汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞試驗(yàn)方法
 

曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)階段，都要求對(duì)曲軸的疲勞性能進(jìn)行檢驗(yàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)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(dòng)機(jī)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(yàn)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外形成了彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的多種方法，采用了不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)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(yàn)方法簡(jiǎn)便、快捷且有效，具有借鑒和推廣價(jià)值。在國內(nèi)曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)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(yàn)?zāi)芰?，并摸索出了幾種試驗(yàn)方法，可以實(shí)際應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)檢驗(yàn)。
1、曲軸彎曲／扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)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(shí)考慮設(shè)備的能力及考察的準(zhǔn)確程度，在對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，通常是進(jìn)行獨(dú)立的彎曲疲勞試驗(yàn)或（和）扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。但是，無論進(jìn)行哪種試驗(yàn)，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(cè)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(cè)定圓角應(yīng)力。
e.常規(guī)性能檢驗(yàn)，包括化學(xué)成分、金相組織、表面處理、強(qiáng)韌性以及疲勞試驗(yàn)前后的探傷檢驗(yàn)等。
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2、曲車由彎曲疲勞試驗(yàn)方法
2.1試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備主要有電磁激振式、機(jī)械式兩大類，而電磁激振式曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用。與機(jī)械式曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)相比，電磁激振式曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)的電耗功率小、設(shè)備能力高、指示精度高、判斷試驗(yàn)件的破壞程度較為靈敏。
電磁激振式曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)主要由電控系統(tǒng)、機(jī)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(jì)數(shù)器、動(dòng)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等構(gòu)成。機(jī)械諧振系統(tǒng)主要由激振器、龍門架、振動(dòng)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(dòng)功率放大器使激振器產(chǎn)生振動(dòng)波形，機(jī)械諧振系統(tǒng)隨之產(chǎn)生振動(dòng)，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(yàn)時(shí)，試驗(yàn)樣品必須是獨(dú)立的曲拐單元，試驗(yàn)時(shí)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(yàn)機(jī)為例，設(shè)備能力zui高可達(dá)10000N•m（試驗(yàn)彎矩），頻率指示精度可達(dá)0.01Hz可在0~2.56x108范圍內(nèi)計(jì)數(shù)，其外觀見圖1。

機(jī)械式曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)主要由激振臂、諧振臂、激振器、交流電機(jī)、變頻調(diào)速器、速度傳感器、工控計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。試驗(yàn)曲軸夾持在激振臂和諧振臂之間構(gòu)成音叉，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)偏心振子產(chǎn)生離心力時(shí)曲軸被激振。選擇適當(dāng)?shù)钠木啵刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到曲軸試驗(yàn)彎矩的負(fù)荷要求，保持恒定轉(zhuǎn)速持續(xù)試驗(yàn)。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(bào)警停車。該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于，試驗(yàn)樣品可以不是獨(dú)立的曲拐單元，減少了試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作量。機(jī)械式曲軸試驗(yàn)臺(tái)見圖2。

2.2通常采用的試驗(yàn)方法
根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康模瑢?duì)試驗(yàn)樣品（曲拐）的數(shù)量要求有所不同。對(duì)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(yàn)，相鄰試驗(yàn)彎矩增量在5%~10%，有效對(duì)子數(shù)目大于3個(gè)；b．大于15件，試驗(yàn)彎矩水平不得小于4級(jí)，其中必須有一級(jí)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(yàn)；c.2-4件；d:l件。
在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)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(cè)量該應(yīng)變片的應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)的。為了保證試驗(yàn)準(zhǔn)確，對(duì)每件試驗(yàn)的曲拐一一標(biāo)定。試驗(yàn)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(yàn)的危險(xiǎn)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(cè)定應(yīng)力大小。
當(dāng)需要用安全系數(shù)來評(píng)價(jià)曲軸時(shí)，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(dòng)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(yàn)方法，有時(shí)根據(jù)需要也采納或借鑒國內(nèi)外相關(guān)的一些試驗(yàn)方法。這些試驗(yàn)方法要求設(shè)備的工作原理一般采用共振原理方式，試驗(yàn)樣品為獨(dú)立的曲拐，其概述如卞。

a.試驗(yàn)采用夾具上某一點(diǎn)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(yàn)循環(huán)基數(shù)取1x107次。
c.用成組法評(píng)估曲軸在過載時(shí)的疲勞強(qiáng)度，每組試樣不少于8個(gè)，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(cè)定曲軸的疲勞極限，試樣數(shù)量不得小于18個(gè)，彎矩增量一般在疲勞極限的5％以內(nèi)，保證6對(duì)有效數(shù)據(jù)。
e.用成組法和升降法兩部分組成測(cè)定S-N曲線。
f.產(chǎn)品質(zhì)量抽檢時(shí)，可以用成組法在一個(gè)較高的載荷下測(cè)定其對(duì)數(shù)平均疲勞壽命，試樣不得少于8個(gè)，所選試驗(yàn)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(cè)得的對(duì)數(shù)平均壽命進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。
2.3.2日本某標(biāo)準(zhǔn)
a.該標(biāo)準(zhǔn)是某企業(yè)對(duì)特定型號(hào)的經(jīng)過圓角滾壓處理的曲軸進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。
b.對(duì)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(cè)量，要求大于880MPa。
c.對(duì)試驗(yàn)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(yàn)，運(yùn)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(yàn)。
2.3.3FEV某標(biāo)準(zhǔn)
a.用16~20個(gè)曲拐測(cè)定S-N曲線，必須有2個(gè)曲拐通過1x107次循環(huán)，有2個(gè)曲拐通過5x106次循環(huán)，有8個(gè)以上曲拐在更高的3-5級(jí)載荷發(fā)生破壞。
b.用12個(gè)曲拐進(jìn)行疲勞極限測(cè)定，并計(jì)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(yàn)載荷。
d.在連桿軸頸和主軸頸過渡圓角處貼應(yīng)變片來測(cè)定應(yīng)力。2.3.4AVL某標(biāo)準(zhǔn)a.曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)和曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)分別獨(dú)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(yàn)。b.試驗(yàn)載荷通過應(yīng)變來標(biāo)定和控制。
c.建議試驗(yàn)使用S-N曲線作為試驗(yàn)程序。另外，在AVL通用的疲勞試驗(yàn)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(yàn)期間，樣品數(shù)量大于8個(gè)；在產(chǎn)品確認(rèn)階段，樣品數(shù)量大于12個(gè)。
e.S--N曲線法允許用試驗(yàn)通過的樣品在高負(fù)荷區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。
f.可以用疲勞極限（50％存活率）和安全系數(shù)來評(píng)價(jià)曲軸質(zhì)量。
3、曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)方法
國內(nèi)對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞壽命考察時(shí)，多年來只進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，幾乎沒有扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)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(yàn)方法，并成功地應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)檢驗(yàn)。 使用RUMUL曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)、慣性振動(dòng)式扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)的研究開發(fā)，并初步經(jīng)過了試驗(yàn)論證。
3.1試驗(yàn)設(shè)備
從設(shè)備原理上分，曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)通常采用的是電磁激振式、液壓伺服式、慣性振動(dòng)式等幾種。其中，電磁激振式試驗(yàn)機(jī)與彎曲疲勞試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備進(jìn)行曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。圖4為我公司在RUMUL曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)上開發(fā)的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)示意圖，試驗(yàn)樣品為獨(dú)立的曲拐.

RUMUL曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)能力可達(dá)6x104N•m,試驗(yàn)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(yàn)，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(yàn)系統(tǒng)上開發(fā)的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，其扭轉(zhuǎn)能力一般比較高，但是頻率比較低，試驗(yàn)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(yàn)，其試驗(yàn)樣品為整根曲軸，試驗(yàn)時(shí)考察多個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞壽命。 但是試驗(yàn)頻率較低，一般在5Hz以內(nèi)。

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

3.2通常采用的試驗(yàn)方法
基于疲勞試驗(yàn)的共同性及曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)考察的目標(biāo)，扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)所需的試驗(yàn)樣品數(shù)量及試驗(yàn)方法與彎曲疲勞試驗(yàn)的要求基本相同，見2.2節(jié)所述。
試驗(yàn)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(cè)定該點(diǎn)的應(yīng)變值作為載荷控制參數(shù)。試驗(yàn)標(biāo)定采用以靜標(biāo)動(dòng)，我公司的靜態(tài)標(biāo)定是在3xl04N•m靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上完成的。試驗(yàn)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(cè)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(yàn)載荷，但是扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度zui危險(xiǎn)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(cè)定應(yīng)力，然后采用FEV方法來計(jì)算和評(píng)價(jià)應(yīng)力(FEV具體計(jì)算和評(píng)價(jià)方法未知)。
3.3.2AVL某標(biāo)準(zhǔn)
扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)方法同彎曲疲勞試驗(yàn)方法。
4、結(jié)束語
在常規(guī)的曲軸彎曲/扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)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(duì)產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，采用不同的試驗(yàn)方法，可以節(jié)約試驗(yàn)樣品、縮短試驗(yàn)周期、有效評(píng)價(jià)曲軸的疲勞性能。
繼續(xù)開發(fā)曲軸的實(shí)際工作彎矩／扭矩的測(cè)量工作，完善曲軸的試驗(yàn)彎曲／扭轉(zhuǎn)應(yīng)力測(cè)量工作，建立更加直觀有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)是下一步的工作重點(diǎn)。