基于現代試驗技術的小排量發動機曲軸疲勞強度的試驗研究

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司，上海 201807）

基于現代試驗技術的小排量發動機曲軸疲勞強度的試驗研究

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司，上海 201807）

針對小排量發動機曲軸發生扭轉疲勞破壞性增大的現象，引入帶有高性能軟件的曲軸疲勞試驗機，在對獲取的測試信息及時處理后，用失效概率這一評估指標替代傳統安全系數以做出評估。為適應輕量化趨勢，小型曲軸在材料、結構和工藝三要素上有所改進，通過試驗研究對其進行驗證。結果表明，有效提升了曲軸疲勞強度試驗的可靠性。

1 試驗對象和試驗準備

1.1 試驗對象

曲軸作為發動機的主要運動部件，對整機的性能和可靠性有很大影響，因此需要對曲軸的疲勞性能進行試驗和驗證。長期以來，業界在“曲軸最主要的失效形式為彎曲疲勞破壞”這一點上已形成共識，故而即使對批量最大的乘用車發動機曲軸，也只進行彎曲疲勞試驗這一項。然而隨著發動機輸出功率的變大，尤其是小排量高性能發動機曲軸承受的扭矩也在不斷增大，此時的扭轉疲勞破壞已逐漸成為曲軸主要的失效形式。同時，2016年國家頒布JB/T 12662—2016《內燃機曲軸扭轉疲勞試驗方法》。

以EA111和EA211系列小排量發動機作為試驗對象進行曲軸疲勞強度的試驗研究。圖1為兩種系列發動機曲軸結構對比，其中EA211的曲軸經結構優化后質量降低30%。表1為兩個系列8種發動機曲軸概況，表2為主要機型曲軸傳遞動力概況。

可見，經過工藝改進和零部件結構優化后的EA211系列發動機的動力性獲得了很大提升。新系列的曲軸看似纖細、剛性差，然而所傳遞的功率和扭矩較EA111高。雖然在采用圓角感應淬火的強化工藝后，工件最薄弱且危險的圓角部位強度會提高，但仍有必要對曲軸彎曲、扭轉疲勞強度的性能試驗予以驗證。

表1 EA111和EA211曲軸的基本情況

表2 EA111和EA211主要機型曲軸傳遞動力概況

1.2 基于現代試驗技術的試驗準備

試驗機是SincoTec公司的曲軸疲勞試驗機（見圖2），屬于電磁激振式原理的試驗機，其控制單元以工控計算機為核心，并配備疲勞統計分析與評估軟件，功能豐富。所配置的應用軟件Labmotion是專用的疲勞統計分析及評估軟件，其可以方便地對疲勞測試后獲得的數據，在經過不同的中間處理后，再按用戶的需要進行各種評估并出具相應的試驗報告。

圖2 SincoTec試驗機

在曲軸疲勞試驗的試樣準備階段需要注意：必須在同一批經穩定的工藝過程生產出來，并經質量檢驗后確認為合格的零件中進行隨機抽樣；無論進行曲軸彎曲或扭轉疲勞試驗，所需的樣本數均為8件。圖3為從一根曲軸上切割1、3擋曲拐將其作為彎曲疲勞試驗試樣的情況，另一根工件切割2、4擋，如此進行兩次，共需4根曲軸，完成全套試驗共需8根曲軸。而進行扭轉疲勞試驗時，則需要采用一根完整的工件，故此時需要8根合格的曲軸。

2 傳統曲軸疲勞試驗方法的實施要點

2.1 傳統方法的局限性

國內汽車廠在進行曲軸疲勞試驗時，一般采用傳統的“配對升降法”。以出現相反試驗結果的一對數（Si和Si+1）構成隨機抽樣的單一個體Sti，取（1）式中Si和Si+1分別在出現相反結果的相鄰兩級試驗載荷。

圖3 彎曲疲勞試驗1、3擋曲拐切割示意

在50%存活率下的曲軸疲勞極限為：

設置循環基數N0=107。利用升降法進行疲勞試驗時，需要大部分載荷都在疲勞極限水平附近，而當試樣本身的強度分散性較小時，一般至少需要12～15個試樣才能完成一組試驗，所獲得的工件疲勞極限的統計特性較精確。但是當其分散性較大時，即使增加試樣數量，試驗結果的準確性也會嚴重下降，其對樣本分散性的容忍度較差。此外，該方法是以相反試驗結果配成對子，所獲得的Sti帶有一定的猜測。

2.2 按測試結果求得的兩項評估指標[1]

國內多數企業在實施曲軸疲勞試驗時，均遵循QC/T 637—2000和JB/T 12662—2016兩個標準，在考察測試結果時，一般都選以彎曲/扭轉疲勞極限和安全系數兩項性能指標為主。

對EA111和EA211兩個系列中1.6 L的發動機曲軸按國標升降法進行疲勞試驗，在對所獲得的測試結果進行計算后，可得到50%存活率下EA111曲軸彎曲、扭轉疲勞極限為933.3 N·m、1900 N·m；而EA211彎曲、扭轉疲勞極限為783.3 N·m、1800 N·m。此外，按規范的方法計算還可得到對應的4個安全系數。然而，因為樣本數太小，故求得的數據沒有意義。

3 提升曲軸疲勞強度試驗水平的方法和措施

3.1 疲勞極限統計分析法的理論基礎

根據疲勞極限統計分析法的原理[2]，在試驗過程中不需要將試驗載荷嚴格控制于接近疲勞極限的狹小范圍，相對于配對升降法具有更好的靈活性。同時疲勞極限統計分析法在試驗中可以取較高的試驗強化系數，實現快速試驗以縮短試驗周期。統計分析法對母體分散性的敏感性不強，一般8～10個試件就可以準確測定疲勞強度的統計特性。

3.2 基于DIN 50100標準的沃勒曲線方法的實施

近年來，在對疲勞極限統計分析法拓展的基礎上，歐洲一些國家提出了沃勒曲線，并在標準DIN 50100中予以詳細的說明[3]。圖4中的陰影部分是由上下兩條沃勒曲線形成的包絡線，里面僅有8個點，即通過對8個試樣測試而獲得的數值就已足夠求得包括具有50%存活率條件下的疲勞極限等重要指標。若采取通用的升降試驗法，至少需要17個試樣的測試值才能求得相應的指標值，如圖5所示。

圖4 Woehler曲線圖

圖5 升降試驗法試樣測值示意

按DIN 50100標準要求，兩款發動機曲軸在SincoTec疲勞試驗機上進行彎曲和扭轉疲勞強度試驗，并將8個試樣測試而獲得的數值存入試驗機的電腦。之后由專用軟件完成計算、數據處理，直至生成完整報告。在該過程中，在電腦顯示屏上還能依據試樣的實測值形成實時的S-N曲線等圖形，其并非屬于最終的報告，而是一個中間階段，但從中可以獲知測試結果的凈值、一批試樣的離散性等。

一份完整的測試報告包含4部分[3]：文字敘述部分；用表格以5項指標的形式表達數據處理后的測試結果；一組反映試樣上出現裂紋的照片；沃勒曲線圖。

3.3 評估指標的重要性

在對一組試驗完畢的曲軸進行評價時，主要的指標為具有50%存活率的疲勞極限和安全系數。雖然在標準QC/T 637—2000中已取消了安全系數≥1.3的規定，但仍有很多企業擬定了安全系數的指標，再與實測值對比。因此，需要制訂一個合理的評估指標。表3是EA211系列1.6 L發動機曲軸疲勞試驗結果的評定表。疲勞極限與按升降試驗法的算法完全不同，其是建立在沃勒圖的基礎上，據此揭示并進而獲取與曲軸疲勞強度相關信息[3]。同時也驗證了遵照常規做法求得的疲勞極限將會有較大誤差（當樣本數為8時，誤差約20%）的結論。

表3 EA111系列1.6 L發動機曲軸疲勞試驗評定結果

在對經過疲勞試驗并已取得完整測試數據的曲軸進行評價時，并沒有沿用以疲勞極限和安全系數為主的做法，而是應用“失效概率”小于10-6即可。另外，還需要滿足允許承受的最大彎曲和扭轉值必須大于對應實際值的要求。

4 小排量高性能發動機曲軸品質的驗證

行業內普遍認為通過受力分析確認曲軸的扭轉強度遠大于彎曲強度，而其平面彎曲強度是最低的，4缸及以下的發動機在執行曲軸疲勞試驗時[4]，應以彎曲負荷為主。對于6缸及以上發動機才會在規劃時將扭轉疲勞試驗列為新產品認證中的一個項目。

而由于所研究的發動機屬于功率、扭矩都高的小排量高性能發動機，疲勞試驗的結果表明，只將彎曲疲勞試驗作為工件的唯一評估要求是不可行的。從表3和表4可見，雖然曲軸的扭轉強度遠大于彎曲強度，但實際上引起疲勞破壞的主因已經變成為扭轉載荷。在實驗室共做了近百組（每組2×8個試樣）覆蓋所有系列機型的彎曲、扭轉疲勞試驗，累計所有不合格的組數僅有5%～6%，這也表明無論是成熟的EA111還是輕量化的EA211在結構設計、選材、工藝上均很成功。分析疲勞強度的測試結果，其特點為：所有經試驗被判為不合格的曲軸均為EA211中的自然吸氣機型（MPI），這主要是由其材質為球墨鑄鐵決定的。特別是所有不合格曲軸都是因扭轉引起的疲勞破壞，且大多發生在位于連桿軸頸上的去重孔，這是為提升曲軸輕量化在結構上采取的一項措施。因鍛鋼材質的機械、力學性能又遠高于鑄鐵，故TSI型均無恙。

5 曲軸疲勞強度的評估指標

傳統的設計方法是以安全系數為可靠性的度量指標，即n=S/s，其驗算的基本原則是確保構件的強度不小于工作載荷。S和s都是以應力表示的零件強度和施加載荷的均值，因而又稱n為中心安全系數[2]。

表4 EA211 1.6 L MPI發動機曲軸疲勞試驗評定結果

一般情況下，安全系數采用定值的方法通過經驗選取，這樣做雖然保證了產品運行時的可靠性，但因安全裕量沒有相應的度量指標，其取值過于保守時，就會以犧牲經濟性為代價。而且，單一的安全系數也難以對改進零件的設計、工藝和材料提供足夠的指導依據[5]。

實施該方法的前提是影響因素必須是單值、確定性的，而這與實際狀況嚴重不符。鑒于構件的強度和工作載荷都可被視為隨機變量，而安全系數法公式的不足之處是只考慮了隨機變量的平均值，沒有考慮到隨機變量的變異性，即還需要考慮強度和應力的分布及標準差將會帶來的影響。為此，推出了如圖6所示的應力-強度干涉模型的方法。在圖6a中，當兩個正態分布的間距大于其標準差之和的一半時，兩者互不干涉，零件處于安全狀態。反之，當兩者的間距變小，出現圖6b所示的干涉情況時，該方法考慮了構件強度和工作載荷的分散性，設兩者均服從正態分布，零件在工作中所受到的應力大于所用材料的強度，其干涉或重疊的部份表明該工件在使用過程中具有不可靠的特性，即存在失效概率。

圖6 應力-強度干涉模型

從統計學的角度通過應力-強度干涉模型，考慮零件強度及工作載荷的分散度[2]，假設強度和載荷的變異系數δR和δn均服從正態分布，可靠性指標為：

可靠性為：

式中，Φ為標準正態分布函數。

由式（3）可知，n相同而變異系數不同時，得到不同的可靠性指標，這反映了n=S/s的不合理性。

基于上述以隨機分布為基礎的可靠性方法克服了定值安全系數法的缺點，各參數的估計值通過客觀數據的調查或抽樣試驗后考慮有關參數的變異性特征并通過統計分析方法來確定。這減少了安全系數確定的主觀性，使安全裕量的確定建立在客觀數據分析和工程經驗的基礎上，并且對構件的可靠性給出近似的概率度量。

而安全系數的基本驗算原則是其必須使零件的強度S不小于實際應力s。采用定值法憑經驗選取雖能保證工作的安全可靠，但沒有相應的度量指標，在取值保守時將以犧牲經濟性為代價，且單一的安全系數也難以對改進零件的設計、工藝和材料提供足夠的指導依據。

6 結束語

曲軸的疲勞試驗不但是進行強度考核和估算工作壽命的一個基本手段，而且與被檢曲軸的結構、材料、加工工藝等密切相關。通過對關于曲軸彎曲/扭轉疲勞試驗國家標準的分析，指出其所存在的局限性。著重介紹了如何引入帶有高性能軟件的曲軸疲勞試驗機，并在疲勞極限統計分析法的基礎上對獲得的測試信息進行處理，提出以失效概率為評估指標的方法。通過對具有輕量化特征的曲軸測試，以驗證其結構、材料、加工工藝的可行性。

1 段春霞,張果,張怡軍,等.4RC曲軸彎曲疲勞試驗簡介及其數據分析.拖拉機與農用運輸車,2015（15）：36～38.

2 周迅,俞小莉.曲軸疲勞試驗及其數據統計分析方法的研究.內燃機工程,2007（4）：51～55.

3 DIN 50100（DEUTSCHE NORMEN）Testing of Meterials Continuous Vibration Test.

4 蔣海勇.發動機曲軸材料“以鐵代鋼”問題研究.內燃機與配件,2015（9）：26～32.

5 曾軍財,楊江濤.論可靠度與安全系數的關系.機電工程技術,2013（7）：219～221.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年8月1日。

Experimental Study on Fatigue Strength of Crankshaft for Small Displacement Engine Based on Modern Test Technology

Zhu Zhengde
（Shanghai Volkswagen Powertrain Corporation Limited，Shanghai 201807）

To minimize the torsional fatigue damage caused by the small displacement engine crankshaft,a crankshaft fatigue testing machine with high performance software was introduced,which used the evaluation index of the failure probability instead of the traditional safety factor after the timely processing of the test information.In order to adapt to the trend of lightweight,small crankshaft has been improved in material,structure and technology,and was verified with experimental research.The results show that reliability of the crank fatigue strength test has been improved effectively.

Small displacement engine,Crankshaft,Torsional fatiguestrength,Test

小排量發動機 曲軸 扭轉疲勞強度 試驗

U464.133 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）09-0040-04