曲轴疲劳试验
曲轴扭转疲劳断裂分析
作 者简 介 ： 诗 波 （ ９３一） 男 ， 邵 １７ ， 山东 文 登 人 ， 程 师 ， 研 究 方 向为 发 动机 材 料 。 工 主要
２１ ００年第 ５期
邵诗波 ， ： 曲轴扭转疲 劳断裂 分析 等
２ 机械 性 能及 金 相检 验 分 析
（ ） 断 裂 曲 轴 法 兰端 取 拉 伸 试 样 和 硬 度 试 １从
１ 扭 转 疲 劳 裂纹 形 态
试验 曲轴为合 金 钢 模锻 ， 面感 应 淬火 。一般 表 情况 下 ， 曲轴 轴颈上 的油孔 可 视 为尖 锐缺 口成 为扭 转疲 劳断 裂 的裂 纹 源 … 。然 而本 次 扭 转 疲 劳试 验
后进行 磁粉探 伤 ， 纹 位 于连 杆轴 颈 ， 裂 延油 孔走 向 ， 以约 ４ 方 向扩 展 ， 未通过油孔 口， 图 １ ５度 但 见 。
开展 的也不 多 。利用 电动谐振式 曲轴扭转 疲劳试验
装 置 在 对 国外 一 款 新 型发 动 机 曲 轴进 行 扭 转 疲 劳试 验时 出现非正 常裂 纹 ， 曲轴 扭转 疲 劳强 度达 不 到设计 要求 ， 为此 进行 了分析并提 出 了解决办 法 。
图 １ 疲 劳 裂纹 示 意 图
样， 按照 Ｇ ／ ２ ８ 金 属材料 室 温拉 伸 试 验 方法 ” Ｂ Ｔ２ “ 进
符合 技术 要求 ， 见表 ２ 。
表 ２ 断 裂 曲轴 淬火 层 深 度 测 量 结 果
轴 颈 淬硬 圆 角 淬 硬 圆 角 淬硬 凸 台 淬硬 凸 台 淬硬 表 面硬 度 层 ￣＿ｍｍ 层 ｍｍ 层 深 ／ ／ ｍｍ 层 深 ｍｍ 层 ￣．ｍｍ ＨＲ ／ Ｃ 检 验 结 果 ５ ５ １ ３６ ． ≥１ ７ ．８ ３ ０ ．１ ≥１７ ８ ３ ７ ．３ ≥０７ ．６ ２ ７ ．３ ４ ． ９５ 技 术 要 求 ≥２ ２ ．９ ≥０．６ ４ ７ ５～５ ０
用ANSYS进行曲轴弯曲疲劳试验与数值计算
ｌ Ｃ 仰／ ｃ Ａ Ｍ ／ ｃ Ａ Ｐ Ｐ 应 用
基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 机床部件 优化设计
青海 华 鼎 重 型 机床 有 限 责 任 公 司 研 究 所 （ 西宁 ８ １ ０ １ ０ ０ ） 夏 健 康 胡 晓梅
７ ８ ；
却
参 禹 冷 肛
“ Ｊ¨ Ｉ 。 ０ Ｉ Ｉ … “ ．一 ’ ０ Ｉ Ｉ Ｉ ¨ ‘ ’ Ｉ Ｉ … ＿ ’ ・ ｜ ＿ Ｉ Ｉ ｌ ＿ ｌ ¨ ｌ 。 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ 一 。 ‘ Ｉ ｂ Ｉ ・ ＿ ｌ ¨ ｝ ・ … Ｉ ｌ ‘ ’ Ｉ Ｉ ＿ ｌ ¨ ＿ －… ｌ Ｉ “Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ … … ・ ＿ ｌ ¨．
由于过 于保 守 ，致使 产 品设 计 制造 成 本 过 高 ，性 能
难 以达到 最 佳 。因 此 ，为 了进 一 步 提 高 我 国数 控 机
果 的取得 就 是 通 过 改 变 设 计 变 量 的 数 值 来 实 现 的 ，
对 于每一 个 设 计 变 量 都 有 上 下 限 ，用 户 必 须 规 定 中的每 个 元 素 （ ＝１ ，２，… ，ｎ ） 的最 大 值 、最 小
Ｉ
？ ｇ （ ）＝ｇ （ ， ２ ， …， ， ） ， （ ｉ ＝ｌ ， ２ ， …， ）
【 Ｘ＝（ ｌ ， ２ ， …， ）
式中， Ｆ （ Ｘ）为设 计变 量 的 目标 函数 ； 为设计 变 量 ，
图 １
３ ．实例分析 （ 床身优化分析 ）
做优 化设 计 时 ，首 先 要 选 定 目标 函数 。 针 对 机
合 ，特别 是 在 曲轴 的设 计 阶段 ，可 以 避 免 了 试 验 研 究需 要花 费 的大 量 时 间 和 物 资 消耗 ，提 高 了 曲 轴设 计 准确性 ，为强化 曲轴疲 劳 寿命提 供 了可靠 的依 据 。
发动机曲轴 疲劳试验
发动机曲轴疲劳试验
发动机曲轴疲劳试验是用于评估发动机曲轴在长时间使用过程中的疲劳寿命和耐久性能的试验。
这种试验是对曲轴的持久性能进行验证和验证，以确保发动机在使用过程中不会发生曲轴断裂或破损等问题。
在曲轴的疲劳试验中，通常会模拟实际工作条件下的负载和应力。
测试人员会将曲轴安装在试验台上，并根据设计要求施加一定的载荷和应力。
载荷和应力可以通过施加重量或压力来实现。
在试验过程中，试验台会以不同的转速和运行时间来模拟实际工作条件。
在试验中，会定期监测曲轴的位移、变形和应力等参数。
这些数据用于评估曲轴的疲劳特性。
试验通常会持续一段时间，直到曲轴达到设计寿命或出现疲劳失效。
发动机曲轴疲劳试验是发动机研发和生产过程中非常重要的一部分。
通过这种试验，可以评估曲轴的耐久性能，并对发动机进行改进和优化。
这有助于提高发动机的可靠性和耐久性，减少故障和损坏的风险。
曲轴强度疲劳计算的研究及应用
方法等。计算结果采用安全系数表示 。 曲轴的疲劳强度计算 内容 ，主要是计算最危险 处 的安 全 系数 ，如过 渡 圆角 、油孔边 缘 处等 ，并且 是对最危险工况进行计算 ，即找出运转过程 中可能 出现 的应力 变化 最大 幅值 和此 时 的平 均应 力 。 曲轴疲劳强度的计算方法一般按如下 ２ 个步骤 进行 ：一是求出曲轴危险部位 的应力幅值和平均应 力 ；二是在此基础上进行疲劳强度校核 ，即按材料 的疲劳极限，考虑材料强化处理 、 应力循环和尺寸 影 响，求出曲轴上危险部位的最小强度储备 ，通常
１
前言
曲轴是发动机最关键 的零件之一 。它在发动机 运行过程中传递气体爆发压力和惯性载荷 ， 然后将 力矩传递给飞轮端 ，作为发动机的功率输出。曲轴 具有如此功能 ，所以在设计时希望获得 比发动机预 期更长 的寿命 ，即更高的疲劳强度。但是近年来随 着对内燃机动力性能和可靠性的要求不断提高 ，曲 轴的工作条件愈加苛刻 ，曲轴的强度问题变得更加
考虑了减振器 的硅油粘度 、频率 、阻尼等特征。飞 轮 的几何 特 眭具有 一定 规则 性 ，一般 以参 数 的形 式
输 人 ，考虑 了其 质量参 数诸 如 ：惯量 、质量 、位 置
和曲轴旋转惯性力是其主要承受 的载荷 ，其 中油膜 压力的处理是曲轴应力计算 的关键。随着商业 多体 动力学软件的发展 ，能够考虑了机体 的动态耦合 了 非 线性 液压 动力 瓦 的 因素 。这样 对 于 曲轴应 力计 算
（ｈｎ ｈ ｉ ｉ ｅ Ｅ ｇｎ ｏ， ｔ．Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０ ３ ， ｈｎ ） Ｓ ａ ｇ ａ Ｄ ｅ ｌ ｎ ｉｅ ．Ｌｄ， ｈ ｎ ｈｉ ０ ４ ８ Ｃ ｉａ ｓ Ｃ
曲轴弯曲疲劳试验标准
曲轴是内燃机的重要部件之一，它承受着发动机高速旋转和往复运动带来的巨大压力和应力。
为了确保曲轴的可靠性和耐久性，需要进行曲轴弯曲疲劳试验。
曲轴弯曲疲劳试验标准是指对曲轴进行弯曲加载，并在一定的试验条件下进行疲劳寿命测试的规范和要求。
下面将详细介绍曲轴弯曲疲劳试验的标准。
一、试验目的曲轴弯曲疲劳试验的主要目的是评估曲轴在长期使用过程中的弯曲疲劳寿命，为曲轴的设计和制造提供依据。
通过试验，可以确定曲轴的疲劳强度和疲劳寿命，为改进曲轴的设计和材料选择提供参考。
二、试验方法1. 试验样品的选择：根据实际情况选择代表性的曲轴样品进行试验。
样品的选择应符合相关标准和规范要求。
2. 试验设备的准备：确保试验设备的准确性和可靠性。
试验设备应能够提供符合要求的弯曲加载条件。
3. 试验参数的确定：根据曲轴的实际使用情况和相关标准，确定试验参数，如载荷幅值、载荷频率、试验温度等。
4. 试验过程的控制：按照设定的试验参数进行试验，并对试验过程进行实时监测和记录。
确保试验过程的准确性和可重复性。
5. 试验结果的评估：通过试验结果的评估，确定曲轴的疲劳强度和疲劳寿命，并与相关标准进行比较和分析。
三、试验标准1. 载荷幅值：根据曲轴的设计要求和使用条件确定载荷幅值。
载荷幅值应能够真实模拟曲轴在实际使用中承受的载荷变化。
2. 载荷频率：根据曲轴的使用情况和相关标准，确定载荷频率。
载荷频率应能够真实模拟曲轴在实际使用中的工作状态。
3. 试验温度：根据曲轴的使用条件和材料特性，确定试验温度。
试验温度应能够真实模拟曲轴在实际使用中的工作温度。
4. 试验次数：确定试验次数时，应考虑曲轴的设计寿命和安全系数。
试验次数应能够真实模拟曲轴在实际使用中的寿命。
5. 试验结果评估：根据试验结果评估曲轴的疲劳强度和疲劳寿命，并与相关标准进行比较和分析。
评估结果应符合相关标准的要求。
四、试验报告完成试验后，应编制试验报告，报告内容应包括试验目的、试验方法、试验过程、试验结果和评估等。
疲劳试验数据处理及P-S-N曲线的作用
荔 ／＿ 嫠 备 编 试 次 … 号 Ｎ 霉 验矩 注 一 数 ‘ １ ３ １
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弃 。而第 一次 出现 的相反 结果 点３ 和 试 验 可 能 采 用 不 同 的 符 号 ， 以 下
点４的应 力平 均 值 （ ＋ ）， Ｓ２ Ｓ３ ２，就 同 。） ；Ｓ为试 验 总次数 ： 为各级
１１试验方 法 ．
采 用升 降法 进 行 疲 劳试 验 ，一 是 常 规试 验 法 给 出 的疲 劳 极 限值 。
试验负荷 ； 为第ｉ 级试验负荷下进 行
１ 般 按 下 述程 序 进 行 。试 验从 高于 疲 同样 ，第 二次 出现 的相反 结果 点５ 和 的试验次 数 ；门为试验 负荷 的级数 。 的应 力平均值 ，也 相 当于 常规试 １３ 应用 实例 ． 劳极 限 的应 力水 平开 始 ，然 后逐 级 点６
型应用。
■ 第一汽 车集团公 司技术 中心材料 部 何 才
随 着 疲 劳 试 验 研 究 的 不 断 发 没 有破 坏 （ 出 ） ，故 依次 进 行 的 化 简后得到 ： 越
展 ，有 限寿 命设 计 在 各 工业 部 门的 第 五根 试 件就 在 高 一级 的应 力 Ｓ 下 ｚ 广 泛 开 展 和 新 工 艺 、新 材 料 的研 进 行试 验 。依 此 类 推 ，凡 前 一 根 试 Ｏ 循环破 坏 ，则 随后 的一 次 制 ，都要 求 提供 准 确 可 靠 的疲 劳 性 件不 到１
第二节_气缸盖和曲轴的疲劳破坏
第二节气缸盖和曲轴的疲劳破坏一、气缸盖的疲劳破坏1．气缸盖底面裂纹柴油机运转过程中气缸盖底面在其工作条件下可能产生高温疲劳、蠕变和热疲劳破坏。
气缸盖底面即触火面承受着高温高压燃气的周期重复作用。
高温下高压燃气作用使底面发生弯曲变形产生机械压应力，并随柴油机工作循环周期重复变化。
一般情况下，气缸盖底面温度达400～500℃，有时可能超过0.5Tm (灰铸铁的熔点)。
当气缸盖冷却不良时就会超过0.5Tm，从而引起高温疲劳破坏。
当底面温度超过0.3Tm时，底面产生显著蠕变，从而使底面性应力大大降低。
气缸盖底面和冷却面的温差可达300～400℃，在底面和冷却面分别产生压、拉热应力，在柴油机停车或负荷突降时会使气缸盖底面压应力进一步降低、消失，甚至产生残余拉应力。
另外，柴油机运转过程中零件长期受到高温作用，使材料的疲劳极限下降，所以低频热应力过大时就会在气缸盖底面产生疲劳裂纹。
因此，当气缸盖底面产生裂纹时不能简单地视为热疲劳裂纹，因为底面裂纹可能是热疲劳裂纹，也可能是高温疲劳裂纹或蠕变裂纹，或者是三者共同作用产生的裂纹。
但是当发现龟裂裂纹时，则可断定为热疲劳裂纹。
2．气缸盖冷却面裂纹气缸盖冷却侧分布着环形或其他形状的冷却水通道，在通道筋的根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。
裂纹是气缸内最大爆发压力引起的周期性脉动应力作用的结果。
气缸内最大爆发压力作用在缸盖底面上使其发生弯曲变形，在冷却面上产生最大拉应力。
当冷却水通道筋的根部过渡圆角过小或者存在铸造缺陷时，在这些应力集中的部位就会产生裂纹或使铸造缺陷裂纹扩展，以致在周期脉动应力作用下裂纹自冷却面向触火面逐渐扩展，最终使缸盖裂穿。
零件在腐蚀介质和交变载荷共同作用下产生腐蚀疲劳破坏。
由于腐蚀与疲劳加速零件上的裂纹形成与扩展，所以是更严重的破坏。
气缸盖冷却面在冷却水中不可避免地产生微观电化学腐蚀；冷却面局部区域的冷却水还可能处于沸腾状态，使冷却水中可溶性盐类的酸根离子Cl-、SO42- 等与冷却面金属发生电化学腐蚀；当冷却水中溶解一定量氧时，冷却面金属被氧化，水温越高，氧化腐蚀越严重。
标准QC-T637-2000_汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法
Ｓ， （． ５ ２ Ｘ ＇ ＝ ０ ８ ． ） ０ － １
Ｓ２ （． －８ ０ Ｘ１ ＇ ＝ ５２ ．） ０
Ｓ， （． － ５ ２ Ｘ １＇ 一 ０８ ．） ０
６ ７ ３
Ｑ ／ ６７ ００ Ｃ Ｔ －２ ０ ３ 子样标 准差 ：
二 ＳＭ ．．．． （ 一 ｃ＿．．．． 、 丫 －－．．．…） ｓ ．．．． ， ．．． … ） ．．． ．
变异系数参照 附录 Ｂ确定 是否满足 ６４ ．．
Байду номын сангаас
变 系 异 数
， ，／ 一 ． ． ・・ ・ ・・ ・・・ １ Ｓ ，１ ・ ・． ・・ ・・ ・・ ・ … （ ＝ Ａ ． ・・ ・・ ・・ ・ … ． ， － ５ ）
６ 试验方法
６１ 试验循环基数 取 １７并在试 验报 告中注明。 ． ０， ６２ 判据 ６２１ 承载 能力 ： ．． 曲轴疲 劳承载能力 以弯矩 为判据 ， 但不排 除各企业可 以采用其 它指标 （ 如： 、 例 力 应力 …） 作为 自己的内控判据 ６２２ 试样开 裂 ： ．． 试样产生 疲劳裂纹的特征是 系统 共振频 率下降 。规定下 降量为开始试验 时频 率的 １ ％ 作为试样 开裂的判据 。如果是委托试验 ， 双方也 可以经过协商 另行规定 ， 但这时 的开裂判据应在试验报告
Ｑ ／ ６ ７ ００ Ｃ Ｔ －２ ０ ３
前
由机械工 业部通知废除。 本标 准与原 ￥ ８ ９３ Ｊ ３５－１８ 标 准的主要区别在于 ： ２ １ ）统一规定循环基数 Ｎｏ ０； ＝１＇ ２ 要求试验机精度 提高 到优于士３ ） ％；
言
原机械工业部标准 Ｊ ３５－ １８ 汽车发 动机曲轴弯 曲疲劳台架试 验方法》己于 １９ ３月 １ Ｂ ８ ９３《 ２ ９８年 ２日
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曲轴疲劳试验
曲轴疲劳试验
上汽集团奇瑞汽车有限公司奇瑞汽车工程研究院
曲轴疲劳试验
1.0目的
本试验的主要目的的评估曲轴的疲劳强度。
试验是在专门的疲劳试验机上进行的，它通常是液压驱动，模拟发动机运行时曲轴上所受到的相应载荷。
这个疲劳试验是作为产品的认可依据试验件应该可以作为部件生产过程的一个主要验证方法。
因此样件应该达到生产的标准。
在发动机开发的早期阶段就应该做原型件的初步试验。
试验的区间应该是曲轴的圆角，可以用不同的方法增加弯曲疲劳强度，例如滚压和淬水。
可以用EXCITE软件计算发动机运转期间的曲轴疲劳强度。
计算出曲柄销圆角最低安全安全系数（在最大疲劳破坏载荷），然后用于试验件的弯曲载荷试验的载荷确定。
这个意味着弯曲载荷的条件应该用于曲轴疲劳分析的基础上进行。
疲劳强度的分析应结合至少两个曲柄销的圆角区域的金相分析检测，另外曲柄销的圆角区域的微硬度测量也应该做，因为他决定于硬度型线。
曲轴截面上多点硬度测量结果进行。
2.0试验准备
在发动机运转时，由计算可知，影响疲劳寿命的主要是弯曲载荷，扭矩对它的影响不是很大。
所以评价主要考虑弯曲疲劳。
2.1试验件的准备
弯曲疲劳试验在脉动疲劳试验装置上进行。
曲轴被切成两部分，包括按两个主轴颈和一个曲轴轴颈为一个轴段单元，通常用第二曲柄做试验。
把这个单元的一个主轴销和一个曲柄销夹紧，试验载荷加在第二个轴承颈上，这里加载荷的向量应该在由主轴颈、曲柄销和无轴向力的中轴线确定的平面上。
————试验载荷可以通过一个可以在第二个主轴径处自由运动、具有节点的杆处来施加。
主轴销和曲柄销的夹具必须被设计成压紧力对轴销半径对压力外圆的影响可以忽略的装置，由此在夹具板与销之间的接触域对主轴颈和曲柄销必须有一个很小的距离，这个距离大于圆角半径的3.5倍。
3.0使用仪器和设备
曲轴疲劳试验
表1：最小仪器通道
4.0试验方法
4.1初始试验载荷
展示在下面表1的初始的试验载荷是从运行的发动机条件中计算出来的：
·最大张紧力来源于运转发动机条件下的惯性力
·最大压力来源于压缩气体最大压力
·载荷幅值是最大拉力和最小压力间差值的一半
允许试验载荷应该覆盖最大拉力（出现在曲轴最大速度点）和最大压缩力（通常出现在发动机在最低转速时的峰值点火压力）的整个范围
正常的曲轴载荷的计算是在发动运行处于时相关临界速度/载荷点上。
曲轴疲劳试验
4.2载荷的施加方法：
疲劳载荷分析方法是用S-N曲线表示的。
这个试验的目的是提供足够的信息来画出这样的一条曲线。
显然试验越多曲线就越准确因此疲劳强度就越接近真实值。
在样件的试验中，施加的初始载荷要达到计算的理论动态载荷，然后把初始载荷乘以安全系数1.65（看5.1）。
样件的试验的载荷应在耐久疲劳强度和低循环疲劳区内的更高载荷之间，在每个试验的整个过程中要求载荷振幅和频率续保持不变，试验最大需要达4×106个循环。
达到这个循环的部件可以认为“合格（RUNOUT）”，然后增加20%载荷再继续试验，数据的最小指标就得到了，图2显示使用了5个样件的方案，其中2个从新试验后“（合格）RUNOUT”的结果
5.0结果处理
报告必须包括以下几点：
·连杆的确认（供应商、型号、材料、零件号、图号）
·发动机运行的理论载荷（表1）
·试验（平均）载荷量
·循环次数
·绘出疲劳载荷和安全因数的S-N曲线
·假如开裂，描述开裂位置和其始点
·假如有用途，可给出另外研究的结果。
尤其应注意以下几点：
5.1图表上一定有S-N曲线
试验结果应被绘制成一个双对数曲线，裂纹近似地用两条直线给处，如图2。
因为被试验件的材料不同导致每条曲线的斜率不同，两部分的交点叫做“Kneepoint”，通常在2~3×106个循环内。
图2中的第二段线是水平，通常表示材料为钢，在Kneepoint点处的载荷量给出了对样件疲劳的评价。
5.2疲劳强度
主要的结果是安全系数，它与疲劳强度和理论载荷有关：
Ks=疲劳强度/理论载荷
定义如下：
疲劳强度
可以应用的不产生任何破坏的无限的的载荷最大载荷。
它可以忽略任何其他影响诸如腐蚀等。
疲劳载荷是在S-N曲线上作为“Kneepoint”点。
一般推荐，试验结果中得出的计算疲劳载荷相应达到50%的存活率。
曲轴疲劳试验
理论载荷
在发动机运行的条件下可以使用的最大应用载荷。
要求的最小安全因数
最小安全因数根据试验条件下疲劳强度的50%的存活率。
AVL推导为1.65~1.8 图1：曲轴安装
试验装置
图2：S—N曲线
曲轴疲劳试验。