朱正德

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司，上海 201807）

基于現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù)的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

朱正德

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司，上海 201807）

針對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞破壞性增大的現(xiàn)象，引入帶有高性能軟件的曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)，在對(duì)獲取的測(cè)試信息及時(shí)處理后，用失效概率這一評(píng)估指標(biāo)替代傳統(tǒng)安全系數(shù)以做出評(píng)估。為適應(yīng)輕量化趨勢(shì)，小型曲軸在材料、結(jié)構(gòu)和工藝三要素上有所改進(jìn)，通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，有效提升了曲軸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的可靠性。

1 試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件，對(duì)整機(jī)的性能和可靠性有很大影響，因此需要對(duì)曲軸的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證。長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)界在“曲軸最主要的失效形式為彎曲疲勞破壞”這一點(diǎn)上已形成共識(shí)，故而即使對(duì)批量最大的乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，也只進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)這一項(xiàng)。然而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的變大，尤其是小排量高性能發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸承受的扭矩也在不斷增大，此時(shí)的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞已逐漸成為曲軸主要的失效形式。同時(shí)，2016年國(guó)家頒布JB/T 12662—2016《內(nèi)燃機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)方法》。

以EA111和EA211系列小排量發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行曲軸疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)研究。圖1為兩種系列發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)對(duì)比，其中EA211的曲軸經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后質(zhì)量降低30%。表1為兩個(gè)系列8種發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸概況，表2為主要機(jī)型曲軸傳遞動(dòng)力概況。

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)和零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的EA211系列發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性獲得了很大提升。新系列的曲軸看似纖細(xì)、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(yīng)淬火的強(qiáng)化工藝后，工件最薄弱且危險(xiǎn)的圓角部位強(qiáng)度會(huì)提高，但仍有必要對(duì)曲軸彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度的性能試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

表1 EA111和EA211曲軸的基本情況

表2 EA111和EA211主要機(jī)型曲軸傳遞動(dòng)力概況

1.2 基于現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù)的試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)機(jī)是SincoTec公司的曲軸疲勞試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖2），屬于電磁激振式原理的試驗(yàn)機(jī)，其控制單元以工控計(jì)算機(jī)為核心，并配備疲勞統(tǒng)計(jì)分析與評(píng)估軟件，功能豐富。所配置的應(yīng)用軟件Labmotion是專用的疲勞統(tǒng)計(jì)分析及評(píng)估軟件，其可以方便地對(duì)疲勞測(cè)試后獲得的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過(guò)不同的中間處理后，再按用戶的需要進(jìn)行各種評(píng)估并出具相應(yīng)的試驗(yàn)報(bào)告。

圖2 SincoTec試驗(yàn)機(jī)

在曲軸疲勞試驗(yàn)的試樣準(zhǔn)備階段需要注意：必須在同一批經(jīng)穩(wěn)定的工藝過(guò)程生產(chǎn)出來(lái)，并經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)后確認(rèn)為合格的零件中進(jìn)行隨機(jī)抽樣；無(wú)論進(jìn)行曲軸彎曲或扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，所需的樣本數(shù)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(yàn)試樣的情況，另一根工件切割2、4擋，如此進(jìn)行兩次，共需4根曲軸，完成全套試驗(yàn)共需8根曲軸。而進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)時(shí)，則需要采用一根完整的工件，故此時(shí)需要8根合格的曲軸。

2 傳統(tǒng)曲軸疲勞試驗(yàn)方法的實(shí)施要點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)方法的局限性

國(guó)內(nèi)汽車廠在進(jìn)行曲軸疲勞試驗(yàn)時(shí)，一般采用傳統(tǒng)的“配對(duì)升降法”。以出現(xiàn)相反試驗(yàn)結(jié)果的一對(duì)數(shù)（Si和Si+1）構(gòu)成隨機(jī)抽樣的單一個(gè)體Sti，?。?）式中Si和Si+1分別在出現(xiàn)相反結(jié)果的相鄰兩級(jí)試驗(yàn)載荷。

圖3 彎曲疲勞試驗(yàn)1、3擋曲拐切割示意

在50%存活率下的曲軸疲勞極限為：

設(shè)置循環(huán)基數(shù)N0=107。利用升降法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，需要大部分載荷都在疲勞極限水平附近，而當(dāng)試樣本身的強(qiáng)度分散性較小時(shí)，一般至少需要12～15個(gè)試樣才能完成一組試驗(yàn)，所獲得的工件疲勞極限的統(tǒng)計(jì)特性較精確。但是當(dāng)其分散性較大時(shí)，即使增加試樣數(shù)量，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)嚴(yán)重下降，其對(duì)樣本分散性的容忍度較差。此外，該方法是以相反試驗(yàn)結(jié)果配成對(duì)子，所獲得的Sti帶有一定的猜測(cè)。

2.2 按測(cè)試結(jié)果求得的兩項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)[1]

國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)在實(shí)施曲軸疲勞試驗(yàn)時(shí)，均遵循QC/T 637—2000和JB/T 12662—2016兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在考察測(cè)試結(jié)果時(shí)，一般都選以彎曲/扭轉(zhuǎn)疲勞極限和安全系數(shù)兩項(xiàng)性能指標(biāo)為主。

對(duì)EA111和EA211兩個(gè)系列中1.6 L的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸按國(guó)標(biāo)升降法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，在對(duì)所獲得的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后，可得到50%存活率下EA111曲軸彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞極限為933.3 N·m、1900 N·m；而EA211彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞極限為783.3 N·m、1800 N·m。此外，按規(guī)范的方法計(jì)算還可得到對(duì)應(yīng)的4個(gè)安全系數(shù)。然而，因?yàn)闃颖緮?shù)太小，故求得的數(shù)據(jù)沒(méi)有意義。

3 提升曲軸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)水平的方法和措施

3.1 疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法的理論基礎(chǔ)

根據(jù)疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法的原理[2]，在試驗(yàn)過(guò)程中不需要將試驗(yàn)載荷嚴(yán)格控制于接近疲勞極限的狹小范圍，相對(duì)于配對(duì)升降法具有更好的靈活性。同時(shí)疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法在試驗(yàn)中可以取較高的試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速試驗(yàn)以縮短試驗(yàn)周期。統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)母體分散性的敏感性不強(qiáng)，一般8～10個(gè)試件就可以準(zhǔn)確測(cè)定疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性。

3.2 基于DIN 50100標(biāo)準(zhǔn)的沃勒曲線方法的實(shí)施

近年來(lái)，在對(duì)疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法拓展的基礎(chǔ)上，歐洲一些國(guó)家提出了沃勒曲線，并在標(biāo)準(zhǔn)DIN 50100中予以詳細(xì)的說(shuō)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(luò)線，里面僅有8個(gè)點(diǎn)，即通過(guò)對(duì)8個(gè)試樣測(cè)試而獲得的數(shù)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(biāo)。若采取通用的升降試驗(yàn)法，至少需要17個(gè)試樣的測(cè)試值才能求得相應(yīng)的指標(biāo)值，如圖5所示。

圖4 Woehler曲線圖

圖5 升降試驗(yàn)法試樣測(cè)值示意

按DIN 50100標(biāo)準(zhǔn)要求，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在SincoTec疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，并將8個(gè)試樣測(cè)試而獲得的數(shù)值存入試驗(yàn)機(jī)的電腦。之后由專用軟件完成計(jì)算、數(shù)據(jù)處理，直至生成完整報(bào)告。在該過(guò)程中，在電腦顯示屏上還能依據(jù)試樣的實(shí)測(cè)值形成實(shí)時(shí)的S-N曲線等圖形，其并非屬于最終的報(bào)告，而是一個(gè)中間階段，但從中可以獲知測(cè)試結(jié)果的凈值、一批試樣的離散性等。

一份完整的測(cè)試報(bào)告包含4部分[3]：文字?jǐn)⑹霾糠?；用表格?項(xiàng)指標(biāo)的形式表達(dá)數(shù)據(jù)處理后的測(cè)試結(jié)果；一組反映試樣上出現(xiàn)裂紋的照片；沃勒曲線圖。

3.3 評(píng)估指標(biāo)的重要性

在對(duì)一組試驗(yàn)完畢的曲軸進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要的指標(biāo)為具有50%存活率的疲勞極限和安全系數(shù)。雖然在標(biāo)準(zhǔn)QC/T 637—2000中已取消了安全系數(shù)≥1.3的規(guī)定，但仍有很多企業(yè)擬定了安全系數(shù)的指標(biāo)，再與實(shí)測(cè)值對(duì)比。因此，需要制訂一個(gè)合理的評(píng)估指標(biāo)。表3是EA211系列1.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定表。疲勞極限與按升降試驗(yàn)法的算法完全不同，其是建立在沃勒?qǐng)D的基礎(chǔ)上，據(jù)此揭示并進(jìn)而獲取與曲軸疲勞強(qiáng)度相關(guān)信息[3]。同時(shí)也驗(yàn)證了遵照常規(guī)做法求得的疲勞極限將會(huì)有較大誤差（當(dāng)樣本數(shù)為8時(shí)，誤差約20%）的結(jié)論。

表3 EA111系列1.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞試驗(yàn)評(píng)定結(jié)果

在對(duì)經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)并已取得完整測(cè)試數(shù)據(jù)的曲軸進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，并沒(méi)有沿用以疲勞極限和安全系數(shù)為主的做法，而是應(yīng)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(zhuǎn)值必須大于對(duì)應(yīng)實(shí)際值的要求。

4 小排量高性能發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸品質(zhì)的驗(yàn)證

行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為通過(guò)受力分析確認(rèn)曲軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于彎曲強(qiáng)度，而其平面彎曲強(qiáng)度是最低的，4缸及以下的發(fā)動(dòng)機(jī)在執(zhí)行曲軸疲勞試驗(yàn)時(shí)[4]，應(yīng)以彎曲負(fù)荷為主。對(duì)于6缸及以上發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)在規(guī)劃時(shí)將扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)列為新產(chǎn)品認(rèn)證中的一個(gè)項(xiàng)目。

而由于所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)屬于功率、扭矩都高的小排量高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，疲勞試驗(yàn)的結(jié)果表明，只將彎曲疲勞試驗(yàn)作為工件的唯一評(píng)估要求是不可行的。從表3和表4可見(jiàn)，雖然曲軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于彎曲強(qiáng)度，但實(shí)際上引起疲勞破壞的主因已經(jīng)變成為扭轉(zhuǎn)載荷。在實(shí)驗(yàn)室共做了近百組（每組2×8個(gè)試樣）覆蓋所有系列機(jī)型的彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，累計(jì)所有不合格的組數(shù)僅有5%～6%，這也表明無(wú)論是成熟的EA111還是輕量化的EA211在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、工藝上均很成功。分析疲勞強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，其特點(diǎn)為：所有經(jīng)試驗(yàn)被判為不合格的曲軸均為EA211中的自然吸氣機(jī)型（MPI），這主要是由其材質(zhì)為球墨鑄鐵決定的。特別是所有不合格曲軸都是因扭轉(zhuǎn)引起的疲勞破壞，且大多發(fā)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(jié)構(gòu)上采取的一項(xiàng)措施。因鍛鋼材質(zhì)的機(jī)械、力學(xué)性能又遠(yuǎn)高于鑄鐵，故TSI型均無(wú)恙。

5 曲軸疲勞強(qiáng)度的評(píng)估指標(biāo)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是以安全系數(shù)為可靠性的度量指標(biāo)，即n=S/s，其驗(yàn)算的基本原則是確保構(gòu)件的強(qiáng)度不小于工作載荷。S和s都是以應(yīng)力表示的零件強(qiáng)度和施加載荷的均值，因而又稱n為中心安全系數(shù)[2]。

表4 EA211 1.6 L MPI發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞試驗(yàn)評(píng)定結(jié)果

一般情況下，安全系數(shù)采用定值的方法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)選取，這樣做雖然保證了產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的可靠性，但因安全裕量沒(méi)有相應(yīng)的度量指標(biāo)，其取值過(guò)于保守時(shí)，就會(huì)以犧牲經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)。而且，單一的安全系數(shù)也難以對(duì)改進(jìn)零件的設(shè)計(jì)、工藝和材料提供足夠的指導(dǎo)依據(jù)[5]。

實(shí)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(shí)際狀況嚴(yán)重不符。鑒于構(gòu)件的強(qiáng)度和工作載荷都可被視為隨機(jī)變量，而安全系數(shù)法公式的不足之處是只考慮了隨機(jī)變量的平均值，沒(méi)有考慮到隨機(jī)變量的變異性，即還需要考慮強(qiáng)度和應(yīng)力的分布及標(biāo)準(zhǔn)差將會(huì)帶來(lái)的影響。為此，推出了如圖6所示的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型的方法。在圖6a中，當(dāng)兩個(gè)正態(tài)分布的間距大于其標(biāo)準(zhǔn)差之和的一半時(shí)，兩者互不干涉，零件處于安全狀態(tài)。反之，當(dāng)兩者的間距變小，出現(xiàn)圖6b所示的干涉情況時(shí)，該方法考慮了構(gòu)件強(qiáng)度和工作載荷的分散性，設(shè)兩者均服從正態(tài)分布，零件在工作中所受到的應(yīng)力大于所用材料的強(qiáng)度，其干涉或重疊的部份表明該工件在使用過(guò)程中具有不可靠的特性，即存在失效概率。

圖6 應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型

從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度通過(guò)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，考慮零件強(qiáng)度及工作載荷的分散度[2]，假設(shè)強(qiáng)度和載荷的變異系數(shù)δR和δn均服從正態(tài)分布，可靠性指標(biāo)為：

可靠性為：

式中，Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

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

基于上述以隨機(jī)分布為基礎(chǔ)的可靠性方法克服了定值安全系數(shù)法的缺點(diǎn)，各參數(shù)的估計(jì)值通過(guò)客觀數(shù)據(jù)的調(diào)查或抽樣試驗(yàn)后考慮有關(guān)參數(shù)的變異性特征并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)確定。這減少了安全系數(shù)確定的主觀性，使安全裕量的確定建立在客觀數(shù)據(jù)分析和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并且對(duì)構(gòu)件的可靠性給出近似的概率度量。

而安全系數(shù)的基本驗(yàn)算原則是其必須使零件的強(qiáng)度S不小于實(shí)際應(yīng)力s。采用定值法憑經(jīng)驗(yàn)選取雖能保證工作的安全可靠，但沒(méi)有相應(yīng)的度量指標(biāo)，在取值保守時(shí)將以犧牲經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)，且單一的安全系數(shù)也難以對(duì)改進(jìn)零件的設(shè)計(jì)、工藝和材料提供足夠的指導(dǎo)依據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

曲軸的疲勞試驗(yàn)不但是進(jìn)行強(qiáng)度考核和估算工作壽命的一個(gè)基本手段，而且與被檢曲軸的結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)關(guān)于曲軸彎曲/扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)機(jī)，并在疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法的基礎(chǔ)上對(duì)獲得的測(cè)試信息進(jìn)行處理，提出以失效概率為評(píng)估指標(biāo)的方法。通過(guò)對(duì)具有輕量化特征的曲軸測(cè)試，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)、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(yàn)簡(jiǎn)介及其數(shù)據(jù)分析.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2015（15）：36～38.

2 周迅,俞小莉.曲軸疲勞試驗(yàn)及其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法的研究.內(nèi)燃機(jī)工程,2007（4）：51～55.

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

4 蔣海勇.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材料“以鐵代鋼”問(wèn)題研究.內(nèi)燃機(jī)與配件,2015（9）：26～32.

5 曾軍財(cái),楊江濤.論可靠度與安全系數(shù)的關(guān)系.機(jī)電工程技術(shù),2013（7）：219～221.

（責(zé)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(fā)動(dòng)機(jī) 曲軸 扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度 試驗(yàn)

U464.133 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）09-0040-04