（车辆工程专业论文）4g10发动机曲轴动力学及疲劳强度分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o l i l li ti ii ii iii i iii ii ii y 1811017 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r d y n a m i c sa n d f a t i g u ea n a l y s i so f c r a n k s h a f tf o rt h e4 g 10e n g i n e s c h o o l d e p a r t m e n t ： s c h o o lo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g 一一 d i s c i p l i n e ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：x i a o d o n gh u a n g s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f a i m i nd u m a r c h ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：童礁 砂萨弓月夕日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 钏分 年多月， 日 摘要 摘要 随着内燃机的不断强化，曲轴作为受力最复杂的部件，其工作条件也愈加 苛刻，在周期性变化的动载荷作用下，其性能优劣将直接影响到发动机的可靠 性和寿命。因此，能够较准确地分析曲轴的动力特性、进行强度校核以及疲劳 寿命的评估显得极为重要。 本文以4 g 1 0 汽油机曲轴为主要研究对象，首先用u g 对活塞、连杆和曲轴 等零件进行了三维几何模型的建立，运用多体系统动力学软件m s c a d a m s 对 曲柄连杆机构进行了多刚体动力学仿真，得出了曲柄连杆机构的运动学和动力 学规律；随后用m s c p a t r a n 建立了曲轴的有限元模型，运用m s c n a s t r a n 对其进行了模态分析生成了用于曲柄连杆机构多柔体动力学分析的模态中性文 件，运用模态综合法得到了曲轴在实际工况下的应力状念和变形情况，并在 m s c f a t i g u e 中建立起曲轴的疲劳分析模型，分别对增压自矿后的曲轴进行了疲劳 强度分析，找出了曲轴工作时的危险部位，之后对影响曲轴疲劳强度的相关工 艺进行了比较；最后利用非线性有限元软件a b a q u s 建立了曲轴圆角滚压的仿真 模型，分析了在不同滚压力的作用下曲轴圆角残余应力的分布状念，对圆角滚 压工艺参数的选择具有一定的指导意义。 研究结果表明，利用虚拟样机技术，结合有限元分析手段可以完成发动机 曲轴的动力学响应分析，并进一步完成疲劳强度的分析，计算结果对于发动机 曲轴的改进设计、提高发动机设计水平及整机性能有着重要意义，是既经济又 有效的科学手段。 关键词：曲轴多体动力学，柔性体，模态综合法，疲劳强度，圆角滚压 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e ，a st 婶 m o s ti m p o r t a n ta n dc o m p l i c a t e dp a r t ，t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h ec r a n k s h a f ti s m o r er i g o r o u s e n d u r i n gp e r i o d i c a ld y n a m i cl o a d s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e c r a n k s h a f ti n f l u e n c et h er e l i a b i l i t ya n dt h el i f eo ft h ee n g i n ed i r e c t l y s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt op r e c i s e l ya n a l y z et h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o o f r e a dt h es t r e n g t h a n de v a l u a t et h el i f eo ft h ec r a n k s h a f t i nt h et e x tt h ec r a n k s h a f to ft h e4 g10 e n g i n ei sr e s e a r c h e d f i r s t l y , a t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fc r a n k s h a f t ，p i s t o na n dr o dw e r es e tu pb yu s i n gu g ，t h e n ad y n a m i cs i m u l m i o nf o rt h ec r a n ks y s t e mw a sm a d eb yu s i n gm u l t i - b o d yd y n a m i c s o f t w a r em s c ad a m s ，g o tt h er u l eo ft h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s s e c o n d l y , t h e f e mo ft h ec r a n k s h a f tw a sb u i l ti nm s c p a t r a n ，a n dr u nam o d ea n a l y s i s ，g o tt h e m n ff i l ef o rt h em u l t if l e x i b l eb o d ya n a l y s i s ，t h e ng o tt h es t a t eo fs t r e s sa n d d i s t o r t i o nb yu s i n gt h em o d es y n t h e s i sm e t h o d t h em o d e lf o rf a t i g u ea n a l y s i so ft h e c r a n k s h a f tw a sb u i l ti nm s c f a t i g u e ，g o tt h ef a t i g u er e s u l t sa f t e rt h ec a l c u l a t i o n ， f o u n dt h em o s tw e a k n e s sp l a c e ，a l s oc o m p a r e dt h es t r e n g t he f f e c ti nd i f f e r e n t t e c h n o l o g y l a s t l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d a lf o rc r a n k s h a f tr o l l i n gw a sb u i l t i n a b a q u sa c c o r d i n gt o t h ec r a n k s h a f tr o l l i n gm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , t h e na n a l y z e d t h er e s i d u a ls t r e s s e si nd i f f e r e n tr o l l i n gf o r c e ，w h i c hi su s e f u li nc h o o s i n gt h ef o r c e a n da l s oh e l pt ot h ea n a l y s i so ft h ec r a n k s h a f tf a t i g u el i f e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h er e s e a r c h ，u s i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , c o m i n gw i t h t h em e a n so ff e a ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e a n a l y s i so ft h ee n g i n e c r a n k s h a f tc a nb ed o n e ，a n da l s ot h ef a t i g u ea n a l y s i s t h er e s u l t sh a v eg r e a tm e a n i n g s ， s u c ha sa m e n d i n gt h ec r a n k s h a f t ，i m p r o v i n gt h ed e s i g nl e v e l ，o p t i m i z i n gt h ec h a r a c t e r o fe n g i n e g e n e r a l l y s p e a k i n g ，i ti sae c o n o m i c a l ，e f f e c t i v ea n ds c i e n t i f i cm e t h o d k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ，m u l t i - b o d yd y n a m i c s ，f l e x i b l eb o d y , m o d es y n t h e s i sm e t h o d ， s t r e n g t ho ff a t i g u e ，f i l l e tr o l l i n g i i 目录 目录 第1 章引言，1 1 1 论文选题的目的和意义1 1 2 曲轴疲劳强度的研究现状及发展1 1 2 1 疲劳的产生及其基本概念1 1 2 2 疲劳分析的理论基础2 1 2 3 曲轴疲劳强度的研究方法及现状9 1 2 4 曲轴强化a ：艺1 1 1 3 本文所作主要工作概述1 3 第2 章曲柄连杆机构多刚体动力学分析1 4 2 1 曲柄连杆机构运动学分析1 4 2 2 曲柄连杆机构动力学分析1 6 2 2 1 机构运动件的质革换算1 6 2 。2 2 简化后机构受力分析1 7 2 3 多刚体动力学仿真简介1 7 2 3 1 仿真分析软件a d a m s 1 8 2 3 2 多刚体动力学模型建立步骤2 0 2 4 曲柄连杆机构多刚体动力学仿真2 l 2 4 1曲柄连杆机构的三维模型2 2 2 4 2曲柄连杆机构多刚体动力学模型2 3 2 4 3曲柄连杆机构多刚体动力学仿真2 5 第3 章曲柄连杆机构多柔体动力学分析3 0 3 1 多柔体系统动力学基础理论3 0 3 1 1 柔体系统动力学方程3 0 目录 3 1 2a d a m s 中柔性体的处理方法3 2 3 1 3 柔性体动态应力的计算方法3 3 3 2 曲轴有限元模型3 4 3 2 1曲轴几何模型的简化及网格划分3 4 3 2 2 曲轴模态分析3 6 3 3 曲柄连杆机构多柔体动力学模型4 l 3 3 1曲轴模态中性文件4 1 3 3 2 多柔体动力学模型的建立4 2 3 4 仿真结果与分析4 3 3 4 1 增乐前曲轴的动力学响应4 3 3 4 2 增压后曲轴的动力学响应i 4 4 第4 章曲轴疲劳强度分析4 6 4 1m s c f a t i g u e 疲劳有限元分析软件简介4 6 4 1 1m s c f a t i g u e 的重要分析功能4 6 4 1 2 疲劳分析方法的选， j 原则4 7 4 1 3m s c f a t i g u e 疲劳分析过程4 9 4 1 4m s c f a t i g u e 的优点5 0 4 2 基于有限元的曲轴疲劳强度分析5 0 4 2 1 分析模型的建：芷5 0 4 2 2 增压前后曲轴疲劳强度的分析比较5 3 第5 章曲轴圆角滚压有限元分析5 9 5 1 圆角滚压的强化机理5 9 5 2 圆角滚压的工艺过程6 0 5 3 滚压工艺参数的选择6 0 5 4 有限元分析6 2 5 4 1圆角滚压有限元模型的建立6 2 5 4 2 结果分析6 7 i v 目录 第6 章结论与展望7 0 6 1 结论7 0 6 2 进一步工作的方向7 1 致谢：7 3 参考文献7 4 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 6 v 一 第1 章引言 第1 章引言 1 1 论文选题的目的和意义 曲轴是内燃机中最主要的运动部件之一，它的尺寸参数在很大程度上影响 着内燃机的尺寸和重量。内燃机的可靠性和使用寿命也主要取决于曲轴的性能。 内燃机工作时，曲轴承受着气缸内气体压力及往复和旋转惯性力引起的周 期性变化的载荷，因此曲轴处于复杂交变的弯曲应力和扭转应力的共同作用。 由于曲轴横断面沿轴线方向急剧变化，因而应力分布极不均匀，尤其在过渡圆 角处和油孔附近会产生严重的应力集中，因此在这些力的作用下，曲轴容易产 生疲劳破坏，在有些部位会发生疲劳断裂。从大量使用的内燃机主要零部件的 疲劳破损情况看，出现最多的有两种形式，一种是以连杆为例的压缩疲劳损坏； 另一种是以曲轴为例发生在主轴颈与连杆及连杆轴颈与曲柄过渡圆角处的拉伸 疲劳断裂。 因此对曲轴进行设计时，为了提高整体性能和可靠性，必须找出过渡圆角 处的应力集中部位，分析曲轴的整体疲劳强度及寿命，对其强度进行严格的考 核。且随着近年来对内燃机的动力性、可靠性的要求越来越高和内燃机缸内最 大燃烧压力的提高，使得曲轴的工作条件变得越来越复杂，因而对曲轴进行详 细的结构强度可靠性分析更具有必要性，并根据分析结果对零部件做出相应的 结构、材料或工艺改进。因此对曲轴的可靠性评估在内燃机的设计中具有重要 的意义。 1 2 曲轴疲劳强度的研究现状及发展 1 2 1 疲劳的产生及其基本概念 疲劳问题的产生可追溯到1 9 世纪初叶，产业革命以后，随着蒸汽机车和机 动运载工具的发展以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生，破坏 往往发生在零部件的截面突变处。破坏处的名义应力不高，低于强度极限或屈 第1 章引言 月殴极限。 1 8 3 9 年法国一个工程师j vp o n c e l e t 首先采用了“疲劳”这一述语，用来描 述材料在交变载荷下承载能力逐渐耗尽以致最终断裂的破坏现象。 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材料 的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷 下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。 疲劳和断裂是引起工程结构和构件失效的最主要原因，美国试验与材料协 会是这样定义疲劳的：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动 之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程， 称为疲劳。以后，英国人w j m r a nk i n e 在1 8 4 3 年了表了第一篇疲劳论文一关 于机车车辆疲劳破坏问题的论文。对疲劳现象首先进行系统研究的实验者是德 国人a ws h i e r 。于1 8 5 0 年设计出了第一台疲劳试验机( 亦称w o h l e 疲劳试验机) ， 用来进行机车车轴的疲劳试验。以后他研制出多种疲劳试验机，并首次使用会 属试样进行疲劳试验。他在1 8 7 1 年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环 应力的关系，提出了s - n 曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的 决定因素，奠定了金属疲劳的基础。 1 2 2 疲劳分析的理论基础 童 1 2 2 1 疲劳产生的机理 疲劳破坏的过程足：零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处，最弱 的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最 终导致疲劳断裂。所以，疲劳破坏经历了裂纹形成、裂纹稳定扩展和失稳扩展 三个阶段。所以分析疲劳产生的机理可以从以下两个方面来考虑： 1 疲劳裂纹形成机理 金属材料都是晶体结构，也就是说金属是由原子的有序排列组成的。大多 数结构用金属是多晶体，他们由大量的单个有序晶体或晶粒组成。每一个晶粒 都有它自己的特殊的力学性能、排列方式和方向特性。若有些晶粒的走向容易 产生滑移的平面正好与外加的最大剪应力方向一致，则在外载的作用下就会产 生滑移。滑移带是塑性应变的可见特征。滑移线一般总是出现在局部的高应力、 应变区，而结构和构件的大部分区域，即使在断裂时，也只有很小的滑移。而 2 第1 章引言 疲劳裂纹就是从这些滑移带开始的。 关于裂纹形成还有其他多种的解释机理和模型，都有它们各自的优点，而 且从实验中都可找到其理由。但其中没有一个能进行定量计算，以便表达内部 和外部参数对形成速率的影响。 2 裂纹扩展机理 裂纹向材料内部扩展一般分为两个阶段。裂纹在滑移带形成之后，其第一 阶段的扩展是在最大剪应力方向上。这一初始的扩展量是很小的，通常只有一 个晶粒或几个晶粒。阶段一在材料的全部疲劳寿命中占的比例在一个很宽的范 围内变化，短至1 0 ，长至9 0 。这个阶段的研究工作困难大，还很难定量描述。 第二阶段的裂纹扩展，宏观上看是沿垂直于最大正应变的方向上扩展，微观上 看则是不断变化着的，而且大多数的疲劳裂纹扩展都是穿晶的 1 1 。 高强度或脆性金属材料的疲劳滑移带不明显。微观裂纹常常在不连续处直 接形成，然后沿垂直于最大正应力的方向继续扩展。 1 2 2 2s - n 曲线及疲劳累积损伤理论 1 疲劳寿命曲线 。 对于材料、机器零件以及完整结构的基本疲劳强度的评价，人们一直应用 s - n 曲线。s - n 曲线确定的是应力幅仃。与到断裂的循环数，的关系。对低循环 疲劳，基于塑性应变幅的疲劳寿命曲线在工程中得到应用。对于带缺口的零件 的疲劳寿命估算则要求基于应力和基于塑性应变的两种材料疲劳性能曲线。曲 轴的疲劳属于高周疲劳，所以这里仪对s n 曲线作简单介绍。 光滑试件在对称循环下的轴向拉压试验获得的s - n 曲线，被认为是材料疲 劳性能的典型代表，属基本型。其他所有的s - n 曲线，如交变弯曲加载或在缺 口试件上获得的s - n 曲线，则反映了其他因数的影响，而不是材料最基本性能 的反映。s - n 曲线最常用应力控制加载试验来确定。 有几种方程可以近似描述s - n 曲线，最简单最可接受的一种是幂函数形式： i t 。= 盯：1 2 n ，广 ( 1 1 ) 2 疲劳累积损伤理论 在常幅载荷作用下，可以运用前述相应的曲线预计材料或构件的循环疲劳 3 第1 章引言 寿命。在实际工程中，结构材料往往受到复杂变幅疲劳载荷的作用。在这种复 杂疲劳载荷作用下，为了估计结构构件的疲劳寿命，只有相应的常幅疲劳寿命 曲线是远远不够的，例如某一构件，承受两个不同交变应力s 和s ，的作用，且 各作用n t 和，z ：次，利用s - n 曲线可以分别找出墨单独作用时的循环次数l 和s ： 单独作用时的最大循环次数，但是仍然不能确定墨和只同时作用的疲劳寿命 是多少。因此为了预计在复杂疲劳载荷作用下的疲劳寿命，除了上面介绍的曲 线外，还必须借助于所谓的“疲劳累积损伤”理论。 所谓损伤，是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹形成 和扩展。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的 损伤，每一个循环所造成的损伤为1 n ，这种损伤是可以累积的，n 次恒幅载荷 所造成的损伤为疗，当损伤累积到临界值时就发生疲劳破坏。不同研究者根 据他们对损伤累积方式的不同假设，提出了不同的疲劳累积损伤理论。到现在 为止，已提出的疲劳累积损伤理论不下几十种，归纳起来可以分为四大类：线 性疲劳累积损伤理论、双线性累积损伤理论、非线性累积损伤理论、其他累积 损伤理论。其中工程中用得较多的是m i n e r 法则和c o r t e n d g l a n 理论。 m i n e r 做如下假设：试样所吸收的能量达到极限值是产生破坏。从这一假设 出发，如破坏前可吸收的能量极限值为w ，试样破坏前的总循环数为n ，试样吸 收的能量与其循环数之问存在着f 比关系。 d ：亨旦：1 ( 1 2 ) i = 1nif 修f m i n e r 法则： d ：亨旦：口( 1 3 ) 葛1n i i - f c o r t e n d o l a n 理论认为在试样表面的许多地方可以出现损伤，损伤核的数目 m 由材料所承受的应力水平决定，在给定应力水平下所产生的疲劳损伤d 可用下 式表示： d = m r n 4 ( 1 4 ) m 一损伤核数目 r 一损伤系数 n 一应力循环次数 4 第1 章引言 对于不同的载荷历程，疲劳破坏的总损伤d 为一常数，有： 丝一 m “耵 ( 1 5 ) 1 2 2 3 疲劳载荷的处理 为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所 必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷 谱。由于实测的应力一时问历程的随机性、真实工作状态千变万化，以及为了分 析和实验方便，压缩试验时间，都必须通过处理和分析把实测应力一时间历程加 以简化，简化成能反映真实情况具有代表性的“典型载荷谱”。通常的作法是简 化成程序加载。所谓程序加载就是按一定程序施加不同循环次数的不同幅值的 载荷循环。 恒幅载荷作用下的疲劳寿命估算，可直接利用疲劳寿命曲线。变幅载荷下 的寿命预测，借助于m i n e r 理论也可以解决。对于随机载荷的处理，如果能将随 机载倚谱等效转换为变幅或恒幅载荷谱，则可以利用前述的方法分析疲劳问题。 将不规则的、随机的载荷一时间历程，转换成一系列循环的方法有很多，其 中最常用的是雨流计数法。它最初是由m a t s u i k i 和e n d o 等人考虑了材料应力一 应变形为而提出的一种计数方法。该方法考虑到应力应变问的非线性关系，把 应力统计分析的滞回线和疲劳损伤理论结合起来。而且应力一时问历程的每一部 分都参与计数，而且只计数一次，分为两个阶段：第一个阶段按雨流计数法则 取出若干个全循环，最后剩下一个发散一收敛型载衙一时间历程；第二个阶段是 把这个发散一收敛波进行改造，使之能使用雨流计数原则的收敛一发散波，并取 出剩余的全循环。雨流法的全部计数结果等于这两部分计数之和【2 】。如图1 1 所示，第一阶段就得到a b a ，d e d 。和g h g 三个全循环。 5 第1 章引言 图1 1 雨流计数法示意图 1 2 2 4 影响疲劳强度的主要因素 1 循环非对称性的影响 循环非对称性是指有平均应力或有平均应变的情况。平均应力对应力循环 疲劳寿命的影响，几十年来研究得非常多，但平均应变对应变控制疲劳寿命影 响的研究则比较少。一般来说，拉伸平均应力有不利影响；压缩平均应力则有 有利影响。 在给定寿命下，研究循环应力副和平均应力的关系，可得到如图1 2 所示的 结果，斜线就是古德曼线，而曲线就是杰柏抛物线，用关系式表示为： 古德曼： 玉+ 垒：1( 1 6 ) 一1 o b 杰柏： i o a + = 7 ， 仃一l盯6 l 利用上述关系，己知材料的极限强度和基本的s - n 曲线，即可估算出不同应 力比或平均应力下的疲劳性能。 6 第1 章引言 图1 2 等寿命图 2 应力集中的影响 应力集中对疲劳强度的影响极大，并且是各种影响因素中起主要作用的因 素，它大大降低了零构件的疲劳强度。大量疲劳破坏事故和试验研究都表明， 疲劳源总是出现在应力集中的地方。因此，在疲劳问题的研究中，应力集中的 影响是一个关键课题。与光滑元件比较，不同程度应力集中下的疲劳破坏表现 出各自的特征。应力集中降低疲劳强度的作用可以用疲劳缺口系数来表征。疲 劳缺口系数为光滑试样的疲劳极限与净截面尺寸及终加工方法相同的缺口试样 疲劳极限之比，即 k 。= 旦( 1 8 ) 。 仃一l 疲劳缺口系数主要取决于理沦应力集中系数，但还与材料性质、缺口型式、 缺口半径及缺口深度有关，不过理论应力集中系数的影响与比其他因素大。 3 尺寸影响 试样和零件的尺寸对其疲劳强度影响也很大。一般说来，零件和试样尺寸 增大时疲劳强度降低。这种疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象称为疲劳的 尺寸影响，即尺寸效应。产生尺寸效应的主要原因有：( 1 ) 材料的机械性能随 着材料断面的增大而降低，强度级别越高的合金钢这种现象越明显；( 2 ) 大尺 寸试件含有更多的疲劳损伤源，裂纹萌生的概率高，从而导致疲劳强度下降3 1 。 4 表面状况的影响 7 第1 章引言 疲劳裂纹源通常萌生于试件表面，这是因为外表面的应力水平往往较高， 外表面的缺陷也往往最多，另外，表面层材料的约束小，滑移带最易开动。因 此零部件的表面状况对其疲劳强度有着显著的影响，其影响程度用表面敏感系 数来表示，即某加工试样的疲劳强度与标准光滑试件的疲劳强度之比。 通常材料的疲劳强度或疲劳寿命是由标准光滑试件得到的，在用此数据估 算零部件的疲劳强度或疲劳寿命时，需做表面敏感系数的修正。表面状况包括 表面加工粗糙度、表面层的组织结构和表层应力状态。常用方法：表面渗碳、 渗氮、淬火、滚压、喷丸等【4 】。 1 2 2 5 疲劳设计方法 疲劳设计是用以处理动应力以及由此而产生的破坏方式的基本方法，采用 合理的疲劳设计是提高设计水平和产品质量的一个重要环节和必要保证。由于 疲劳破坏是现代工业设备最常见的一种破坏现象，所以除了考虑必要的静强度 外，最主要的是考虑疲劳强度，也就是说结构必须进行疲劳分析和按疲劳观点 进行设计。 在疲劳设计方面已经提出了四种疲劳设计方法，它们是：名义应力疲劳设 计法、局部应力应变分析法、损伤容限法、疲劳可靠性设计。 名义应力疲劳设计法是以名义应力为其本设计参数、以s - n 曲线为主要设 计依据的疲劳设计方法。这种疲劳设计方法是最早的疲劳设计方法，也称为常 规疲劳设计方法。根据使用寿命的不同，它又可分为无限寿命设计法和有限寿 命设计法( 安全寿命设计) 。无限寿命设计它要求零构件的设计应力低于其疲劳 极限，从而具有无限寿命，对于需要经历无限次循环( 大于1 0 “7 次) 的零构件， 如发动机气缸阀门没、顶杆、弹簧、长期频繁运动的轮轴等，无限寿命设计至 今仍是一种简单而合理的设计方法。但是无限寿命设计方法常常使设计的构件 过于笨重，为了充分的利用材料的承载能力，设计应力水平不断提高，疲劳设 计方法也从无限寿命设计进入到有限寿命设计阶段。有限寿命设计只保证零构 件在规定的使用期限内能安全使用，因此，它容许零构件的工作应力超过其疲 劳极限，从而减轻自重，它是当前许多机械产品的主导设计方法。有限寿命设 计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的分散性和其他未知因数的影响。 局部应力应变分析法是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算 方法，其基本设计参数为应力集中处的局部应力和局部应变。 8 第1 章引言 损伤容限设计方法是在断裂力学基础上发展起来的一种疲劳设计方法，其 设计思想与前面两种设计方法不同，它认为材料内具有缺陷或裂纹是不可免， 也不可怕的，只要正确估算其剩余寿命，采取适当的断裂控制措施，确保零件 在使用期限内能安全工作，则这样的缺陷是允许的。首先假定零构件内存在初 始裂纹，应用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并通过实验来校验，确保在试 用期( 或检修期) 内裂纹不致扩展到引起破坏的程度，从而有裂纹的零构件在 其使用期内能够安全使用。它适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧性高的材料【5 】。 疲劳可靠性设计是概率统计方法与疲劳设计方法相结合的产物，也称为概 率疲劳设计。它考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据的分散性，可 以把破坏概率限制在一定范围内【6 】1 7 。 常规疲劳设计法算出的是总寿命，局部应力应变法算出的是裂纹形成寿命， 损伤容限设计算出的是裂纹扩展寿命。裂纹形成寿命与裂纹扩展寿命之和等于 总寿命。 上述各种疲劳设计方法，反映了疲劳断裂研究的发展和进步。但是由于疲 劳问题十分复杂，影响因数多，使用条件和坏境差别大，各种方法不能相互替 代，而是相互补充的。不同构件不同使用情况，应当采用不同的方法。 疲劳设计法在零件尚未制造出来之前，可以利用计算方法预估零件的疲劳 强度和寿命，在初步设计阶段有着重要作用。但它无法考虑各种影响因素之间 的相互干涉作用，对于批量大的重要零件，为了精确确定其疲劳强度和疲劳寿 命，往往还要进行验证性疲劳试验，因此模拟零件服役载荷条件的全尺寸模型 模拟疲劳试验发展很快。电子计算机控制的电液伺服疲劳试验装置的出现和发 展，给这种试验创造了条件。此外，为了找出破坏事故的原因和进一步提高零 件的疲劳强度，疲劳失效分析工作提到了很快的发展，对各种提高零件疲劳强 度的方法，特别是冷作强化方法进行了很多研究，许多方法成效卓著，已经在 生产中广泛使用。 1 2 3 曲轴疲劳强度的研究方法及现状 1 2 3 1 研究方法 确定曲轴应力和疲劳强度的方法有两种：实验研究和模拟计算。由于实验 研究需要花费大量的时间和费用，而且试验是在一根曲轴上进行，也不能说明 9 第1 章引言 整批曲轴的应力和强度，所以，试验研究应用的比较少。目前，模拟分析计算 的应用比较普遍，其计算的思想是：首先建立合理的计算模型，然后施加接近 于实际的边界条件，在进行计算，从而求出曲轴受力的危险部位的应力幅和平 均应力，最后在此基础上进行疲劳强度的计算。 现在常用的解析计算方法有截断简支梁法、连续梁法等，为了在设计曲轴- 时作为初步强度校核，选用这两种方法计算圆角处最大应力的办法是可行的。 但这样的计算也是初步的，因为曲轴的强度往往还和最大应力处附近的应力梯 度有关，即需要知道曲轴的应力场，但是以上所述的这些计算方法都给不出这 方面的数据。 目前常用的数值计算方法有边界元法、有限差分法、有限元法等。在这些 数值方法中，有限元法是运用最为成功、最为广泛的方法。它运用离散概念， 把弹性连续体划分为一个由若干有限单元组成的集合体，通过单元分析和组合， 得到一组联立代数方程，最后求得数值解。其主要优点是：能比较准确的描述零 件的实际形状，约束条件和受力特征；能用于范围极其广泛的连续介质的场问 题( 包括稳定的和非稳定的温度场，应力应变场等) ，而且解题的基本步骤又是 相同的。因此有限元法可作为各种类型曲轴强度计算的通用方法，计算精度要 比解析算法高。 采用有限元方法进行疲劳寿命计算需要知道载荷的变化历程、结构的几何 参数以及有关的材料性能参数或曲线。用有限元计算疲劳寿命通常分为两步： 第一步是根据载荷和几何结构计算应力应变响应，计算这样一个动态响应是有 限元的主要任务；第二步根据所获得的应力应变响应，结合材料性能参数，应 用相应的疲劳损伤模型进行寿命计算。显然，疲劳寿命的理论预测精度既依赖 于应力应变响应的正确模拟，也依赖于损伤模型的合理利用。 1 2 3 2 国内外研究现状 五十多年来，有限元法的应用领域己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、 板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对 象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等；从固体力学扩展到 流体力学、传热学、电磁问题等连续介质领域。随着有限元技术的不断发展和 广泛应用，有限元软件也层出不穷，现在估计著名的有限元软件有几十种，常 用的有：s a p 、a n s y s 、a d i n a 、n a s t r a n 、i - d e a s 等。 1 0 第1 章引言 目自i 国内利用有限元法进行曲轴强度分析的工作也取得了许多有用的成 果，如用有限元程序对曲轴进行了强度校核，计算了疲劳安全系数；对柴油机 曲轴进行了有限元强度分析，提出了连续梁法和有限元法结合的新方法；文研 究曲轴的各种结构参数变化引起的曲轴弯曲应力，得出了对应的关系曲线；对 曲轴圆角形状的优化用有限元方法进行了研究；对曲轴用有限元法进行了模态 分析，这些工作都对有限元法在曲轴强度研究中的应用起到了推动作用。虽然 如此，但国内的研究还是相对滞后，目前国内研究者也对曲轴的模态进行分析， 进而分析曲轴的动力响应，但经常采用梁单元来对曲轴模拟，而不是用三维曲 轴进行建模，因此，一定会带来计算上的误差，即使有人用三维有限元建模， 但进入到疲劳分析的文章则很少【8 】。 而关于曲轴的疲劳强度国外的研究则相对深入，美国通用汽车研发实验室 的z p m o u r e l a t o s 提出了c r a n k s h a f ts y s t e mm o d e l ( c r a n k s y m ) 系统模型理论来 分析内燃机曲轴，他将曲轴结构动念特性、主轴承流体动力润滑特性、机体刚 度藕合，基于有限元的方法用二级动态子系统技术来预测曲轴动力响应。同本 本用汽车技术部采用有限元法，在曲轴不同的运转速度下，分别从静态、动态 两种情况对计算值和实验值进行了比较分析。 但目前也还存在一些尚未解决的问题。为了提高曲轴强度计算的精度，需 要进一步发展疲劳强度计算理论和方法来作为指导。近年来，基于断裂力学和 可靠性分析的强度理论得到了发展和应用。断裂力学是在承认零件具有微小裂 纹等缺陷的基础上研究零件的承载能力与材料特性和裂纹尺寸之间的关系，得 出安全判据。可靠性分析应用数理统计方法评估零件的安全强度和寿命。目前 这两种方法虽然在曲轴疲劳强度计算中获得了一些应用，但是它们还需要进一 步的完善。类似丰田公司的应力集中系数专家系统的研制，也代表了未来曲轴 强度计算的一个发展方向。 而对于曲轴的疲劳强度来说，除疲劳理论外本身还有很多需要解决的问题， 如边界条件还难于确切设定，实际上存在的制造公差、材料、工艺条件及使用 条件的变化还难以完全考虑；有些问题如腐蚀、磨损及瞬态变化目前还无法计 算，这些将成为以后曲轴疲劳强度研究的重点。 1 2 4 曲轴强化工艺 第1 章引言 目前在国内外曲轴强化常见的工艺大致有以下五种： 1 氮化：氮化是一种在轴颈圆角处引入残余压应力的强化手段。曲轴的整 体氮化不仅提高曲轴弯曲疲劳强度，又增加了轴颈耐磨性。氮化对球铁轴和钢 轴均适用，而钢轴优于球铁曲轴，是我国长期以来在曲轴上较广泛采用的强化 措施。氮化主要有液体氮化、气体氮化和离子氮化。氮化的强化效果随氮化层 厚度、硬度等不同而异。一般随氮化层厚度的增加而强化效果提高，但相应的 氮化时间也加长，这就要根据需要在性价比上做出抉择。 2 喷丸：圆角喷丸是通过喷丸在曲轴圆角表面形成压应力而提高曲轴疲劳 强度。其强化效果由喷丸参数决定。因喷丸时须保护轴颈表面，故采用较少。 3 圆角与轴颈同时感应淬火：圆角淬火是通过改变材料显微组织和提高表 层硬度，在圆角处形成残余压应力场而提高曲轴强度。圆角和轴颈同时进行感 应淬火即可提高曲轴强度又可提高耐磨性。但强化方式应注意淬硬层深度要适 当和因材料对缺口的敏感性而引发的加工缺陷产生的危害。 4 圆角滚压：圆角滚压的强化效果主要取决于滚压参数，同时与材料的剪 切屈服强度和变形能力相关。圆角滚压工艺除强化效果显著外还具有以下的优 点：加工成本低、可使用强度较低的材料、加工时间短( 2 分钟根) 、工艺简单、 设备价格低。目前国内只有少数厂家实现了曲轴圆角滚压强化工艺。 5 复合强化：就是应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，例如曲轴圆角 滚压加轴颈淬火等。氮化+ 圆角滚压复合强化表面上看可有两种工艺安排。一 是先滚压后氮化，二是先氮化后滚压。先滚压后氮化虽然可以通过磨削消除因 滚压在轴颈上产生的波痕，但由于氮化温度超过5 0 0 ，滚压所产生的强化将减 弱甚至消失殆尽而不可取。因而实际只能是先氮化后滚压，才能保持二者的强 化效果。先氮化后滚压复合强化，实质上是通过表面氮化适当提高曲轴表层材 料的硬度以后，再进行圆角滚压进一步提高圆角处表面的压应力值，从而获得 比单一强化更高的疲劳强度的强化方法。这一复合强化的效果将取决于两种强 化方式的相互作用的结果。其最佳效果将取决于氮化和圆角滚压的设计要求及 工艺参数的选择合理，达到最佳匹配。 表1 1 各种j l 艺强化效果比较 氮化 喷丸 感应淬火 圆角滚压 球铁曲轴 2 0 一6 0 2 0 一4 0 2 0 l2 0 - 3 0 0 钢轴 2 0 一6 0 2 0 一4 0 8 0 以上 7 0 一1 5 0 1 2 第1 章引言 根据以上叙述，可见圆角滚压对提高曲轴疲劳强度有显著作用，备受各曲 轴生产厂家的青睐。目前，汽车曲轴以及工程机械用发动机曲轴越来越多地采 用圆角滚压强化工艺，国外曲轴几乎全部采用圆角滚压工艺，尤其在中小功率 内燃机及轿车发动机曲轴上使用更加普遍。曲轴圆角滚压强化工艺已成为提高 产品竞争力的重要手段。 1 3 本文所做主要工作概述 本文以某公司的4 g 1 0 汽油机曲轴为研究对象，运用多体动力学和有限元理 论方法对其进行应力分析，并对其进行疲劳强度的分析；针对该汽油机需要改 为涡轮增压的要求，对增压后其曲轴的疲劳强度进行分析，并考虑曲轴的各种 强化工艺措施对其疲劳强度的影响，着重对圆角滚压强化工艺进行了有限元分 析。本文的主要工作有： 1 建立曲轴、连杆、活塞等零件的三维几何模型，并在a d a m s 中按其工 作特性建立起相互连接关系，进行曲轴的多刚体动力学分析； 2 在p a t r a n 中建立曲轴的有限元模型，进行曲轴的模态分析并生成模态 中性文件，在a d a m s 中建立起曲柄连杆机构多柔体动力学模型，分析得到曲 轴的应力分布同时生成用于疲劳分析的载荷输入文件； 3 运用前面建立的有限元模型和计算得到的载荷输入文件，在f a t i g u e 中 建立起曲轴的疲劳模型，分析曲轴增压前后的疲劳强度； 4 针对f j i 述疲劳分析得到的曲轴应力集中和疲劳薄弱部位建立起其单拐模 型，进行圆角滚压的数值模拟，分析滚压之后所形成的残余应力分布，并依据 该结果对其在改善曲轴疲劳强度方面所起的作用进行分析。 1 3 杆机 匀程 动力 供必 或旋 摩擦 阻力 曲轴 第2 章曲柄连杆机构多刚体动力学分析 z 连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离； r 一曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离； 口一曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度； 一连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度； 国一曲轴旋转角速度； x 一活塞位移，指活塞由上止点丌始向下止点运动的距离。 活塞在气体爆发压力作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲 轴的旋转运动。在曲柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为 曲轴作匀速旋转运动，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角的 函数。 活塞位移x x = p + ，) 一p c o