曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)激振推桿的研究與改進(jìn)

2016-04-11 00:57:14尹東升嚴(yán)麗麗方立輝辛海霞劉華軍

汽車實(shí)用技術(shù) 2016年2期

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹東升，嚴(yán)麗麗，方立輝，辛海霞，劉華軍

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱 150060）

曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)激振推桿的研究與改進(jìn)

尹東升，嚴(yán)麗麗，方立輝，辛海霞，劉華軍

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱 150060）

摘要：公司曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的激振推桿，在試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷裂故障，文章通過有限元分析方法獲得激振推桿產(chǎn)生斷裂的原因，對(duì)激振推桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出兩種優(yōu)化方案，并對(duì)兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命分析，結(jié)合物理試驗(yàn)，驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，獲得最優(yōu)的激振推桿結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：曲軸彎曲試驗(yàn)；激振推桿；優(yōu)化設(shè)計(jì)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.042

CLC NO.: U467.3 Document Code:A Article ID: 1671-7988(2016)02-114-03

引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，中國(guó)的汽車工業(yè)也獲得了飛速的發(fā)展，中國(guó)的乘用車產(chǎn)銷量已經(jīng)邁進(jìn)2000萬/年的行列，成為名副其實(shí)的汽車大國(guó)。作為汽車動(dòng)力總成核心的發(fā)動(dòng)機(jī)，在產(chǎn)品研發(fā)和提升質(zhì)量的過程中，需要在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，曲軸試驗(yàn)機(jī)就是此種試驗(yàn)的專用設(shè)備。

曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)主要由電控系統(tǒng)和機(jī)械諧振兩大部分組成。機(jī)械諧振系統(tǒng)主要由激振器、激振推桿、龍門架等組成。機(jī)械諧振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。然而在試驗(yàn)過程中經(jīng)常發(fā)生擊振推桿斷裂故障，本文通過對(duì)擊振推桿進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高擊振推桿的使用壽命。

圖1 曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)機(jī)械諧振系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1、激振推桿工作過程分析

激振推桿作的主要作用是將激振器產(chǎn)生的激振載荷傳遞給曲軸試件。激振推桿的可靠性直接影響到曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)的連續(xù)性和完整性，因此有必要對(duì)激振推桿的工作進(jìn)行分析，以提高其使用壽命。傳統(tǒng)的激振推桿可以簡(jiǎn)化成一根具有固定長(zhǎng)度的等徑圓截面金屬桿。材料為常見的45#鋼，激振推桿所受載荷可近似簡(jiǎn)化成正弦輸入載荷。本文采用ANSYS軟件對(duì)激振推桿壽命分析。

1.1 ANSYS激振推桿分析過程

激振推桿的工作過程可以簡(jiǎn)化成圖2所示的結(jié)構(gòu)。圖中綠色零件表示激振推桿，橙色部件表示擋板。

圖2 激振推桿工作過程簡(jiǎn)化

在激振推桿的最右側(cè)端面，增加一個(gè)2000N的力，計(jì)算激振推桿在幅值為2000N頻率為50Hz的正弦載荷作用下的壽命。其壽命如圖3所示。由圖3可知，激振推桿的壽命約為5600萬次，斷裂部位出現(xiàn)在推桿與擋板的接觸處，這于實(shí)際工程情況相同。激振推桿的最大應(yīng)力點(diǎn)位于激振推桿與擋板接觸的位置，激振推桿的最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，其最大應(yīng)力值為315.22MPa，此結(jié)果同疲勞分析的結(jié)果相一致。

圖4 激振推桿最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

2、激振推桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

原激振推桿在實(shí)際使用中，易出現(xiàn)斷裂導(dǎo)致失效，影響彎曲試驗(yàn)的連續(xù)性和完整性。擬對(duì)激振推桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高激振推桿的壽命。優(yōu)化后的激振推桿的形狀如圖5所示，稱其為A型結(jié)構(gòu)激振推桿，A型結(jié)構(gòu)的激振推桿，分別在距離兩端面30mm處增加一個(gè)頸縮，頸縮部分的主要作用是釋放殘余應(yīng)力，同時(shí)，頸縮部分與桿體結(jié)合處存在過渡圓角，避免應(yīng)力集中。

圖5 A型激振推桿結(jié)構(gòu)

對(duì)A型結(jié)構(gòu)激振推桿進(jìn)行壽命計(jì)算，施加的載荷與原激振推桿相同，A型結(jié)構(gòu)激振推桿的壽命達(dá)到8511萬次，較原結(jié)構(gòu)的激振推桿壽命增加了將近2000萬次，壽命提高幅度51.9%。由圖6可以看出，A型結(jié)構(gòu)激振推桿的斷裂處發(fā)生在頸縮部分，與擋板的接觸部分的壽命明顯提高。激振推桿的最大應(yīng)力點(diǎn)位于激振推桿的頸縮位置，激振推桿的最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示，其最大應(yīng)力值為260.41MPa，此結(jié)果同疲勞分析的結(jié)果相一致。

圖6 A型結(jié)構(gòu)激振推桿壽命圖

圖7 A型結(jié)構(gòu)激振推桿最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

對(duì)A型結(jié)構(gòu)激振推桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，形成B型結(jié)構(gòu)激振推桿，B型結(jié)構(gòu)激振推桿的結(jié)構(gòu)如圖8所示，B型激振推桿與A型激振推桿的區(qū)別在于，分別在推桿的兩個(gè)圓形端面上增設(shè)了一個(gè)直徑為3mm，深為5mm的同心圓孔。

圖8 B型激振推桿結(jié)構(gòu)圖

對(duì)B型結(jié)構(gòu)激振推桿進(jìn)行壽命計(jì)算，施加的載荷與原激振推桿相同，B型結(jié)構(gòu)激振推桿的壽命達(dá)到9899.7，同A型結(jié)構(gòu)激振推桿相比，壽命提升了16.3%，與原激振推桿相比，壽命提升了76.8%。由圖9可以看出，B型結(jié)構(gòu)激振推桿的斷裂處發(fā)生在頸縮部分。激振推桿的最大應(yīng)力點(diǎn)位于激振推桿的頸縮位置，激振推桿的最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示，其最大應(yīng)力值為244.82MPa，此結(jié)果同疲勞分析的結(jié)果相一致。