发动机连杆疲劳强度试验及寿命预测方法研究

景国玺，王延荣，张儒华，王根全，刁占英，王小慧，李 鹏，贾晓亮

（1.中国北方发动机研究所，山西 大 同 037036；2.装甲兵驻616厂军事代表室，山西 大 同 037036）

连杆是发动机动力传递中的重要零部件之一，运行过程中易发生疲劳失效问题［1］。目前，基于数值方法预测疲劳寿命可有效提高发动机零部件设计的成功率［2－4］。但是，受加工工艺和表面处理工艺等因素的影响，通过部件疲劳试验来综合评估连杆疲劳强度仍然是产品批量生产前最可靠的验证手段。

本研究以某柴油机连杆为研究对象，结合有限元仿真、应力测试工作，确定了该连杆部件疲劳试验方案。结合疲劳试验结果及相关理论，建立了疲劳寿命理论预测模型，并对连杆疲劳寿命进行了预测与评估。

1 连杆疲劳试验方法

1.1 试验设备与试验规范

连杆疲劳试验在四通道液压伺服疲劳试验机上进行，液压伺服疲劳试验机采用液压方式加载，为避免设备发生较大的振动响应而影响试验准确度，试验中所采用的加载频率一般不超过30Hz［1，5］，本试验中加载频率为20Hz，试验在拉—压载荷的作用下进行，采用正弦波标准波形进行连杆机械强度耐久性考核。

目前，连杆疲劳试验规范一般执行行业标准或企业标准，常见加载方式主要有恒定负荷比法和恒定最大压力法［1］。本试验采用恒定负荷比法，即在试验加载时保持负荷比不变，用名义负荷中的最大压力和最大拉力乘以一个安全系数来确定试验载荷。采用升降法测定连杆的疲劳强度，循环基数为1 000万次，试验名义最大压缩力为－177.3kN，最大拉伸力为32kN，试验中保持循环载荷应力比恒定不变。

1.2 疲劳试验流程与方案确定

通过试验所得整个连杆的安全系数取决于连杆不同部位失效时的最低疲劳强度，而试验中连杆承受的拉压载荷与发动机实际工况不同，受试验安装方式影响较大。因此，连杆疲劳试验时常分为3个区域进行疲劳强度考核，分别为连杆小头、连杆大头和连杆杆身区域。

通常在连杆疲劳试验前需要确定连杆强度最薄弱部位，以确定试验夹具安装方式和具体试验方案。采用试验方法确定薄弱位置时，需要在不同试验条件下针对小头、大头和杆身进行疲劳强度考核，按照标准至少需9个样件，试验成本较高。本研究采用有限元分析方法来确定连杆最危险区域，通过建立连杆有限元分析模型，在正常轴承间隙下施加拉压载荷，得到了连杆在拉压载荷下的受力状态，进而求得平均应力和应力幅（见图1）；然后通过传统安全系数计算方法可知该连杆杆身区域为最危险部位，因此连杆疲劳试验方案针对杆身进行，连杆大小头均采用过盈装配方式。

为验证疲劳试验系统响应特性，在连杆正常大小头装配间隙下进行了电测试验。电测试验在疲劳试验台上进行，测点布置及各测点在不同激励下的应力响应情况见图2，图中靠近大头端的测点3、测点6、测点9和测点12在拉压载荷单独作用情况下呈现线性关系，而杆身其他测点在整个加载力范围内应力值与加载力之间呈线性关系，试验系统响应特性满足试验要求。另外，通过电测数据可与有限元仿真结果之间进行相互校核，图3示出有限元预测结果和实测应力值对比情况，除测点4在压工况存在较大差异外，其他测点仿真结果与实测结果接近。

疲劳试验中载荷通过模拟销施加，试验安装见图4。连杆大头轴瓦浸入机油中，连杆小头采用供油冷却，以达到冷却润滑目的并降低连接处工作温度，防止发生黏着磨损而失效。

2 试验结果分析

表1示出疲劳试验结果。试验共采用18个样件，其中，有6个样件通过1 000万次试验，有5个样件在杆身标志字迹W处断裂，有6个在靠近小头杆身处断裂，4号连杆试验过程中发生偏磨导致靠近小头过渡处杆身部位断裂，因此该样件结果无效。失效故障模式见图5b。基于升降法原理和统计学方法计算得连杆最小安全系数约为1.71。

表1 疲劳试验结果

通过对上述11个失效样件进行断口宏观和微观形貌分析可知，在同一部位断裂的连杆其断口形貌近似，为典型的疲劳断口，存在明显的裂纹源、裂纹扩展区和瞬断区。杆身标志字W处断口宏观形貌见图5b，箭头所指为裂纹源处，电镜下观察发现断口裂源处有明显的疲劳条痕，未发现夹杂及热处理缺陷。靠近小头裂纹源见图5c，通过观察发现裂纹源位置存在明显夹杂缺陷。

结合图1有限元仿真分析结果可知，上述裂纹源处并非杆身安全系数最小部位，同时，由于W标志处裂纹源处无明显夹杂缺陷，结合后文残余应力测量发现，其失效与W字处残余应力的大小密切相关。而导致杆身另一部位疲劳失效的原因除了与断口组织出现夹杂缺陷有关外，还与试验中由于夹具安装不对中产生的附加弯矩有关，尤其当载荷系数增大时附加弯矩也随之增大，其影响变得更加突出。

为研究连杆表面喷丸工艺对疲劳寿命的影响，试验前采用X射线残余应力分析仪对其中的11个样件进行了残余应力测量，共布置7个测点，前6个测点编号与前文电测测点的位置相同，第7个测点位于W标志字处。通过图6测量结果可知，前6个测点处残余应力分布在－754～－378MPa之间，平均值为－525MPa，残余应力较高，而 W处残余应力分布在－518～－109MPa之间，平均值为－206MPa，残余应力较低且分散性较大。

结合表1及残余应力测量试验结果可知，W标志字处由于喷丸不充分使局部残余应力较低、应力梯度大，是导致该批次连杆在W处疲劳失效的主要原因。

3 连杆疲劳寿命预测

3.1 基本理论

通过有限元计算或电测试验获得了连杆表面局部的应力状态，考虑平均应力、加工工艺、尺寸效应和表面粗糙度等因素对材料S－N 曲线的影响，然后基于MINER线性损伤累积原则和图7所示修正后的S－N曲线可预测连杆疲劳寿命。为预测构件应力幅水平低于疲劳极限时的疲劳寿命，采用修正MINER法则。各种因素对材料S－N曲线的修正可归结为对S－N 曲线起决定性的3个参数的影响函数，即材料疲劳极限、疲劳循环次数和曲线斜率的影响函数，这些影响函数可通过由大量试验获得的经验公式来描述［6］。

修正后构件局部点的疲劳极限：

式中：σ－1为材料对称交变疲劳极限；f1为平均应力影响系数；f2为应力梯度影响系数；f3为表面粗糙度和锻造度综合影响系数；f4为表面工艺影响系数；f5为尺寸效应影响系数。

修正后构件局部点S－N曲线的斜率：

式中：k为材料S－N 曲线斜率；A和B为与材料有关的参数；f6为应力梯度对斜率的影响系数；f7为平均应力对斜率的影响系数。

修正后构件局部点S－N曲线的疲劳循环次数：

式中：N为材料S－N曲线疲劳循环次数；C为热机影响系数；f8为平均应力对疲劳循环次数的影响系数。

材料S－N曲线一般为对称循环下的S－N曲线，本研究采用如图8所示Haigh图对非对称循环载荷进行平均应力修正，Haigh图由对称循环和脉动循环疲劳极限及材料力学性能参数确定。由于连杆承受高周循环载荷，试验过程中未发生较大塑性变形，通过测量发现该连杆表面残余应力在疲劳试验前后数值接近，因此，预测模型中将残余应力按照平均应力效应来处理。

3.2 预测结果

疲劳试验中杆身W字处为该连杆最薄弱部位，且失效与该处残余应力密切相关，因此，连杆寿命预测针对W部位进行。该连杆材料为42CrMoA，材料拉伸极限为1 100MPa，屈服极限为900MPa，对称疲劳极限为432.9MPa，脉冲疲劳极限为337MPa，S－N 曲线斜率为12，表面粗糙度和锻造度综合影响系数取为0.6，平均应力、应力幅及残余应力均采用实测值。

图9示出连杆W点在不同载荷系数和残余应力作用下的应力极限图。从图中可以看出在不同残余应力和载荷下W字处的应力状态。数值预测所得W处疲劳安全系数及寿命见表2。从表2可以看出，除8号连杆外，在杆身W处失效的连杆其残余应力无论与试验寿命还是与理论预测寿命之间均呈现一定的对应关系，寿命预测值与实测值在数值和变化趋势上基本一致，疲劳安全系数预测值与连杆疲劳试验通过性一致。

表2 W点疲劳寿命预测与试验结果对比

4 结论

a）通过有限元分析结果可判定连杆最薄弱位置，进而确定连杆疲劳试验方案；电测试验可有效评估疲劳试验系统的线性响应特性，同时与仿真模拟值相互校核；

b）疲劳试验结果表明，该连杆疲劳失效形式极具规律性，断裂位置主要位于杆身某标志字处和靠近小头杆身部位，其中标志字处失效与局部残余应力大小和分布密切相关，可见，通过部件疲劳试验可有效评估连杆设计水平和加工工艺水平；

c）建立了连杆疲劳寿命预测模型，将残余应力作平均应力处理，基于Haigh图考虑平均应力对S－N曲线的影响，预测得到了在不同载荷系数和残余应力下连杆W标志处疲劳寿命和疲劳安全系数，预测结果与试验值在趋势上一致，因此，后续可利用该模型来指导疲劳试验和连杆强度设计工作。

［1］ 潘琼瑶，陈 凯.车用发动机连杆强度分析与结构改进［J］.车用发动机，2008（6）：40－45.

［2］ Haroldo Chacon.Structural and Fatigue Numerical A－nalysis for Connecting Rods［C］.SAE Paper 2006－01－2515.

［3］ Abhijit Londhe，Vivek Yadav，Aparajita Sen.Finite Element Analysis of Connecting Rod and Correlation with Test［C］.SAE Paper 2009－01－0816.

［4］ 吕彩琴，苏铁熊，狄建兵，等.连杆小头油孔对连杆疲劳寿命影响的研究［J］.内燃机学报，2002，20（4）：370－373.

［5］ Moon Kyu Lee，Hyungyil Lee，Tae Soo Lee，et al.Buckling sensitivity of a connecting rod to the shank sectional area reduction［J］.Materials ＆ Design，2010，31（6）：2796－2803.

［6］ Griza S，Bertoni F，Zanon G，et al.Strohaecker Fatigue in engine connecting rod bolt due to forming laps［J］.Engineering Failure Analysis，2009，16（5）：1542－1548.