黃中順 蒲鷹 鄧玉婷

摘 要：曲軸是發(fā)動機的核心零部件，在發(fā)動機工作過程中它承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動發(fā)動機上其他附件工作。曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的強度和剛度，隨著國內(nèi)市場對小排量、增壓發(fā)動機性能的要求不斷提高，曲軸結(jié)構(gòu)在輕量化的同時也要求具有較高的疲勞強度，而對強度影響最大的就是曲軸的強化方式及參數(shù)，因此，研究曲軸的滾壓力與疲勞強度的關(guān)系是每個新型號曲軸開發(fā)過程中必不可少的一項工作。

關(guān)鍵詞：曲軸 滾壓力 疲勞強度

本文通過對我公司目前加工的一款小排量發(fā)動機曲軸采用不同滾壓力進行試驗，以驗證滾壓力對曲軸疲勞強度的影響，該款曲軸排量為1.0T，材料為球墨鑄鐵QT700-2。在開發(fā)階段，采用了四組不同的滾壓力對曲軸的主軸、連桿圓角沉槽進行滾壓，同時記錄過程相關(guān)的數(shù)據(jù)，以方便進行后期工藝參數(shù)的確定和強度的分析。

1 曲軸的主要工藝流程

該款曲軸主要的工藝流程為：采用數(shù)控車床進行粗、精車主軸頸及滾壓沉槽——銑床進行外銑連桿頸外圓及開檔——數(shù)控車床車削連桿頸外圓及滾壓沉槽——加工中心鉆曲軸油孔并倒角——曲軸滾壓設(shè)備對主軸、連桿沉槽進行滾壓——數(shù)控磨床對曲軸主軸、連桿進行磨削——數(shù)控磨床磨削兩端——加工中心加工兩端螺紋孔——曲軸動平衡——軸頸外圓拋光——清洗、檢查、包裝。

在滾壓工序，主軸頸采用恒定壓力進行滾壓，而連桿頸采用變壓力進行滾壓，在連桿內(nèi)側(cè)240度內(nèi)為高壓力滾壓區(qū)域，在連桿高點方向120度內(nèi)則為低壓力滾壓區(qū)域，由于曲軸自身的結(jié)構(gòu)影響，在內(nèi)側(cè)平衡塊厚度較厚，而連桿頂部的兩側(cè)平衡較薄，采用這種變壓力進行滾壓目的是保證連桿開檔寬度均勻，而曲軸在工作過程中，受各種沖擊力大的危險區(qū)域在內(nèi)側(cè)，因此同側(cè)的壓力必須保證。

2 曲軸強化方式分析

小排量發(fā)動機曲軸目前普遍采用的強化方式主要有：圓角滾壓、圓角淬火、整體氮化，圓角滾壓強化方法就是在滾輪的壓力作用下，在主軸、連桿的過渡圓角沉槽區(qū)域形成一條滾壓塑形變形帶，產(chǎn)生了殘留應(yīng)力，可與曲軸在工作時的拉應(yīng)力相抵削或部分抵消，從而達到強化效果方式，在國內(nèi)目前小排量球鐵曲軸上應(yīng)用十分普遍，采用該方式強化后，曲軸的壽命可以提高百分之八十以上，這種工藝已經(jīng)較為成熟，可以采用進口或國產(chǎn)設(shè)備都能實現(xiàn)加工，加工的經(jīng)濟性好。圓角淬火主要應(yīng)用在鍛鋼曲軸上，在主軸、連桿軸徑表面及圓角區(qū)域進行感應(yīng)淬火，形成淬硬層，從而提高表面的硬度及曲軸的疲勞強度。整體氮化則采用將曲軸放置在氮化爐中進行表面滲氮以提高表面硬度及整體強度，但該工藝耗能大，過程變形不易控制等，目前已經(jīng)較少應(yīng)用。

3 試驗滾壓力及過程數(shù)據(jù)

該型號曲軸最初的設(shè)計滾壓力為6000-7000N，為驗證出最優(yōu)的壓力以取得最高的疲勞強度，分別進行了6500N、7500N、8500N、9500N這四組壓力進行滾壓，滾壓前加工出的圓角為R1.3±0.1，而所采用的滾壓輪圓角為R1.2（0，-0.03），在分別采用以上四組壓力進行滾壓后，圓角沉槽的形狀如下圖1、圖2、圖3、圖4：

從滾壓后的輪廓儀檢測圖形來看，壓力越大，則圓角的變形量越大，形狀也更趨近于滾壓輪的尺寸。

而曲軸在這四組滾壓力進行滾壓后的軸向變形量也不相同，以曲軸的第四主靠法蘭端止推面為基準，每種壓力統(tǒng)計10件的數(shù)據(jù)后，計算軸向變化的平均值，得出變化規(guī)律如下表1、圖5：

通過對滾壓前后各軸頸到止推面的軸向變化量數(shù)據(jù)可看出，滾壓的壓力越大，則曲軸的軸向變化量也相應(yīng)越大，而曲軸產(chǎn)品在發(fā)動機內(nèi)是精密件，軸向尺寸公差一般在±0.2mm，在確定壓力值后，根據(jù)滾壓的軸向變化量，在前序進行軸向尺寸的預(yù)先調(diào)整，以使曲軸在滾壓后軸向尺寸在圖紙的公差范圍內(nèi)，但如果軸向的變化量太大，由于每件波動范圍不一定都在預(yù)先設(shè)定范圍內(nèi)，易容出現(xiàn)由于軸向變化過大超出公差范圍而使產(chǎn)品報廢的現(xiàn)象。

4 疲勞試驗及數(shù)據(jù)分析

4.1 試樣制備

試件為從成品曲軸上截取單拐，每根曲軸取其同一位置的單拐，并進行相應(yīng)編號標識，每組壓力值截取12個單拐。

4.2 試驗方法

曲軸彎曲疲勞試驗在PDC-2電動諧振式疲勞試驗裝置上進行，載荷為對稱的正弦波，加載頻率約55.0HZ。試驗前對系統(tǒng)的載荷進行了標定，標定后在所使用的載荷范圍內(nèi)，彎矩的相對誤差不大于3%。用升降法測定試件的疲勞極限彎矩。試驗的循環(huán)基數(shù)為107周次。定義系統(tǒng)的共振頻率下降1Hz為試件失效。

4.3 安全系數(shù)估算

根據(jù)QC/T637-2000《汽車發(fā)動機曲軸彎曲疲勞試驗方法》中規(guī)定發(fā)動機曲軸名義工作彎矩的計算方法，根據(jù)發(fā)動機汽缸最大爆發(fā)壓力Pmax=9MPa，以及曲軸有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，得出該曲軸的名義工作彎矩： M-1（工）=288N.m。存活率為99.9%時的安全系數(shù)計算公式為：

n99.9%=（M-1-3.09×K×SN-1）/M-1（工）

其中Sn-1為子樣標準差，K為變異系數(shù)，M-1（工）為疲勞極限彎矩值。

根據(jù)試驗得出的各組壓力下實際彎矩值如表2：

從實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)滾壓力由6500N升到8500N的過程中，曲軸的疲勞彎矩強度是上升的，但升到9500N的滾壓力后，曲軸的疲勞彎矩強度反而降低了，由此我們可以看出，滾壓力并不是越大越能提升曲軸的彎矩強度，當(dāng)壓力值超出一定范圍后反而造成強度下降。

5 結(jié)語

從本次的各組滾壓力加工后得出的對應(yīng)疲勞彎矩強度變化，我們得出該型號曲軸最優(yōu)的壓力滾壓壓力值，同時驗證了滾壓力并不是越大越能增加曲軸的疲勞強度，但曲軸的加工并不只需要關(guān)注疲勞強度，同時我們也要考慮加工過程的經(jīng)濟性，在滿足產(chǎn)品要求的安全系數(shù)前提下，盡可能的用最小壓力進行滾壓，不僅可以節(jié)省能耗，同時降低由于過大壓力滾壓造成軸向變形量大產(chǎn)生廢品的比率。

參考文獻：

[1]王立新，袁峰，梅本付，謝薇.汽油機球墨鑄鐵曲軸失效分析與研究[J].上海金屬.2017年01期.

[2]陳曉平.發(fā)動機曲軸疲勞極限載荷預(yù)測方法研究[D].浙江大學(xué).2011年.

[3]丁芳，楊永生，李劍鋒.圓角強化對曲軸疲勞強度的影響[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車.2012年01期.