的序號為“0”，其上依次為1、2、3……;fj—在第j級應力水平下的最少試件數(shù)，當破壞試樣數(shù)少于未破壞試樣數(shù)時，fj為破壞試樣數(shù)，當破壞試樣數(shù)多于未破壞試樣數(shù)時，fj為未破壞試樣數(shù);F90%—90%存活率的疲勞強度極限;當最少試件是未破壞時，式(1)的括號中取“+”號，當最少試件是破壞時，式(1)的括號中取“－”號。

本研究將式(1～3)得出的3組試驗結果與已知的原機型曲軸疲勞強度進行對比，對比結果如表5所示。

表5 試驗結果對比

4 結束語

本研究對增壓汽油機曲軸進行了疲勞強度的優(yōu)化設計，研究結果表明:

(1)在疲勞強度方面，以90%的存活率疲勞強度為標準，優(yōu)化后的曲軸疲勞強度達到801 N·m，相對原機型曲軸(645 N·m)提高了24%，優(yōu)化設計大大提高了曲軸的疲勞強度。

(2)鍛鋼材料相對球墨鑄鐵材料對曲軸的疲勞性能有較大提升。

(3)通過3組試驗結果的對比，在所選擇的38MnVS6材料基礎上，平衡塊結構的優(yōu)化相對于滾壓力1 000 N的提升具有更加明顯的效果，對相關材料的曲軸優(yōu)化設計具有一定的指導意義。

綜上所述，本研究對曲軸的優(yōu)化設計改進，達到了預期的效果，完全滿足新款增壓發(fā)動機的設計需求。

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