內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的現(xiàn)狀和發(fā)展

王琛

摘 要：作為內(nèi)燃機(jī)重要的零配件，曲軸強(qiáng)度體現(xiàn)在抗疲勞和抗斷裂兩個(gè)方面，如果曲軸強(qiáng)度水平不足，可能會(huì)引起內(nèi)燃機(jī)其他零配件的損壞。基于內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和可靠性要求，文章將在分析內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入研討如何提高內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的具體方法。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；曲軸強(qiáng)度；現(xiàn)狀

1 內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)復(fù)雜

內(nèi)燃機(jī)的曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工時(shí)，一方面要求具有較為可觀的承受荷載能力，而且要兼顧內(nèi)燃機(jī)的功率需求，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要求保證曲軸強(qiáng)度達(dá)到既定的水平。曲軸在內(nèi)燃機(jī)中的作用是承受氣缸內(nèi)砌體作用力，并以旋轉(zhuǎn)、往復(fù)等運(yùn)動(dòng)方式，為內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行提供慣性力。但由于內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的荷載在周期內(nèi)不斷變化，以致曲軸持續(xù)承受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，尤其是過渡圓角位置，應(yīng)力過于集中，最終導(dǎo)致曲軸的疲勞失效。

1.2 永久性性能變化

在內(nèi)燃機(jī)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，隨著使用時(shí)間的加長，曲軸局部某點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)永久性的性能變化，反復(fù)循環(huán)載荷作用下，逐漸形成裂紋，甚至擴(kuò)展至斷裂破裂，即人們常說的疲勞斷裂。疲勞斷裂具有低應(yīng)力性、突然性、時(shí)間性、敏感性等特征，國內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)中，大約有80%以上內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，就是因?yàn)榍S的疲勞破壞引起，大約占其他強(qiáng)度破壞故障率的95%左右。從側(cè)面亟需要求改善內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀。

1.3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前內(nèi)燃機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，是在系統(tǒng)組合動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，分析曲軸的應(yīng)力分布，以此確定曲軸的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)，并選擇最佳的強(qiáng)度儲(chǔ)備點(diǎn)，進(jìn)行曲軸的疲勞試驗(yàn)，以此提高設(shè)計(jì)的成功率。期間需要利用數(shù)據(jù)庫中的幾何參數(shù)、材料特性、載荷譜等，對(duì)零部件進(jìn)行有限元分析和估算疲勞強(qiáng)度，在通過虛擬試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)后，擬定詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。

2 內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的設(shè)計(jì)建議

2.1 建立曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

鑒于內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，應(yīng)該建立曲軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并借助各類動(dòng)力學(xué)仿真軟件和專業(yè)模塊，以形成包括模板、子系統(tǒng)、裝配等在內(nèi)的模型結(jié)構(gòu)。模型的建立，一方面更改了模板的子系統(tǒng)，使得模型參數(shù)化，另一方面是按照一定的幾何體約束比例，設(shè)定模板的參數(shù)，然后集合多個(gè)子系統(tǒng)，為子系統(tǒng)的信息傳遞和求解提供渠道。在建立曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中所涉及的數(shù)據(jù)涵蓋了內(nèi)燃機(jī)的汽缸數(shù)、沖程數(shù)、缸心距、連桿尺寸和軸承布置等，而子系統(tǒng)的建立，要求對(duì)曲軸部件的尺寸、密度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等進(jìn)行調(diào)整。通過曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立，能夠?yàn)榍S強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供更為精確的數(shù)據(jù)，這也是內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。

2.2 分析曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的分析，通過對(duì)曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用，按照曲軸強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，分別進(jìn)行減振器參數(shù)調(diào)試、活塞加速度比較分析、活塞側(cè)擊力比較分析、曲柄銷載荷比較分析、主軸承載荷分析等，全方位調(diào)整曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)的差異性。首先是減振器的參數(shù)調(diào)試，系統(tǒng)測(cè)量布置是在曲軸上方設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)，其左右側(cè)分別為位移傳感器、信號(hào)齒輪和飛輪，其中位移傳感器由采集卡和PC機(jī)組成，在進(jìn)行減振器參數(shù)調(diào)整之后，通過扭振響應(yīng)曲線，可以看出振幅軸向基本一致，其數(shù)據(jù)誤差對(duì)曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)精度影響不大。其次是活塞加速度比較分析，通過對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角、連桿擺角、曲柄半徑、曲柄連桿比、連桿中心距等參數(shù)的確定，借助倍角余弦函數(shù)，表示活塞的位移，這樣所計(jì)算出來的內(nèi)燃機(jī)曲軸加速度，在實(shí)際曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)中就能夠避免相對(duì)誤差的影響。再次是活塞側(cè)擊力比較分析，即曲軸在爆發(fā)壓力作用下的精度誤差，鑒于所有曲柄銷載荷曲線的一致性，可利用現(xiàn)代算法取值曲柄銷徑向和切向的峰值，以此檢驗(yàn)連桿的質(zhì)量等效。最后是主軸承載荷分析，確定同一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的軸承載荷、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、扭轉(zhuǎn)情況、輸出扭矩和曲拐內(nèi)彎矩等。

2.3 曲軸應(yīng)力計(jì)算

曲軸強(qiáng)度的控制，需要準(zhǔn)確分析曲軸的應(yīng)力分布，因此需要通過曲軸應(yīng)力計(jì)算，以改善有效應(yīng)力集中系數(shù)的精度。另外，需要注意的是，曲軸破壞的其中一個(gè)主要因素，就是由于彎曲應(yīng)力失控引起的。在此筆者建議應(yīng)用有限元分析法，對(duì)曲軸應(yīng)力展開計(jì)算，并得出曲軸的疲勞安全系數(shù)。在計(jì)算之前，還需要評(píng)估曲軸高應(yīng)力位置的疲勞安全，期間假定曲柄銷圓角和主軸頸圓角為高應(yīng)力區(qū)域，然后將曲拐相互獨(dú)立的主軸頸，簡(jiǎn)化成截?cái)嗪?jiǎn)支梁模型，這樣就能夠判斷出彎曲應(yīng)力對(duì)曲軸的破壞程度。至于曲軸改進(jìn)后常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的流程，一方面是根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，判斷曲軸強(qiáng)度是否合格，進(jìn)而確定安全系數(shù)，并進(jìn)行扭振修正、屈服極限分析、表面處理、尺寸影響消除等，另一方面是利用截?cái)嗪?jiǎn)支梁模型，分析工作彎矩和計(jì)算截面模量，進(jìn)而確定曲軸應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。在設(shè)計(jì)曲軸強(qiáng)度期間，我們還需要掌握以下的重要強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)，其中包括連桿質(zhì)量、活塞組質(zhì)量、曲柄半徑、連桿長度、缸套內(nèi)徑、曲柄銷直徑、曲柄銷長度、主軸頸直徑、主軸頸長度、連桿大頭軸瓦寬度、曲軸主軸瓦寬度、凸臺(tái)厚度、曲柄臂厚度、轉(zhuǎn)速、最大爆壓、材料極限強(qiáng)度。借助這些計(jì)算參數(shù)，就可以計(jì)算出理論應(yīng)力集中系數(shù)和有效應(yīng)力集中系數(shù)，分析曲軸的疲勞強(qiáng)度。

2.4 曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)

曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)，常見的試驗(yàn)方法有成組試驗(yàn)法、配對(duì)升降法、疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法三種，其中成組試驗(yàn)法適用于曲軸過載時(shí)的疲勞強(qiáng)度，可相對(duì)合理估算出曲軸安全壽命；配對(duì)升降法是按照國家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)范，選取隨機(jī)出現(xiàn)的成對(duì)數(shù)據(jù)，但只適用于分散性較小的試件；疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法，主要通過應(yīng)力-壽命雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，找出循環(huán)斷裂點(diǎn)，根據(jù)數(shù)值選取真實(shí)的斷裂強(qiáng)度。在此筆者推薦使用疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法，這種分析方法要求控制好試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)變片的電阻值，以及柵長、柵寬、靈敏系數(shù)、精度等級(jí)等，并標(biāo)定載荷，即在“靜標(biāo)動(dòng)測(cè)”原理范圍內(nèi)，分析試件某個(gè)部位的靜態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)應(yīng)變，然后得出靜標(biāo)曲線的應(yīng)變值和確定在該應(yīng)變值下的激振轉(zhuǎn)速大小。至于系統(tǒng)誤差的分析，則要?dú)w結(jié)為人為或者系統(tǒng)的誤差，前者只需要提高試驗(yàn)人員的技術(shù)水平，并規(guī)范技術(shù)操作規(guī)范即可，后者則需要考量應(yīng)變片在系統(tǒng)中的動(dòng)載荷測(cè)量情況，調(diào)節(jié)各點(diǎn)應(yīng)變量的真實(shí)值，使得更加接近測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)。除此之外，在疲勞試驗(yàn)期間，還要求妥善處理試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，一方面是精確估計(jì)母體強(qiáng)度，另一方面是采用正態(tài)分布模型統(tǒng)計(jì)分析法，估計(jì)失效數(shù)據(jù)中的中位秩，得出曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度安全系數(shù)，為內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度水平的提高，做出合理的設(shè)計(jì)選擇。

3 結(jié)束語

內(nèi)燃機(jī)歷經(jīng)兩個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其環(huán)保性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)，成為衡量?jī)?nèi)燃機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而作為主要零配件的曲軸，其強(qiáng)度水平，直接關(guān)系到自身及其他零配件的強(qiáng)度。文章通過研究，基本明確了內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀及發(fā)展情況，其中所涉及到的曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，是基于實(shí)際曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，但鑒于內(nèi)燃機(jī)曲軸設(shè)計(jì)在技術(shù)要求方面具有差異性，因此這些方法的應(yīng)用，有必要結(jié)合實(shí)際曲軸設(shè)計(jì)的工作條件，對(duì)相應(yīng)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)充和完善，方可有效保證曲軸的強(qiáng)度水平。

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