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连杆
剥落
调查
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连杆的剥落调查,连杆,剥落,调查
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连杆的 剥落 调查 , K. C. 要 汽车用户向我们反映了发动机在其整体使用寿命的早期阶段会产生高噪声和振动。随后我们发表了一个关于汽车发动机零部件的调查报告。随着发动机的使用我们可以在活塞销、轴瓦以及连杆大头的表面看到许多裂缝和凹坑。事实证明，这些组件接口的高磨损是产生这写裂纹和凹坑的罪魁祸首。随后我们设计了一套实验装置对这些故障进行分析研究。我们将从实验中获得的载荷和其他边界条件等用在了连杆的有限元建模中 。结果表明，高的界面压强和压力位于连杆的腹板和翼缘附近。对于连杆的调整设计显示在极端压力下 展现出的耐力，这已经在实验中得到了证明。关于剥落问题的讨论提供了压力和剥落现象的关系。 关键词 :连杆 、 剥落 、 磨损 、 有限元模型 、 接触压力 一、背景意义 发动机是汽车的主要动力装置之一。发动机机可以通过活塞的往复运动将燃料燃烧的化学能转换成机械能 1 。连杆将活塞的往复运动转换为曲轴的回转运动。连杆经历各种力量的加速和减速运动活塞行程，负载由摩擦产生的气缸压力在燃烧冲程 2,3所产生的荷载。在正常的操作条件 下，对于无限循环连杆的实际是基于设计出来的连杆在其使用寿命中，没有超过其设计强度那一部分力，然而，当顾客使用发动机过载，发动机上被加了一个更大的推动冲程，增加了援助压力也应为这样造成了更高的某孙。灾难性的发动机故障是因与早期没有发现的小故障（ 4本文中我们报道了连杆的故障与可以看见的断裂带来的凹痕，这些都是在摩托车引擎上观察到的。 图 1 中所展示的是曲轴，连杆的大头是与曲轴相连的，为了减少莫擦，滚动轴承被用于曲柄销与连杆之间，滚动轴承拥有非传统的接触面（造成线接触或点接触）这些接触面支撑了曲轴上的移动 部分，通过结合处的旋转运动，在接触面间的一层油膜防止了金属与金属的直接接触，摩托车发动机的使用里程数为 5 万公里，然而在平均一万五千公里的使用里程后顾客们报告了这些零部件的故障，连杆的故障样本与滚动轴承在图 2 中被展示，连杆上刮痕与粗糙的磨损曲柄销以及曲柄销都可以通过裸眼看到，这种故障通常都被认为是疲劳剥落，疲劳剥落造成了零件表面的深度这种深度是通过下表面压力靠近接触面所造成的。这种深度之后便形成了微型剥落甚至断裂当这些无处于弹性的表面时材料便会断裂，在最高负载的区域与油膜最厚的区域，油膜的爆裂就会发生。 关 于故障有趣而又令人困惑的是，在连杆 1 轴的旁边可以看到高的磨损（图 2c）。由发动机发出的噪音级别会变的非常高，当故障发生的时候。在本文中，这些导致连杆疲劳剥落的因素被深入的调查。 图 1、用 计的曲轴来展现各部分零部件 二、初步动作和实验室测试的发展 觉检查 对于故障零部件的近距离检查揭示了一下故障类型（见图 3）：表面缺陷如毛刺，表面凹痕，销凹痕，以及在活上观察到的小洞（见图 3）展示了作为压力集中区域的活塞销表面的破坏痕迹。 相似的毛刺与深的机床痕迹记在油孔的附近（图 3b）。这些故障将会在 滚动接触现象发生时提高压力。这些观测表明了外表面的损坏如：硬质颗粒、剥落的碎屑、还有那些可能进入到滑动区域的薄片。硬质颗粒会造成磨损伤害，这些伤害会对柔软的材料造成凹陷与刻痕。经过测量后这些小洞的平均深度大约为 25 微米。在发动机工作状态下观测到这种数量级故障几乎是不可能的。因此，造成故障的不同的可能的原因被证实。 可能的原因可以有很多；一些重要的因素可能是取决于： _连杆和活塞销的硬度。 _连杆对于活塞销轴承的间隙超过规定限额。 _关键部位的高压力。 _对于连杆的设计。 _滑动接触面的润滑油不足。 在我们调 查这些故障之前一个实验室的测试方法被开发出来，而且在现场所观察到的故障会被首先模拟出来。 验室测试的发展 在真实环境下的耐久度测试是费时的。为了减少测试时间连杆的剥落故障已经在一台发动机上被模拟出来了。这种可控制的测试方法是建立在四象限矩阵的基础上。该方法基本上联系起了在现场测试平均故障时间和实验室测试平均无故障时间系。系统零部件的所有故障类型都被识别了而且将故障类型与零部件联系了起来。在实验室测试中，汽车是由发动机驱动的而且运行周期（如图 4 所示）与指定的发动机操作条件（如发动机油量负载）有关。汽车的加速和减速的时间段构成了一个周期。需要指出的是：减速的时间比加速的时间少。在A 点的发动及速度是 20 公里 /小时在 B 点发动机速度是 60 公里 /h。 间段为 18 秒 间段为 6 秒。发动机的操作条件是基于真实的耐久性试验条件决定。发动机所发出的噪音是可监控的。正常的发动机在测试开始的时候会发出范围为 70 75 分贝的噪音。 上运行的发电机和遵循标准的运行周期与指定的发动机操作条件（如汽车，发动机油量负载）。车辆的加速和减速的时间构成一个周期。请注意，减速时间比加速时间。发动机转速在 A 点和 B 是和。交流的时间 是 18 秒和 6 秒 发动机操作。从发动机辐射噪声监测。正常的发动机（测试开始时）辐射噪声在 70 的范围内 75 分贝。当噪音等级上升到 90 分贝发动机将会停止工作，部件将会被拆除，连杆与销也会被检查。在一个如此高的噪音等级里高的发动机振动也会被注意到。同样的故障（参见图 2）在约 20000 次循环试验也被模拟出来。相同的过程也在其他发动机试验上的到了证实。 图 2。（ a）滚子轴承剥落、（ b）活塞销剥落和（ c）连杆剥落 艺改进 表面缺陷如图 3 中看到的将作为应力集中表现在在活塞销和连杆表面，表面的磨损因此开始这将缩短组件的寿命。加工过程中，对清洗工艺和材料处理工艺进行了改进，可以避免在曲轴轴颈和连杆的表面缺陷。然而，在现实生活中这种缺陷并没有明显的改善。 图 3。（ a）轴颈表面磨损和（ b）油孔附近的表面缺陷 图 4。实验室测试所展示的发动机运行周期。 料的改进 材料硬化的深度的测量改进如图 5 所示。硬度 800 以下的高压，在材料表面附近它始终在低 米的陡峭的变化在深度的材料的深度。热处理和材料检测控制供应商的工艺进行了改进。硬化深度增加整个不陡变厚度。 杆曲柄销间隙。 在失败的样 品中我们发现连杆和轴承之间的间隙不按规范。测量出的间隙为 15 微米。高间隙的活塞销可以浮动，增加磨损率。加工过程为提高匹配的准确设计规范。新设计的清理规范控制在 12 微米之内。 图 5。连杆工艺改进前后深度与硬度变化规律。 表 1 有限元建模中的接触参数。 接触类型 面对面（刚性柔性接触） 接触元素 174 目标元素 170 接触检测点 高斯点 接触算法 增广拉格朗日 初始穿透 10始穿透效应 包括偏移只（不包括初始几何渗透或间隙）与倾斜的影响 接触刚度 。（ a）连杆的有限元建模和与（ b）压力和惯性力在发动机工作过程中的变化 柄销和滚子轴承直径 赫兹接触理论解释了两个表面之间的接触压力的圆柱形滚动开发成反比的滚动表面的接触长度和直径。在接口的高压力可以导致的磨损材料。式（ 1）表明，滚子参数之间的关系和接触面间的压力之间的关系。两个滚子表面之间的最大压力是由于摩擦导致的，其中，下标 1 和 2 分别表示第一和第二气缸， F 是正常负荷； R 为气缸直径； E 是弹性模量； V 是泊松比， l 是在两个气缸接触长度。请 注意增加两个配合气缸之间的压力参并且减小最大的压力。 (1) 图 7。连杆的有限元模型（ a）接触区的压力分布和（ b） 力 减少压力，曲柄销和滚子轴承的直径从 25 毫米增加到 26 毫米，设计间隙保持在 3 4毫米。根据赫兹接触理论这增加辊直径 14%，增加接触直径，这反过来会降低接口处压力 14%。经过初步检查，改进后的曲轴装配在发动机上进行耐久性试验时类似的连杆和曲柄销剥落失效。 三、非线性有限元分析 限元建模 一个简化的非线性接触模型描述了连杆之间的接触模 式利用 塞销。刚柔性表面接触力学的应用。由于连杆硬度不仅仅是指连杆轴颈，连杆表面被视为柔性表面和活塞销刚性表面。连杆大头的内表面和外表面之间的相交面。有限元接触片包括接触和目标表面；连杆大头的内表面被认为是作为接触元素（ 174）与曲柄销的外表面为目标元素（ 170）。表1 显示模型的其他参数值。连杆被二阶固体 92 元素啮合。图 6A 显示有限元模型载荷和边界条件。曲柄销是刚性体被建模。连接杆的小头侧约束侧向和横向方向来避免刚体运动。连杆从气缸得到压力（实验）和惯性力。图 6b 显示了气缸压力的变化规律以及惯性力 通过连杆时的变化曲线。该模型没有考虑到材料的热变效应。 限元分析结果 图 7a 显示接触压力分布的连杆和曲柄销的现有设计的关系。压力分布是局部的，可以看到附近的连杆的工字形截面。最大接触压力为 错过的应力分布显示， 最大值分布相似（图 7B）。有趣的是，压力和应力高的区域是靠近法兰和大头凹槽的截面处。这些位置剥落率高（见图 3c）。一种解释结果表明，（ a）在发动机最大负载情况，两个中央滚子轴承导致高的局部压力和（ b）高的局部接触压力会降低润滑油膜的厚度和最终导致凹 凸的相互作用会导致的疲劳寿命的降低。 在装配界面产生高的局部压力和应力可能不会引起曲轴的灾难性故障。然而，这有可能会成为一个加速磨损的接口，因此随之而来的材料使用寿命低。连杆的进一步的修改设计应减少界面高的接触压力和应力。采用有限元分析对连杆各部分进行修改设计，如图 8 所示。设计 1 到设计 4 已经逐渐注意到凹槽和法兰的设计。这样的配置文件预计将减少在滚子轴承和连杆接口连接杆的有效刚度。大头凹槽面积的设计比原来增加了。相同的有限元模型可以用于析。图 9A 显示在接触斑区的压力轮廓。注意以下几点：（ a）接触斑面积增加与原 设计相比。因此，最大压力降到 少 34%从最初的设计（见表 2），（ b）可以从轮廓认为在一个给定的时间瞬间，至少四滚子轴承可以分享的最大负荷。最大 力的大小（图 9b）也减少了 192 到减少 16%。图 10 显示了无量纲位移即弹性应变在四设计（见图 8）在失败的位置观察。在设计 2 的弹性应变， 3 和 4 分别为 的弹性应变的设计 1。在设计 4 较高的变形是由于刚度降低，表现在界面的压力显着减少。值得注意的是，如何进一步集中变形设计 1 已经蔓延到 4 个大区的设计。连接杆 的最终的设计通过了耐久性寿命在实验室的测试目标。 图 8。四种不同的连杆设计。注意最后的凹槽设计与前三个的不同 图 9、对于连杆的有限元设计的最终的设计结果展示了（ a）接触区的压力轮廓和（ b） 表 2 在连杆和曲柄销之间的接口的最大压力和应力的大小。 参数 原设计（ 新设计（ 变化率（ %） 最大接触压力 大 力 图 10。弹性应变轮廓 四、讨论 经过 调查故障是一种由表面疲劳造成的现象，这种疲劳来自于高度集中的界面压力。滚子轴承在弹流润滑制度，赫兹接触或滚子轴承与连杆之间点接触产生了极高的压力，并因此造成表面局部弹性变形提供小椭圆接触区。可重复性与循环行这些弹性变形接触的组成最终产生表面疲劳（见图 2）。滚子轴承浮在水膜的发展趋势将减少过度的界面压力下，粘性阻力将不再能够吸引足够的量油负荷。产生的热量，由于在界面上的粘性耗散会进一步加剧的问题。轴承表面可达到一定温度时，材料会局部熔化。 需要指出的是在受剪承载热通量产生的粘性是在轴承压力场的比例表面。因此， 温度的升高可以近似由， （ 2） 在这里，是气温上升， P 是压力，是填充率，是密度和 C 是热容量。在这两个连杆的设计中（参见图 8），假设分母是相同的，最终的轴承设计表面温度的减少将约 见表 2）并低于原设计，这种减少是巨大的。事实上，每 10 C 温度增加油寿命减少 50%的光。如果轴承表面继续在长期高负荷和转速下运行，润滑油氧化可能击穿高温。这将极细颗粒是从滚动解放和最后的舞台进入负荷区。进一步的表面陨石坑将被创建，将 作为应力集中部位（见图 3）。不同区域的压力尖峰在连杆的原始设计看到（图 7）将导致到边界润滑制度（金属对金属的接触）如前所述触发剥落现象。虽然作为先前描述的帮助改善组件生命最初的行动，这是在连接的设计变化杆，所需的生活明显改善。这证实了这样的事实：部件的耐久性寿命经历了交变力通过适当的设计大大改善。 连接杆的形状变化（图 8b）有助于减少极端的界面压力（图 9）。共享的表面更有效载荷的参与（图 10）将减少椭圆接触区的形成，因此提高了润滑。在发动机被滥用或发动的一个显着的可能的方案的时间跨度，这样的设计将提供增强 的生活相关的部件是剥落现象时占主导地位。本设计的连杆的四个样品进行了测试，在实验室条件下，相同的操作通过所要求的耐久性寿命。即使在 50000 公里的连续观察无异常噪声和振动运行的发动机。 五、结论 连杆的剥落，活塞销以及滚动轴承这三者造成了高的接触面压力，这种压力会随着连杆大端凹槽的创新设计而进步，共享负载的接触面降职使用来有效的进行恒定速率的滚动。高压是由于早期零件故障所导致的表面疲劳剥落。修正后的设计提供了一个显著的压力降，这发生在接触区域。也正因如此大大提高了连杆的持久度。 in EM in of an 5,000 km 0,000 of is 2. on be of is as in of by to - 211 2011 R&D ( P. o. 4, 35 109, +914344 276780+914344270502 ( +91 4344 9 (2012) 7786of it to a if of 47we of to of is 1. of is to a To is or at 8. An of in in of by of in A of to of 011 IC of 1. of by 2,3. of is on of K. C. 35 109, 8 011in 0112 0118 011of in at an of An of of in of It at of A to in of of of . et 9 (2012) 77of of 3):on 3a on 9. It to in of or 10. a in of 8of is is of 2c). to be In to of in 1. of as a 11,123b). as a 8or to of at 5It is to of of be be 15 of to is at of of at we a in is To on an on et 9 (2012) 7786 79 13. to in in of on as 4) on of a is to at 0 km/h 0 km/h C 8 s D s. on at of in 075 0 of At of 2) at 0,000 in as 3 as a of at of 2. a) a) b) 0 S. et 9 (2012) 7786(b)(a)to on no in of as 5. 00 HV it .3 mm of to as 5of 8. to 2 3. (a) on b) 4. in to 74700 of or (.3 5. in N) a) (b)6. (a) of b) of et 9 (2012) 7786 is to of at in of 8. (1) is 8,a 4a) (b) 82 S. et 9 (2012) 77867. EM of a) in b) F is R is E is m is s l is a 5 mm 6 mm mm mm As in 4
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