汽车发动机曲轴疲劳试验方法

汽车发动机曲轴疲劳试验方法
 

曲轴是汽车发动机的重要部件，无论是在产品开发阶段还是在生产检验阶段，都要求对曲轴的疲劳性能进行检验。在发动机实际运行过程中，曲轴所承受的载荷主要是弯曲／扭转复合载荷，弯曲疲劳破坏是曲轴失效的zui常见形式，而在发动机输出功率较大、曲轴承受扭矩较大的情况下，扭转疲劳破坏则成为主要失效形式。
在多年探索曲轴疲劳试验的基础上，国内外形成了弯曲和扭转疲劳试验的多种方法，采用了不同的评价指标，对曲轴的可靠性进行了充分研究和探索。尤其是在国外，许多试验方法简便、快捷且有效，具有借鉴和推广价值。在国内曲轴扭转疲劳试验方法尚属空白的情况下，我公司进行了深人研究，目前已形成曲轴扭转疲劳试验能力，并摸索出了几种试验方法，可以实际应用于产品开发和生产检验。
1、曲轴弯曲／扭转疲劳试验考察目标
鉴于曲轴失效的主要形式通常为单纯的弯曲疲劳破坏或扭转疲劳破坏，同时考虑设备的能力及考察的准确程度，在对曲轴进行疲劳试验时，通常是进行独立的弯曲疲劳试验或（和）扭转疲劳试验。但是，无论进行哪种试验，采用哪种标准（规范、方法等），一般情况下，考察的性能指标主要有以下几种。
a.在50%存活率下的弯曲／扭转疲劳极限及安全系数。
b.测定弯曲／扭转S-N曲线。
c.在某一弯矩／扭矩下的疲劳性能。
d.测定圆角应力。
e.常规性能检验，包括化学成分、金相组织、表面处理、强韧性以及疲劳试验前后的探伤检验等。
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2、曲车由弯曲疲劳试验方法
2.1试验设备
目前从设备原理上分，国内外应用的曲轴弯曲疲劳试验设备主要有电磁激振式、机械式两大类，而电磁激振式曲轴疲劳试验机的应用。与机械式曲轴疲劳试验机相比，电磁激振式曲轴疲劳试验机的电耗功率小、设备能力高、指示精度高、判断试验件的破坏程度较为灵敏。
电磁激振式曲轴疲劳试验机主要由电控系统、机械谐振系统两大部分构成。电控系统主要由功率放大器、函数发生器、计数器、动静态电阻应变仪等构成。机械谐振系统主要由激振器、龙门架、振动摆体等构成。函数发生器发出频率和幅度的正弦波，驱动功率放大器使激振器产生振动波形，机械谐振系统随之产生振动，调整函数发生器发出的频率至系统的共振频率，即进人正常的工作状态。根据共振频率下降的情况来判断曲轴的破坏情况。使用该种设备进行试验时，试验样品必须是独立的曲拐单元，试验时通过夹具夹在两主轴颈上。以我公司现有的RUMUL-曲轴疲劳试验机为例，设备能力zui高可达10000N•m（试验弯矩），频率指示精度可达0.01Hz可在0~2.56x108范围内计数，其外观见图1。

机械式曲轴疲劳试验机主要由激振臂、谐振臂、激振器、交流电机、变频调速器、速度传感器、工控计算机等构成。试验曲轴夹持在激振臂和谐振臂之间构成音叉，当电机旋转驱动偏心振子产生离心力时曲轴被激振。选择适当的偏心距，控制电机转速以达到曲轴试验弯矩的负荷要求，保持恒定转速持续试验。在裂纹出现后，因刚度减小致使激振臂、谐振臂摆幅增大，系统即报警停车。该设备的优势在于，试验样品可以不是独立的曲拐单元，减少了试验前的准备工作量。机械式曲轴试验台见图2。

2.2通常采用的试验方法
根据不同的试验目的，对试验样品（曲拐）的数量要求有所不同。对应于第1节中不同的考察目标，样品数量分别为：a.大于8件，升降法试验，相邻试验弯矩增量在5%~10%，有效对子数目大于3个；b．大于15件，试验弯矩水平不得小于4级，其中必须有一级弯矩水平在疲劳极限10%以内，其余遵照S－N曲线法进行试验；c.2-4件；d:l件。
在进行疲劳试验时，对试验曲拐施加一定频率的正弦波，载荷的标定和控制都是通过在连杆轴颈上贴应变片（见图3），再通过测量该应变片的应变来实现的。为了保证试验准确，对每件试验的曲拐一一标定。试验循环基数可根据不同的需要取1x107次或5x106次。

曲轴弯曲疲劳试验的危险部位一般为连杆轴颈过渡圆角和主轴颈过渡圆角，见图3中箭头所示，尤以连杆轴颈过渡圆角破坏更多。所以，一般情况下都是通过在连杆轴颈过渡圆角处贴应变片的方法来测定应力大小。
当需要用安全系数来评价曲轴时，通常要用到工作弯矩的概念。曲轴名义工作弯矩为：

式中，M-1为名义工作弯矩;D为气缸直径;Ll为连杆轴颈中心至、主轴颈中心距；G为柄臂中心至主轴颈中心距；尸为爆发压力；K为支承系数（全支承K=0.75、非全支承K=0.85、滚动轴承K=0.90）；L为相邻两主轴颈中心距。
2.3相关标准介绍
第2.2节介绍的是在通常情况下采用的试验方法，有时根据需要也采纳或借鉴国内外相关的一些试验方法。这些试验方法要求设备的工作原理一般采用共振原理方式，试验样品为独立的曲拐，其概述如卞。

a.试验采用夹具上某一点的加速度值作为载荷控制参数，一般采用加速度传感器，也可选用位移或应变传感器。
b.试验循环基数取1x107次。
c.用成组法评估曲轴在过载时的疲劳强度，每组试样不少于8个，3组载荷水平的选择应使曲拐断裂的循环次数分别在下列范围内。

d.用升降法测定曲轴的疲劳极限，试样数量不得小于18个，弯矩增量一般在疲劳极限的5％以内，保证6对有效数据。
e.用成组法和升降法两部分组成测定S-N曲线。
f.产品质量抽检时，可以用成组法在一个较高的载荷下测定其对数平均疲劳寿命，试样不得少于8个，所选试验载荷应使试样寿命在5x105-5x106护范围内，与事先用合格产品测得的对数平均寿命进行比较评价。
2.3.2日本某标准
a.该标准是某企业对特定型号的经过圆角滚压处理的曲轴进行质量检验。
b.对连杆轴颈过渡圆角及主轴颈过渡圆角进行残余应力测量，要求大于880MPa。
c.对试验曲拐施加某一定载荷（不同产品载荷不同），进行弯曲疲劳试验，运行1x107次循环，技术要求是不得出现裂纹，并需经过探伤及截面裂纹检验。
2.3.3FEV某标准
a.用16~20个曲拐测定S-N曲线，必须有2个曲拐通过1x107次循环，有2个曲拐通过5x106次循环，有8个以上曲拐在更高的3-5级载荷发生破坏。
b.用12个曲拐进行疲劳极限测定，并计算安全系数。
C.在连杆轴颈上贴应变片来标定和控制试验载荷。
d.在连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处贴应变片来测定应力。2.3.4AVL某标准a.曲轴弯曲疲劳试验和曲轴扭转疲劳试验分别独立进行，一般不建议进行弯曲和扭转负荷的合力疲劳试验。b.试验载荷通过应变来标定和控制。
c.建议试验使用S-N曲线作为试验程序。另外，在AVL通用的疲劳试验程序里还有阶梯法和负荷增加法。
d.在第1阶段开发的初始试验期间，样品数量大于8个；在产品确认阶段，样品数量大于12个。
e.S--N曲线法允许用试验通过的样品在高负荷区进行试验。
f.可以用疲劳极限（50％存活率）和安全系数来评价曲轴质量。
3、曲轴扭转疲劳试验方法
国内对曲轴进行疲劳寿命考察时，多年来只进行弯曲疲劳试验，几乎没有扭转疲劳试验的技术手段和积累。但是，国外的大型汽车企业却都有这方面的能力，已形成了各自的试验方法，并成功地应用于产品开发和生产检验。 使用RUMUL曲轴疲劳试验机、惯性振动式扭转疲劳试验机的研究开发，并初步经过了试验论证。
3.1试验设备
从设备原理上分，曲轴扭转疲劳试验通常采用的是电磁激振式、液压伺服式、惯性振动式等几种。其中，电磁激振式试验机与弯曲疲劳试验所用的设备原理、配置都相同，只是夹具有所不同。道依茨(DEUTZ)公司就是采用该种试验设备进行曲轴扭转疲劳试验。图4为我公司在RUMUL曲轴疲劳试验机上开发的扭转疲劳试验示意图，试验样品为独立的曲拐.

RUMUL曲轴疲劳试验机扭转能力可达6x104N•m,试验频率为系统共振频率，一般在40~80Hz。我们将,JM1曲拐在该设备上进行了扭转试验，在2.2x104N•m扭矩下发生破坏，裂纹出现在连杆轴颈油孔处，见图5。

在液压伺服式试验系统上开发的扭转疲劳试验，其扭转能力一般比较高，但是频率比较低，试验周期长。日本MAE公司就是应用该种设备进行曲轴扭转疲劳试验，其试验样品为整根曲轴，试验时考察多个危险点的疲劳寿命。 但是试验频率较低，一般在5Hz以内。

惯性振动式扭转疲劳试验开发初步完成，但是尚需进一步试验验证。根据目前的设备配置及试验夹具情况，该设备能力为5000N•m，试验频率可在0-70Hz范围内，通过重新设计夹具及调整配重等措施，预计该设备能力可进一步提高。惯性振动式曲轴扭转疲劳试验装夹设备见图7。

3.2通常采用的试验方法
基于疲劳试验的共同性及曲轴扭转疲劳试验考察的目标，扭转疲劳试验所需的试验样品数量及试验方法与弯曲疲劳试验的要求基本相同，见2.2节所述。
试验采用在连杆轴颈油孔周围、连杆轴颈过渡圆角（靠近油孔）处贴应变片，应变片的轴线方向与连杆轴颈的轴线方向成45°角，通过应变仪测定该点的应变值作为载荷控制参数。试验标定采用以静标动，我公司的静态标定是在3xl04N•m静态扭转试验机上完成的。试验循环基数可根据不同的需要取1x107次或5x106次。
3.3相关标准介绍
3.3.1FEV某标准
a.用2.3.1节中的a和2.3.3节中的b方法测定扭转S-N曲线。
b.在连杆轴颈上贴应变片来标定和控制试验载荷，但是扭转强度zui危险的部位是油孔周围。
c.在连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处贴应变片来测定应力，然后采用FEV方法来计算和评价应力(FEV具体计算和评价方法未知)。
3.3.2AVL某标准
扭转疲劳试验方法同弯曲疲劳试验方法。
4、结束语
在常规的曲轴弯曲/扭转疲劳试验方法的基础上，吸收和借鉴国外各企业的先进方法。针对产品开发的不同阶段，采用不同的试验方法，可以节约试验样品、缩短试验周期、有效评价曲轴的疲劳性能。
继续开发曲轴的实际工作弯矩／扭矩的测量工作，完善曲轴的试验弯曲／扭转应力测量工作，建立更加直观有效的评价指标是下一步的工作重点。