108_基于试验修正的曲轴安全系数计算方法_吉利_冯敬等

图1 断裂位置与端口形貌
基于试验修正的曲轴安全系数计算方法
冯敬，王德远，杨陈，沈源，由毅，赵福全
（浙江吉利汽车技术中心有限公司，浙江杭州 311228）
摘要：某发动机全速全负荷试验中，曲轴发生断裂。

为查找断裂原因，本文对曲轴弯曲疲劳试验过程进行仿真模拟，并根据试验结果标定疲劳分析影响参数。

然后基于A VL 多体动力学软件Excite PU 仿真得到曲轴实际工作状态下的载荷历程，进行疲劳强度计算。

同时还对曲轴断口进行分析。

研究结果表明曲轴的最小安全系数满足设计要求，而曲轴断裂是由台架安装不当引起的。

关键词：曲轴；疲劳试验；仿真计算；安全系数；断裂 主要软件：A VL EXCITE ；Hypermesh ；Abaqus ；Femfat
1. 概述
曲轴是内燃机主要零部件之一，曲轴的疲劳强度对内燃机的工作性能和寿命有决定性的影响【1】。

某款1.5L 汽油机是由1.3L 汽油机通过增加行程改进而来。

由于行程增加，曲轴的重叠度减小为 3.6，根据设计经验该重叠度下曲轴材料应设计为42CrMo ，而实际材料却为QT800-2。

发动机全速全负荷试验中曲轴发生断裂，断裂位置发生在第五主轴承圆角处，如图1所示。

现有的曲轴疲劳试验【2】分别考虑弯曲应力和扭转应力对曲轴疲劳强度的影响，与发动机工作时曲轴实际受力情况不一致。

本文在曲轴弯曲疲劳试验基础上，对疲劳试验过程进行仿真模拟，标定疲劳计算模型,计算弯扭耦合状态下曲轴安全系数。

基于曲轴断口失效分析【3】，综合解决曲轴断裂失效问题。

2. 弯曲疲劳试验与仿真计算
2.1 弯曲疲劳试验
图2 主轴颈圆角安全系数分布
99.9%存活率 99.99%存活率
疲劳试验是评价曲轴疲劳强度的有效手段。

首先在谐振式曲轴疲劳试验台上对曲轴进行弯曲疲劳试验。

试验样品为成品曲轴上截取的单拐模型，在共振频率下循环1×107次，采用升降法，部分试验数据如表1所示。

通过表1数据可得，50%存活率下的疲劳极限弯矩M -1=625Nm 。

因为试验得到的是50%存活率下的疲劳极限弯矩，根据国家汽车行业标准QC/T637-2000【2】中规定，存活率为P 的疲劳极限值可按下式计算：
M -1(P%)=M -1-a×K×Sn -1
式中：a——对应概率为P 的单侧正态分布位值
K——与有效数据的对子数目有关的修正系数 Sn -1——对应M -1的标准差
通过公式计算可以得到各存活率下的疲劳极限弯矩： M -1(99.9%)=546Nm M -1(99.99%)=531Nm
根据上述标准规定的发动机曲轴名义工作弯矩的计算方法，得到曲轴名义工作弯矩M -1'=300Nm ，由此可计算出存活率为50%时的安全系数：
n50%=M -1/M -1'=2.08
存活率为99.9%时的安全系数： n99.9%=M -1(99.9%)/M -1'=1.82 存活率为99.99%时的安全系数： n99.99%=M -1(99.99%)/M -1'=1.77 2.2 弯曲疲劳仿真分析
为标定疲劳分析的影响参数，需要对曲轴弯曲疲劳试验过程进行仿真模拟，得到准确的边界，计算弯扭耦合状态下的曲轴疲劳强度。

图3 曲轴动力学计算模型
图4 发动机各转速下的缸压曲线
图2为弯曲载荷作用下的曲轴主轴颈圆角安全系数【3】。

通过调整计算模型，使仿真结果接近疲劳试验值，从而以该边界条件进行弯扭耦合疲劳强度分析，得到真实的安全系数分布，评估曲轴是否满足设计要求。

如表2所示，误差范围在6%以内。

其中疲劳试验值误差相对较大，试验采用升降法，共选取了六对曲拐做分析，有一定的随机性。

由于仿真计算仅考虑主要影响因素，故此计算模型可以用于曲轴弯扭疲劳强度计算。

3. 弯扭耦合疲劳仿真计算
弯曲疲劳试验仅考虑了曲轴工作过程中所受到的弯曲应力，没有考虑扭转应力对曲轴疲劳强度的影响，通过仿真手段可以很好地模拟曲轴在弯扭耦合状态下的疲劳强度，获得曲轴实际工作情况下真实的最小安全系数，可靠地判断是否满足设计要求。

如图3所示，首先通过A VL 曲轴多体动力学软件Excite PU 建立曲轴动力学模型，曲轴采用shaft modeler 模型，缸体采用Nastran 进行缩减，轴承连接采用Nonlinear 方式。

图5 主轴颈与曲柄销圆角比较系数分布
图6 6200rpm 工况下第八拐主轴颈圆角安全系数分布
载荷为试验测定缸压数据，如图4所示。

计算结果输出各转速下的载荷历程，计算各圆角安全系数，评估在弯扭耦合状态下是否满足设计要求。

如图5所示，经过弯扭耦合状态下的圆角比较系数计算，我们可以得出在6200rpm 下，曲轴第八拐主轴颈圆角比较系数最低，通过标定的疲劳模型计算第八拐主轴颈圆角安全系数即可了解曲轴疲劳强度是否满足要求。

通过标定的疲劳强度分析模型计算得到99.99%存活率下的安全系数为1.32，大于设计标准，因此该曲轴满足设计要求。

第八拐安全系数最小，属于整个结构最薄弱地方，如发生疲劳破坏，该区域最先断裂。

4. 曲轴断口失效分析
发动机试验中，除曲轴自身影响因素外（如设计、材质、加工等），试验台架对曲轴的影响最大。

其中测功机与发动机连接轴的对中问题影响最大，必须进行激光校准。

还有测功机的转动惯量也要和发动机匹配，转动惯量过大也会造成曲轴承受多余的旋转弯曲载荷，引起疲劳破坏。

通过断口分析可得，发动机曲轴硬度和金相组织都符合要求，曲柄与轴颈相交的圆弧过渡较好，没有严重应力集中。

在发动机全速全负荷试验中，曲轴存在运行不良现象；在曲轴断裂前，飞轮一端存在旋转弯曲载荷，使曲轴从断裂处滚压面与侧壁相交的位置产生疲劳裂纹，最后发生疲劳断裂。

初步判定是由试验台架引起的。

经检测，发动机与测功机连接轴没有对中，导致发动机运行过程承受较大的附加弯矩，最终引起曲轴断裂。

因此，该曲轴断裂是由台架安装不当引起的，与曲轴设计、材质、加工等无关。

重新安装台架并仔细检查，确保连接正确后开始试验。

目前该发动机已成功通过耐久试验。

5. 结论
根据曲轴弯曲疲劳的试验结果来标定疲劳分析的影响参数，再用标定的疲劳参数计算实际弯扭耦合状态下曲轴各拐的安全系数，可以获得更加准确的计算结果，可靠地指导设计工作。

发动机与测功机连接轴没有对中将恶化曲轴工作过程的受力情况，使其承受较大的附加弯矩并最终引起曲轴断裂。

因此，台架试验时要确保各连接准确可靠，避免发生非设计类的失效故障。

A VL曲轴动力学软件Excite PU可以很好的模拟曲轴在弯扭耦合情况下的受力情况，计算结果与实际吻合。

参考文献
[1] 杨连生. 内燃机设计[M]. 北京:国农业机械出版社,1981.
[2] QC/ T 637—2000 ,汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法[S].
[3] 李舜酩. 机械疲劳与可靠性设计[M]. 北京:科学出版社,2006.。