汽車發(fā)動機曲軸疲勞試驗方法
 

曲軸是汽車發(fā)動機的重要部件，無論是在產(chǎn)品開發(fā)階段還是在生產(chǎn)檢驗階段，都要求對曲軸的疲勞性能進(jìn)行檢驗。在發(fā)動機實際運行過程中，曲軸所承受的載荷主要是彎曲／扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷，彎曲疲勞破壞是曲軸失效的zui常見形式，而在發(fā)動機輸出功率較大、曲軸承受扭矩較大的情況下，扭轉(zhuǎn)疲勞破壞則成為主要失效形式。
在多年探索曲軸疲勞試驗的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外形成了彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的多種方法，采用了不同的評價指標(biāo)，對曲軸的可靠性進(jìn)行了充分研究和探索。尤其是在國外，許多試驗方法簡便、快捷且有效，具有借鑒和推廣價值。在國內(nèi)曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗方法尚屬空白的情況下，我公司進(jìn)行了深人研究，目前已形成曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗?zāi)芰?，并摸索出了幾種試驗方法，可以實際應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)檢驗。
1、曲軸彎曲／扭轉(zhuǎn)疲勞試驗考察目標(biāo)
鑒于曲軸失效的主要形式通常為單純的彎曲疲勞破壞或扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，同時考慮設(shè)備的能力及考察的準(zhǔn)確程度，在對曲軸進(jìn)行疲勞試驗時，通常是進(jìn)行獨立的彎曲疲勞試驗或（和）扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。但是，無論進(jìn)行哪種試驗，采用哪種標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范、方法等），一般情況下，考察的性能指標(biāo)主要有以下幾種。
a.在50%存活率下的彎曲／扭轉(zhuǎn)疲勞極限及安全系數(shù)。
b.測定彎曲／扭轉(zhuǎn)S-N曲線。
c.在某一彎矩／扭矩下的疲勞性能。
d.測定圓角應(yīng)力。
e.常規(guī)性能檢驗，包括化學(xué)成分、金相組織、表面處理、強韌性以及疲勞試驗前后的探傷檢驗等。
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2、曲車由彎曲疲勞試驗方法
2.1試驗設(shè)備
目前從設(shè)備原理上分，國內(nèi)外應(yīng)用的曲軸彎曲疲勞試驗設(shè)備主要有電磁激振式、機械式兩大類，而電磁激振式曲軸疲勞試驗機的應(yīng)用。與機械式曲軸疲勞試驗機相比，電磁激振式曲軸疲勞試驗機的電耗功率小、設(shè)備能力高、指示精度高、判斷試驗件的破壞程度較為靈敏。
電磁激振式曲軸疲勞試驗機主要由電控系統(tǒng)、機械諧振系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。電控系統(tǒng)主要由功率放大器、函數(shù)發(fā)生器、計數(shù)器、動靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等構(gòu)成。機械諧振系統(tǒng)主要由激振器、龍門架、振動擺體等構(gòu)成。函數(shù)發(fā)生器發(fā)出頻率和幅度的正弦波，驅(qū)動功率放大器使激振器產(chǎn)生振動波形，機械諧振系統(tǒng)隨之產(chǎn)生振動，調(diào)整函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的頻率至系統(tǒng)的共振頻率，即進(jìn)人正常的工作狀態(tài)。根據(jù)共振頻率下降的情況來判斷曲軸的破壞情況。使用該種設(shè)備進(jìn)行試驗時，試驗樣品必須是獨立的曲拐單元，試驗時通過夾具夾在兩主軸頸上。以我公司現(xiàn)有的RUMUL-曲軸疲勞試驗機為例，設(shè)備能力zui高可達(dá)10000N•m（試驗彎矩），頻率指示精度可達(dá)0.01Hz可在0~2.56x108范圍內(nèi)計數(shù)，其外觀見圖1。

機械式曲軸疲勞試驗機主要由激振臂、諧振臂、激振器、交流電機、變頻調(diào)速器、速度傳感器、工控計算機等構(gòu)成。試驗曲軸夾持在激振臂和諧振臂之間構(gòu)成音叉，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動偏心振子產(chǎn)生離心力時曲軸被激振。選擇適當(dāng)?shù)钠木?，控制電機轉(zhuǎn)速以達(dá)到曲軸試驗彎矩的負(fù)荷要求，保持恒定轉(zhuǎn)速持續(xù)試驗。在裂紋出現(xiàn)后，因剛度減小致使激振臂、諧振臂擺幅增大，系統(tǒng)即報警停車。該設(shè)備的優(yōu)勢在于，試驗樣品可以不是獨立的曲拐單元，減少了試驗前的準(zhǔn)備工作量。機械式曲軸試驗臺見圖2。

2.2通常采用的試驗方法
根據(jù)不同的試驗?zāi)康?，對試驗樣品（曲拐）的?shù)量要求有所不同。對應(yīng)于第1節(jié)中不同的考察目標(biāo)，樣品數(shù)量分別為：a.大于8件，升降法試驗，相鄰試驗彎矩增量在5%~10%，有效對子數(shù)目大于3個；b．大于15件，試驗彎矩水平不得小于4級，其中必須有一級彎矩水平在疲勞極限10%以內(nèi)，其余遵照S－N曲線法進(jìn)行試驗；c.2-4件；d:l件。
在進(jìn)行疲勞試驗時，對試驗曲拐施加一定頻率的正弦波，載荷的標(biāo)定和控制都是通過在連桿軸頸上貼應(yīng)變片（見圖3），再通過測量該應(yīng)變片的應(yīng)變來實現(xiàn)的。為了保證試驗準(zhǔn)確，對每件試驗的曲拐一一標(biāo)定。試驗循環(huán)基數(shù)可根據(jù)不同的需要取1x107次或5x106次。

曲軸彎曲疲勞試驗的危險部位一般為連桿軸頸過渡圓角和主軸頸過渡圓角，見圖3中箭頭所示，尤以連桿軸頸過渡圓角破壞更多。所以，一般情況下都是通過在連桿軸頸過渡圓角處貼應(yīng)變片的方法來測定應(yīng)力大小。
當(dāng)需要用安全系數(shù)來評價曲軸時，通常要用到工作彎矩的概念。曲軸名義工作彎矩為：

式中，M-1為名義工作彎矩;D為氣缸直徑;Ll為連桿軸頸中心至、主軸頸中心距；G為柄臂中心至主軸頸中心距；尸為爆發(fā)壓力；K為支承系數(shù)（全支承K=0.75、非全支承K=0.85、滾動軸承K=0.90）；L為相鄰兩主軸頸中心距。
2.3相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹
第2.2節(jié)介紹的是在通常情況下采用的試驗方法，有時根據(jù)需要也采納或借鑒國內(nèi)外相關(guān)的一些試驗方法。這些試驗方法要求設(shè)備的工作原理一般采用共振原理方式，試驗樣品為獨立的曲拐，其概述如卞。

a.試驗采用夾具上某一點的加速度值作為載荷控制參數(shù)，一般采用加速度傳感器，也可選用位移或應(yīng)變傳感器。
b.試驗循環(huán)基數(shù)取1x107次。
c.用成組法評估曲軸在過載時的疲勞強度，每組試樣不少于8個，3組載荷水平的選擇應(yīng)使曲拐斷裂的循環(huán)次數(shù)分別在下列范圍內(nèi)。

d.用升降法測定曲軸的疲勞極限，試樣數(shù)量不得小于18個，彎矩增量一般在疲勞極限的5％以內(nèi)，保證6對有效數(shù)據(jù)。
e.用成組法和升降法兩部分組成測定S-N曲線。
f.產(chǎn)品質(zhì)量抽檢時，可以用成組法在一個較高的載荷下測定其對數(shù)平均疲勞壽命，試樣不得少于8個，所選試驗載荷應(yīng)使試樣壽命在5x105-5x106護(hù)范圍內(nèi)，與事先用合格產(chǎn)品測得的對數(shù)平均壽命進(jìn)行比較評價。
2.3.2日本某標(biāo)準(zhǔn)
a.該標(biāo)準(zhǔn)是某企業(yè)對特定型號的經(jīng)過圓角滾壓處理的曲軸進(jìn)行質(zhì)量檢驗。
b.對連桿軸頸過渡圓角及主軸頸過渡圓角進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，要求大于880MPa。
c.對試驗曲拐施加某一定載荷（不同產(chǎn)品載荷不同），進(jìn)行彎曲疲勞試驗，運行1x107次循環(huán)，技術(shù)要求是不得出現(xiàn)裂紋，并需經(jīng)過探傷及截面裂紋檢驗。
2.3.3FEV某標(biāo)準(zhǔn)
a.用16~20個曲拐測定S-N曲線，必須有2個曲拐通過1x107次循環(huán)，有2個曲拐通過5x106次循環(huán)，有8個以上曲拐在更高的3-5級載荷發(fā)生破壞。
b.用12個曲拐進(jìn)行疲勞極限測定，并計算安全系數(shù)。
C.在連桿軸頸上貼應(yīng)變片來標(biāo)定和控制試驗載荷。
d.在連桿軸頸和主軸頸過渡圓角處貼應(yīng)變片來測定應(yīng)力。2.3.4AVL某標(biāo)準(zhǔn)a.曲軸彎曲疲勞試驗和曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗分別獨立進(jìn)行，一般不建議進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的合力疲勞試驗。b.試驗載荷通過應(yīng)變來標(biāo)定和控制。
c.建議試驗使用S-N曲線作為試驗程序。另外，在AVL通用的疲勞試驗程序里還有階梯法和負(fù)荷增加法。
d.在第1階段開發(fā)的初始試驗期間，樣品數(shù)量大于8個；在產(chǎn)品確認(rèn)階段，樣品數(shù)量大于12個。
e.S--N曲線法允許用試驗通過的樣品在高負(fù)荷區(qū)進(jìn)行試驗。
f.可以用疲勞極限（50％存活率）和安全系數(shù)來評價曲軸質(zhì)量。
3、曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗方法
國內(nèi)對曲軸進(jìn)行疲勞壽命考察時，多年來只進(jìn)行彎曲疲勞試驗，幾乎沒有扭轉(zhuǎn)疲勞試驗的技術(shù)手段和積累。但是，國外的大型汽車企業(yè)卻都有這方面的能力，已形成了各自的試驗方法，并成功地應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)檢驗。 使用RUMUL曲軸疲勞試驗機、慣性振動式扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機的研究開發(fā)，并初步經(jīng)過了試驗論證。
3.1試驗設(shè)備
從設(shè)備原理上分，曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗通常采用的是電磁激振式、液壓伺服式、慣性振動式等幾種。其中，電磁激振式試驗機與彎曲疲勞試驗所用的設(shè)備原理、配置都相同，只是夾具有所不同。道依茨(DEUTZ)公司就是采用該種試驗設(shè)備進(jìn)行曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。圖4為我公司在RUMUL曲軸疲勞試驗機上開發(fā)的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗示意圖，試驗樣品為獨立的曲拐.

RUMUL曲軸疲勞試驗機扭轉(zhuǎn)能力可達(dá)6x104N•m,試驗頻率為系統(tǒng)共振頻率，一般在40~80Hz。我們將,JM1曲拐在該設(shè)備上進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)試驗，在2.2x104N•m扭矩下發(fā)生破壞，裂紋出現(xiàn)在連桿軸頸油孔處，見圖5。

在液壓伺服式試驗系統(tǒng)上開發(fā)的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，其扭轉(zhuǎn)能力一般比較高，但是頻率比較低，試驗周期長。日本MAE公司就是應(yīng)用該種設(shè)備進(jìn)行曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，其試驗樣品為整根曲軸，試驗時考察多個危險點的疲勞壽命。 但是試驗頻率較低，一般在5Hz以內(nèi)。

慣性振動式扭轉(zhuǎn)疲勞試驗開發(fā)初步完成，但是尚需進(jìn)一步試驗驗證。根據(jù)目前的設(shè)備配置及試驗夾具情況，該設(shè)備能力為5000N•m，試驗頻率可在0-70Hz范圍內(nèi)，通過重新設(shè)計夾具及調(diào)整配重等措施，預(yù)計該設(shè)備能力可進(jìn)一步提高。慣性振動式曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗裝夾設(shè)備見圖7。

3.2通常采用的試驗方法
基于疲勞試驗的共同性及曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗考察的目標(biāo)，扭轉(zhuǎn)疲勞試驗所需的試驗樣品數(shù)量及試驗方法與彎曲疲勞試驗的要求基本相同，見2.2節(jié)所述。
試驗采用在連桿軸頸油孔周圍、連桿軸頸過渡圓角（靠近油孔）處貼應(yīng)變片，應(yīng)變片的軸線方向與連桿軸頸的軸線方向成45°角，通過應(yīng)變儀測定該點的應(yīng)變值作為載荷控制參數(shù)。試驗標(biāo)定采用以靜標(biāo)動，我公司的靜態(tài)標(biāo)定是在3xl04N•m靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗機上完成的。試驗循環(huán)基數(shù)可根據(jù)不同的需要取1x107次或5x106次。
3.3相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹
3.3.1FEV某標(biāo)準(zhǔn)
a.用2.3.1節(jié)中的a和2.3.3節(jié)中的b方法測定扭轉(zhuǎn)S-N曲線。
b.在連桿軸頸上貼應(yīng)變片來標(biāo)定和控制試驗載荷，但是扭轉(zhuǎn)強度zui危險的部位是油孔周圍。
c.在連桿軸頸和主軸頸過渡圓角處貼應(yīng)變片來測定應(yīng)力，然后采用FEV方法來計算和評價應(yīng)力(FEV具體計算和評價方法未知)。
3.3.2AVL某標(biāo)準(zhǔn)
扭轉(zhuǎn)疲勞試驗方法同彎曲疲勞試驗方法。
4、結(jié)束語
在常規(guī)的曲軸彎曲/扭轉(zhuǎn)疲勞試驗方法的基礎(chǔ)上，吸收和借鑒國外各企業(yè)的先進(jìn)方法。針對產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，采用不同的試驗方法，可以節(jié)約試驗樣品、縮短試驗周期、有效評價曲軸的疲勞性能。
繼續(xù)開發(fā)曲軸的實際工作彎矩／扭矩的測量工作，完善曲軸的試驗彎曲／扭轉(zhuǎn)應(yīng)力測量工作，建立更加直觀有效的評價指標(biāo)是下一步的工作重點。