增壓汽油機曲軸疲勞強度優化設計

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變成旋轉運動輸出，同時也將活塞所作的功轉變為扭矩輸出。在發動機工作時，曲軸承受氣體作用力、往復慣性力和旋轉慣性力以及它們產生的力矩，這些交變載荷在曲軸上產生彎曲、扭轉等復雜的交變應力，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勢［4］。在設計方面，曲軸的軸頸、長度、重疊度等基本參數直接影響其疲勞特性;平衡塊結構的設計影響曲軸的內應力、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%提高到現在的 90%［6-7］。

基于增壓發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化設計進行驗證。

1 曲軸優化設計方案

原1.4 L自然吸氣發動機與增壓發動機參數對比如表1所示。增壓后功率、扭矩和爆發壓力都有較大提升，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為微合金非調質鋼，該材料采用鍛造的工藝生產，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省去了調質處理的工序，既節約了能源，又保護了環境［8］。

由后面第10組疲勞試驗數據和原曲軸對比，材料的優化使疲勞強度由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組疲勞試驗數據對比可知，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化中，考慮到與發動機主要參數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變為38MnVS6后，由于密度增大，在不進行結構改進優化的基礎上重量變為12.25 kg，比原曲軸重了0.97 kg。

在曲軸基本參數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域。改進后的軸平衡塊如圖3所示。

優化后，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 優化前曲軸平衡塊

圖3 優化后曲軸平衡塊

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、疲勞極限統計分析法(SAFL)［11］。

升降試驗法用于長壽命區的疲勞試驗，在指定循環基數下測試疲勞極限，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。升降試驗法根據樣本數目的多少和最終試驗數據統計分析方法的差別主要分為大子樣升降法(樣本數25以上)和小子樣升降法(樣本數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)試驗系統標定。

開始試驗前需要對試驗系統進行標定，該試驗系統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，建立試驗系統工作時激振頻率與曲軸圓角上產生的動應變之間的關系。本研究根據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。

根據以往的試驗經驗，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—當未破壞的試樣數小于破壞試樣數時為最低的試驗應力水平，當未破壞的試樣數大于破壞的試樣數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，當破壞試樣數少于未破壞試樣數時，fj為破壞試樣數，當破壞試樣數多于未破壞試樣數時，fj為未破壞試樣數;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化設計具有一定的指導意義。

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

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