基于现代试验技术的小排量发动机曲轴疲劳强度的试验研究

作者:朱正德 刊名:汽车技术 上传者:李敏

【摘要】针对小排量发动机曲轴发生扭转疲劳破坏性增大的现象,引入带有高性能软件的曲轴疲劳试验机,在对获取的测试信息及时处理后,用失效概率这一评估指标替代传统安全系数以做出评估。为适应轻量化趋势,小型曲轴在材料、结构和工艺三要素上有所改进,通过试验研究对其进行验证。结果表明,有效提升了曲轴疲劳强度试验的可靠性。

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1试验对象和试验准备1.1试验对象曲轴作为发动机的主要运动部件,对整机的性能和可靠性有很大影响,因此需要对曲轴的疲劳性能进行试验和验证。长期以来,业界在“曲轴最主要的失效形式为弯曲疲劳破坏”这一点上已形成共识,故而即使对批量最大的乘用车发动机曲轴,也只进行弯曲疲劳试验这一项。然而随着发动机输出功率的变大,尤其是小排量高性能发动机曲轴承受的扭矩也在不断增大,此时的扭转疲劳破坏已逐渐成为曲轴主要的失效形式。同时,2016年国家颁布JB/T126622016《内燃机曲轴扭转疲劳试验方法》。以EA111和EA211系列小排量发动机作为试验对象进行曲轴疲劳强度的试验研究。图1为两种系列发动机曲轴结构对比,其中EA211的曲轴经结构优化后质量降低30%。表1为两个系列8种发动机曲轴概况,表2为主要机型曲轴传递动力概况。图1两种系列代表性机型的曲轴结构比较可见,经过工艺改进和零部件结构优化后的EA211系列发动机的动力性获得了很大提升。新系列的曲轴看似纤细、刚性差,然而所传递的功率和扭矩较EA111高。虽然在采用圆角感应淬火的强化工艺后,工件最薄减少平衡扇板数量,从8块扇板减少为4块增加4处去重孔(a)EA111-1.6L曲轴(b)EA211-1.6L轻量化曲轴 弱且危险的圆角部位强度会提高,但仍有必要对曲轴弯曲、扭转疲劳强度的性能试验予以验证。表1EA111和EA211曲轴的基本情况表2EA111和EA211主要机型曲轴传递动力概况1.2基于现代试验技术的试验准备试验机是SincoTec公司的曲轴疲劳试验机(见图2),属于电磁激振式原理的试验机,其控制单元以工控计算机为核心,并配备疲劳统计分析与评估软件,功能丰富。所配置的应用软件Labmotion是专用的疲劳统计分析及评估软件,其可以方便地对疲劳测试后获得的数据,在经过不同的中间处理后,再按用户的需要进行各种评估并出具相应的试验报告。(a)曲轴弯曲疲劳试验机(b)曲轴扭转疲劳试验机图2SincoTec试验机在曲轴疲劳试验的试样准备阶段需要注意:必须在同一批经稳定的工艺过程生产出来,并经质量检验后确认为合格的零件中进行随机抽样;无论进行曲轴弯曲或扭转疲劳试验,所需的样本数均为8件。图3为从一根曲轴上切割1、3挡曲拐将其作为弯曲疲劳试验试样的情况,另一根工件切割2、4挡,如此进行两次,共需4根曲轴,完成全套试验共需8根曲轴。而进行扭转疲劳试验时,则需要采用一根完整的工件,故此时需要8根合格的曲轴。2传统曲轴疲劳试验方法的实施要点2.1传统方法的局限性国内汽车厂在进行曲轴疲劳试验时,一般采用传统的“配对升降法”。以出现相反试验结果的一对数(Si和Si+1)构成随机抽样的单一个体Sti,取(1)式中Si和Si+1分别在出现相反结果的相邻两级试验载荷。图3弯曲疲劳试验1、3挡曲拐切割示意Sti=Si+Si+12(i=1,2,3……,n)(1)在50%存活率下的曲轴疲劳极限为:T=????i=1nStin(2)设置循环基数N0=107。利用升降法进行疲劳试验时,需要大部分载荷都在疲劳极限水平附近,而当试样本身的强度分散性较小时,一般至少需要12~15个试样才能完成一组试验,所获得的工件疲劳极限的统计特性较精确。但是当其分散性较大时,即使增加试样数量,试验结果的准确性也会严重下降,其对样本分散性的容忍度较差。此外,该方法是以相反试验结果配成对子,所获得的Sti带有一定的猜测。2.2按测试结果求得的两项评估指标[1]国内多数企业在实施曲轴疲劳试验时,均遵循QC/T6372000和JB/T126622016两个标准,在考察测

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