中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南技術(shù)發(fā)展中心 (山東 250002)滕 帥 王樹汾 姚章濤 楊 寧 李 浩

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 (青島 266510)劉 杰

曲軸是內(nèi)燃機(jī)最重要的零件之一，其主要功能是傳遞與輸出動(dòng)力，承受缸內(nèi)的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力、扭轉(zhuǎn)力等的作用，對(duì)柴油機(jī)的可靠性及性能具有重要意義。曲軸斷裂事故的實(shí)際分析證明，曲軸的失效形式主要是彎曲疲勞破壞，而彎曲疲勞的裂紋集中在曲軸曲柄至連桿軸頸的過渡圓角處，因此，分析曲軸彎曲失效對(duì)曲軸使用壽命很關(guān)鍵，本文利用ANSYS 及FE-SAFE 軟件，對(duì)曲軸進(jìn)行應(yīng)力及疲勞模擬分析，進(jìn)而通過曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，為改善曲軸的疲勞性能提供了有力支持。

1.有限元應(yīng)力計(jì)算

本文采用Pro/E 對(duì)曲軸進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，取曲軸其中一個(gè)曲拐單元作為分析對(duì)象。曲軸材料參數(shù)如附表所示。

曲軸材料參數(shù)表

(1)網(wǎng)格劃分 通過ANSYS 與Pro/E 之間的接口將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖1)。在網(wǎng)格劃分過程中采用ANSYS 提供的20 節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid186。曲軸各圓角和油孔、油道位置是應(yīng)力集中的敏感局部，需要在這些局部進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，如圖2 所示，曲柄銷圓角進(jìn)行了局部的網(wǎng)格細(xì)化，有限元模型共373 839 個(gè)節(jié)點(diǎn)，258 686個(gè)單元。

(2)施加載荷 曲軸在實(shí)際運(yùn)行過程中承受的氣體壓力、活塞與連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力，受力情況復(fù)雜，為了分析曲軸彎曲扭矩對(duì)曲軸產(chǎn)生的作用力，結(jié)合曲軸名義工作彎矩的計(jì)算結(jié)果，將施加的載荷轉(zhuǎn)換另一端的主軸徑，假設(shè)施加彎曲扭矩為6kN·m。對(duì)一端的主軸頸和連桿軸頸進(jìn)行不同方向自由度約束。

圖1 曲拐有限元網(wǎng)格

圖2 曲拐?qǐng)A角網(wǎng)格局部細(xì)化

(3)應(yīng)力分析 如圖3、圖4 所示，靜力分析得到的曲軸應(yīng)變最大0.707mm，Von Mises 應(yīng)力分布最大在連桿軸頸的圓角605MPa，明顯高于其他部位。

圖3 曲拐有限元應(yīng)變分布

圖4 曲拐有限元應(yīng)力分布

2.ANSYS/FE-SAFE 疲勞壽命計(jì)算

提取ANSYS 分析結(jié)果，導(dǎo)入到FE-SAFE 軟件進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。本文采用ANSYS/FESAFE 提供的Seeger’材料數(shù)據(jù)估算法。

在進(jìn)行疲勞計(jì)算設(shè)置時(shí)，根據(jù)制造工藝得到曲軸表面的粗糙度值為:0.6μm ＜Ra＜l.6μm。在FESAFE 數(shù)據(jù)文件窗口中導(dǎo)入載荷時(shí)間歷程曲線，選取應(yīng)力-壽命曲線進(jìn)行單軸分析的von Miss:-Goodman算法，應(yīng)用Miner 線性累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，輸入強(qiáng)度極限和彈性模量后得到40CrMo 的疲勞性能曲線，即S-N 曲線(見圖5)。

圖5 材料42CrMo 的S-N 曲線

圖6 所示為通過ANSYS 后處理得到的曲軸的疲勞壽命云圖。曲軸彎曲時(shí)最容易發(fā)生疲勞破壞的位置出現(xiàn)連桿軸頸的圓角部位，最短的疲勞壽命為:N=104.937=86 497 次。

圖6 曲軸彎曲的壽命分布

3.曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)

在曲軸疲勞強(qiáng)度的研究中，分析計(jì)算和試驗(yàn)是人們使用的兩種主要方法，疲勞試驗(yàn)是評(píng)價(jià)曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效手段。本文在曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)(見圖7)上對(duì)曲軸進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)采用電磁共振方式進(jìn)行激振，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)頻率可達(dá)35～300Hz，可靠性好，精確度高、抗干擾能力強(qiáng)。

曲軸試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要針對(duì)不同的目的、或在研究進(jìn)行的不同階段使用不同的方法，彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)主要考核的位置是在曲軸上主要承受彎曲負(fù)荷作用而扭轉(zhuǎn)作用起次要作用的危險(xiǎn)截面。

由于彎曲疲勞試驗(yàn)要在脈沖試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，本文采用單拐進(jìn)行試驗(yàn)，因此必須把曲軸切割成一個(gè)曲拐單元，包括一個(gè)連桿軸頸和兩個(gè)主軸頸。

如圖8 所示，曲軸樣件經(jīng)過149 000 次的循環(huán)試驗(yàn)，曲軸彎曲試驗(yàn)樣件出現(xiàn)了裂紋，位置在連桿軸頸的圓角部位，和FE-SAFE 計(jì)算的斷裂部位一致。實(shí)際加工的曲軸的主軸頸、連桿軸頸等位置都經(jīng)過了感應(yīng)淬火處理，抗拉強(qiáng)度、疲勞極限等值還會(huì)變大，所以曲軸的實(shí)際使用壽命會(huì)大于計(jì)算壽命。

圖7 曲軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)架

圖8 曲軸疲勞斷裂失效位置

4.結(jié)語

通過曲軸彎曲試驗(yàn)臺(tái)對(duì)曲軸試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分析曲軸彎曲疲勞失效的壽命和失效位置;通過三維軟件Pro/E、ANSYS、FE-SAFE 的聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)曲軸應(yīng)力和疲勞進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論:

(1)通過ANSYS 和Pro/E 之間的接口，將Pro/E實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS 進(jìn)行變形和應(yīng)力分析，為改進(jìn)、優(yōu)化和設(shè)計(jì)曲軸提供可靠的依據(jù)。

(2)建立的有限元疲勞計(jì)算模型是正確的，通過FE-SAFE 疲勞軟件計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果一致確定了曲軸的彎曲疲勞破壞部位。

(3)通過數(shù)值模擬計(jì)算與臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的相結(jié)合，特別是在曲軸的設(shè)計(jì)階段，可以避免了試驗(yàn)研究需要花費(fèi)的大量時(shí)間和物資消耗，提高了曲軸設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，為強(qiáng)化曲軸疲勞壽命提供了可靠的依據(jù)。