某發(fā)動機曲軸優(yōu)化設計

劉岳文，湯泓淵，葉青陽

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

0 引言

改革開放以來，我國經濟和技術得到迅猛的發(fā)展，制造行業(yè)的水平也得到了迅速的提升。汽車行業(yè)作為我國經濟的支柱產業(yè)，其發(fā)展也越來越快。汽車行業(yè)的發(fā)展，帶動了很多連帶行業(yè)的興起。曲軸作為內燃發(fā)動機中的核心零部件，其作用主要是將活塞連桿的往復運動轉化為旋轉運動，進而達到將燃料的熱能轉化為動能輸出。曲軸在工作過程中不斷承受著交變的彎曲應力和扭轉應力，受力復雜而多變。尤其是各個國家包括我國，對發(fā)動機的排放提出越來越高要求，這促使發(fā)動機制造商不斷提升發(fā)動機技術指標，其中重要的手段之一就是提高發(fā)動機爆發(fā)壓力。這對曲軸的抗拉強度、剛度、耐磨性、耐疲勞性、沖擊韌性等機械性能都提出了更高的要求。然而曲軸的結構設計對曲軸的機械性能有很大影響。某發(fā)動機隨著市場需求不斷增加而擴大其配套范圍，一些配套需求對發(fā)動機性能和可靠性提出更高的要求。因而，作為發(fā)動機的主要零件之一的曲軸，其可靠性必須根據配套應用條件和邊界參數(shù)進行有效評估。評估后發(fā)現(xiàn)某機型如采用發(fā)動機基本型曲軸，則曲軸后端會因動力輸出結構的特殊性而存在著強度不夠的隱患。為此，對曲軸進行優(yōu)化設計，提高曲軸后端整體強度，確保發(fā)動機各種應用配套可靠安全。

1 我國曲軸制造現(xiàn)狀

曲軸既是內燃發(fā)動機中的關鍵零件之一，也是內燃發(fā)動機中制造難度很高的零件之一[1]。由于曲軸在發(fā)動機上起著至關重要的作用，曲軸的發(fā)展代表著發(fā)動機技術的不斷提升。近年來，我國內燃發(fā)動機曲軸專業(yè)生產廠家通過對引進技術的消化吸收和自行開發(fā)，曲軸制造總體水平有了較大的提高。制造技術方面，不斷輕量化，改善熔化工藝，造型技術提升、及智能化等[2]。曲軸材料方面，目前主要用途的發(fā)動機曲軸材料分為鋼質和球墨鑄鐵兩大類，球墨鑄鐵由于其在切削性能和強化手段兼具的優(yōu)勢，得到了越來越廣泛的應用。據統(tǒng)計，球墨鑄鐵曲軸在車用發(fā)動機上的應用比例，美國、英國和日本都占到了60%以上，德國、比利時等國家也已大批量使用，我國也正在逐步拓寬球墨鑄鐵曲軸的應用范圍[3]。曲軸強化方面，目前主要的強化手段包括中高頻感應淬火、圓角滾壓、整體氮化等。曲軸設計驗證方面，主要有彎曲疲勞試驗和扭轉疲勞試驗，其中彎曲疲勞試驗常用的方法有成組試驗法、配對升降法和疲勞極限統(tǒng)計分析法3種。我國汽車行業(yè)針對曲軸的彎曲疲勞試驗的3種常用方法進行了標準化的規(guī)定。3種方法各有優(yōu)勢，可根據實際需求選擇[4]。

2 某機型發(fā)動機曲軸結構

某機型發(fā)動機為直列4沖程、水冷、增壓中冷柴油機，其主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

發(fā)動機采用隧道式機體。曲軸在裝入機體前，先與中間軸承座和后端軸承座組裝成曲軸總成后，再裝入機體軸承孔內，然后使用飛輪螺栓將飛輪部件、后油封總成和墊塊固定在曲軸后端主軸頸即第5主軸頸上。發(fā)動機后端結構如圖1所示。

曲軸的主要結構尺寸和關鍵參數(shù)如表2所示。

表2 曲軸主要結構尺寸和關鍵參數(shù)

由于發(fā)動機機體結構為隧道式，限制了動力輸出的方式，需通過第5主軸頸直接輸出動力，因此在第5主軸頸上布置了飛輪螺孔。由于結構空間布置的要求，需要在曲軸第8曲柄臂上安裝信號盤，因此在第8曲柄臂上布置了信號盤安裝螺孔。這限制了第5主軸頸的外圓尺寸，進而限制了螺孔數(shù)量和螺孔分度圓直徑。曲軸后端螺孔布置如圖2所示。

圖1 發(fā)動機后端結構示意圖

圖2 曲軸后端螺孔示意圖

3 螺孔對曲軸強度的影響

3.1 飛輪螺孔對曲軸后端強度的影響

一般隧道式機體所采用的曲軸結構形式與一般龍門式機體所采用的曲軸結構形式不同。隧道式機體由于后端軸承座布置的限制，使曲軸后端動力輸出形式較為特殊：傳遞動力的飛輪螺孔就布置在曲軸第5主軸頸上。這種結構優(yōu)點是能使曲軸整體長度變短，既增加了曲軸的剛性，又縮短了發(fā)動機的軸向長度，方便發(fā)動機在整車上的布置，易適合多種配套要求；但也使曲軸第5主軸頸的強度大大降低，尤其是飛輪螺孔處。如果額外增加飛輪螺栓的軸向力，容易導致飛輪螺栓與螺孔嚙合末端部位出現(xiàn)受力集中現(xiàn)象，產生疲勞裂源。

3.1.1 螺孔嚙合未端位置對曲軸強度的影響

由于此發(fā)動機動力輸出的特殊方式和結構，發(fā)動機飛輪必須與曲軸的第5主軸頸直接連接。針對曲軸后端主軸頸上的飛輪螺孔，采用CAE軟件分析其嚙合未端位置的變化對螺孔局部安全系數(shù)的影響。局部安全系數(shù)是指某特征周圍的高周頻率安全系數(shù)。仿真分析模型如圖3所示，仿真分析結果見表3。從圖3和表3可以發(fā)現(xiàn)，對于這種直接從后端主軸頸上輸出動力的曲軸結構來說，在輸出動力的主軸頸的圓角附近會產生較大的危險應力區(qū)域，這樣使得飛輪螺栓與螺孔嚙合末端處于不同位置時，會對主軸頸上飛輪螺孔處的應力分布產生影響，進而影響主軸頸整體強度。若不考慮其他因素，這種影響大致趨勢為：飛輪螺栓與螺孔的嚙合末端位置離圓角區(qū)域越遠，螺紋的最小局部安全系數(shù)就越高，主軸頸整體強度也就越高。

圖3 不同螺紋嚙合末端位置仿真模型

從表3可知，在發(fā)動機工作范圍內，相比基本型，螺孔嚙合末端位置無論外移3.75 mm還是內移3.75 mm，局部安全系數(shù)都提高，相比內移，外移的安全系數(shù)略高，內移7.5 mm，局部安全系數(shù)進一步提高。螺孔嚙合末端位置內移受多種因素限制，如壁厚限制，螺孔加工成本高、飛輪螺栓須加長等。

3.1.2 螺栓軸向力對曲軸強度的影響

由于飛輪螺栓是直接布置在曲軸第5主軸頸上的，為了保證飛輪輸出動力的可靠性，需要保證飛輪螺栓有足夠的嚙合長度和軸向力。當發(fā)動機工作時，第5主軸頸圓角附近的應力區(qū)域，不僅需要承受發(fā)動機燃燒爆壓所傳遞的載荷，還需要承受飛輪螺栓的軸向力。在相同螺孔嚙合末端位置 （基本型嚙合末端位置）下，分析飛輪螺栓軸向力對螺孔安全系數(shù)的影響。仿真分析模型如圖4所示，仿真分析結果見表4。從圖4和表4可以發(fā)現(xiàn)，飛輪螺栓軸向力對飛輪螺孔強度影響有限。

表3 螺紋嚙合末端位置與螺孔最小局部安全系數(shù)

圖4 不同飛輪螺栓軸向力仿真模型

表4 不同螺栓軸向力下螺孔最小局部安全系數(shù)

3.2 信號盤螺孔深度對曲軸強度的影響

信號盤的作用是為發(fā)動機ECU提供曲軸轉角參數(shù)，以便ECU判斷噴油時刻和噴油量。其原理是利用金屬齒和空齒槽來交替切割與信號齒小間隙配合的轉速傳感器的磁力線，并利用長角度差異空齒槽來確定曲軸所轉過的圈數(shù)。隨著客戶對整車的使用環(huán)境和可靠性的要求越來越高，對發(fā)動機的工作可靠性和耐久性也提出了更高的要求，進而要求信號盤工作可靠。信號盤上的信號齒與轉速傳感器之間是小間隙匹配，若信號盤裝在發(fā)動機外，容易受到灰塵或者雜質的影響，堵塞間隙，導致傳感器取信號失效，發(fā)動機熄火，無法起動。因此，信號盤安裝于發(fā)動機內成為一種被看好的措施。此發(fā)動機曲軸信號盤也安裝在發(fā)動機內，并布置在第8曲柄臂上，用3個M6螺釘固定，其中1個螺釘布置在曲柄銷上。由于前面對飛輪螺孔仿真分析時，已發(fā)現(xiàn)后端主軸頸圓角附近存在危險應力區(qū)域，所有對信號盤螺孔也進行仿真計算，分析不同螺孔深度對曲軸強度的影響。仿真模型如圖5所示，仿真分析結果見圖6和表5所示。

圖5 信號盤安裝螺孔仿真模型

表5 螺孔深度與螺孔底部局部安全系數(shù)

從計算結果可以看出，隨著螺孔深度從18加深到22和24，螺孔底部的局部安全系數(shù)不斷下降。結合之前對飛輪螺孔的計算結果，認為由于曲柄銷圓角的存在，其附近存在危險應力截面，并且由于是曲拐的特殊結構，45°斜截面同樣是危險截面區(qū)域，所以此螺孔的深度顯得尤為關鍵。

3.3 螺紋成形工藝對曲軸強度的影響

螺孔的螺紋成形方式主要有2種：一種是使用切削絲錐在標準底孔上加工螺紋；另一種是使用擠壓絲錐在特定底孔上擠壓表面材料而形成螺紋，如圖7所示。相比切削螺紋，擠壓螺紋具有明顯的優(yōu)勢：1）擠壓絲錐加工螺紋時無切屑，不用考慮排屑問題，可以加工最大為4D深度的螺紋；2）擠壓成形的螺紋表面粗糙度一般小于切削加工的螺紋表面粗糙度，并且由于擠壓成形的螺紋槽底和齒面的冷硬化和纖維連續(xù)化，如圖8b）所示，使螺紋靜態(tài)抗斷裂強度一般可提高約20%，動態(tài)耐久性也有較大提高；3）擠壓絲錐加工的螺紋，質量一般都比較穩(wěn)定，安全性高，且螺紋壽命高，尤其是小螺距螺紋；4）可以加工材料斷裂延伸率≥7%的一般鋼材。隨著機加工設備的不斷改進和工藝水平的提升，以及刀具制作和加工成本的降低，螺紋擠壓加工的效率和成本都得到了改善。因此，螺紋擠壓成形工藝得到了越來越廣泛的應用，尤其在關鍵螺孔上，得到了推廣。

圖6 不同螺孔深度下的螺孔底部的局部安全系數(shù)

圖7 切削螺紋與擠壓螺紋的纖維走向

4 曲軸的優(yōu)化和試驗驗證

4.1 優(yōu)化

通過以上對曲軸強度影響的因素分析可以得出：如果必須在曲軸上布置螺孔，尤其是在曲柄臂和曲軸后端動力輸出等關鍵部位上布置，螺孔的結構和成形工藝對曲軸的強度有很大的影響，尤其是在曲軸第5主軸頸上布置飛輪螺孔，須避開主軸頸圓角附近的危險應力區(qū)域。

通過采用CEA軟件對發(fā)動機曲軸進行仿真計算分析后，確定改進方向：將螺孔的位置盡量避開曲軸后端關鍵危險應力區(qū)域，以避免降低曲軸強度。因此，在綜合考慮成本后，在改動最小的原則下，對發(fā)動機曲軸進行優(yōu)化設計，采取了以下改進措施：1）曲柄銷上的信號盤螺孔深度改淺，遠離曲柄銷圓角的45°斜角截面；2）將飛輪螺孔的沉孔深度改淺，進而改變飛輪螺孔嚙合末端位置，遠離第5主軸頸圓角附近危險應力區(qū)域；3）同時加強2處螺孔的螺紋自身強度，由切削成形螺紋改為擠壓成形螺紋。

具體優(yōu)化設計如圖8～9所示。1）將飛輪螺孔的沉孔深度由原來的10 mm改成4 mm，即螺孔嚙合末端位置向曲軸后端方向外移6 mm；2）信號盤螺孔深度由22 mm改淺為18 mm，并在螺孔孔底上增加R1.5圓角過渡；3）2處螺孔螺紋加工方式由切削工藝改擠壓工藝，以提高螺紋自身強度。

4.2 試驗驗證

分別用切削成形螺紋和擠壓成形螺紋方式加工曲軸，并對曲軸的飛輪螺孔和信號盤螺孔進行解剖，檢查2種方式成形的螺紋表面質量。放大后的螺紋表面質量如圖10和圖11所示。從圖10～11可以看出，切削成形的螺紋受力面的表面質量比擠壓成形螺紋的差。對優(yōu)化設計前后的曲軸進行彎曲疲勞和扭轉疲勞試驗。試驗結果見表6和表7。從表6可以看出，隨著飛輪螺孔嚙合末端位置外移，即遠離第5主軸頸圓角附近危險應力區(qū)域，曲軸可承受的彎矩有所提升，再加上螺紋由切削成形變?yōu)閿D壓成形，可承受的彎矩進一步提高。從表7可以看出，對信號盤螺孔，通過采取深度變淺，底孔末端改成圓角，螺紋擠壓成形這3項優(yōu)化設計后，曲軸可承受的扭矩也得到了一定的提升。然后對優(yōu)化設計后的曲軸樣件進行了臺架耐久試驗、道路試驗等一系列試驗，并且試驗順利完成。試驗結束后，對發(fā)動機進行拆解檢查，曲軸完好，表明優(yōu)化設計可行。

圖8 曲軸飛輪螺孔的優(yōu)化

圖9 曲軸信號盤螺孔的優(yōu)化

圖10 切削加工螺紋的剖面圖

圖11 擠壓成形螺紋的剖面圖

表6 彎曲疲勞試驗結果對比

表7 扭轉疲勞試驗結果對比

5 總結

利用CAE仿真手段，通過分區(qū)域建模來分析曲軸上關鍵特征對其局部強度的影響，進而分析其對整體強度的影響。然后采取相應的優(yōu)化設計，提高曲軸整體強度，以擴大曲軸的使用環(huán)境和應用范圍。針對匹配隧道式機體的曲軸上2處關鍵螺孔的特征參數(shù)，通過CAE計算分析出影響因素：曲軸上信號盤螺孔深度和主軸頸上飛輪螺孔嚙合末端位置對曲軸整體強度有較大影響；螺孔螺紋的質量對曲軸強度也有比較重要的影響。為此，采取了針對性的優(yōu)化設計，提高了曲軸強度，并通過一系列的試驗，驗證了優(yōu)化后的結果。這些優(yōu)化設計可為其他曲軸的設計和改進提供指導和借鑒。