内燃机曲轴强度的现状和发展

王琛

摘 要：作为内燃机重要的零配件，曲轴强度体现在抗疲劳和抗断裂两个方面，如果曲轴强度水平不足，可能会引起内燃机其他零配件的损坏。基于内燃机的动力性和可靠性要求，文章将在分析内燃机曲轴强度现状的基础上，深入研讨如何提高内燃机曲轴强度的具体方法。

关键词：内燃机；曲轴强度；现状

1 内燃机曲轴强度现状

1.1 结构复杂

内燃机的曲轴结构复杂，在加工时，一方面要求具有较为可观的承受荷载能力，而且要兼顾内燃机的功率需求，因此在设计时，要求保证曲轴强度达到既定的水平。曲轴在内燃机中的作用是承受气缸内砌体作用力，并以旋转、往复等运动方式，为内燃机运行提供惯性力。但由于内燃机运行时产生的荷载在周期内不断变化，以致曲轴持续承受弯曲应力和扭转应力，尤其是过渡圆角位置，应力过于集中，最终导致曲轴的疲劳失效。

1.2 永久性性能变化

在内燃机实际应用时，随着使用时间的加长，曲轴局部某点可能会出现永久性的性能变化，反复循环载荷作用下，逐渐形成裂纹，甚至扩展至断裂破裂，即人们常说的疲劳断裂。疲劳断裂具有低应力性、突然性、时间性、敏感性等特征，国内的内燃机工业中，大约有80%以上内燃机结构强度破坏，就是因为曲轴的疲劳破坏引起，大约占其他强度破坏故障率的95%左右。从侧面亟需要求改善内燃机曲轴强度现状。

1.3 强度设计现状

目前内燃机曲轴的强度设计，是在系统组合动力学仿真的基础上，分析曲轴的应力分布，以此确定曲轴的疲劳强度储备系数，并选择最佳的强度储备点，进行曲轴的疲劳试验，以此提高设计的成功率。期间需要利用数据库中的几何参数、材料特性、载荷谱等，对零部件进行有限元分析和估算疲劳强度，在通过虚拟试验和疲劳试验后，拟定详细的设计方案。

2 内燃机曲轴强度的设计建议

2.1 建立曲轴系统动力学模型

鉴于内燃机的结构复杂，在设计曲轴时，应该建立曲轴系统的动力学模型，并借助各类动力学仿真软件和专业模块，以形成包括模板、子系统、装配等在内的模型结构。模型的建立，一方面更改了模板的子系统，使得模型参数化，另一方面是按照一定的几何体约束比例，设定模板的参数，然后集合多个子系统，为子系统的信息传递和求解提供渠道。在建立曲轴系统动力学模型的基础上，建立初始拓扑结构，其中所涉及的数据涵盖了内燃机的汽缸数、冲程数、缸心距、连杆尺寸和轴承布置等，而子系统的建立，要求对曲轴部件的尺寸、密度和转动惯量等进行调整。通过曲轴系统动力学模型的建立，能够为曲轴强度设计提供更为精确的数据，这也是内燃机曲轴强度发展的重要基础之一。

2.2 分析曲轴系统动力学仿真结果

曲轴系统动力学仿真结果的分析，通过对曲轴系统动力学模型的应用，按照曲轴强度的计算结果，分别进行减振器参数调试、活塞加速度比较分析、活塞侧击力比较分析、曲柄销载荷比较分析、主轴承载荷分析等，全方位调整曲轴强度设计的差异性。首先是减振器的参数调试，系统测量布置是在曲轴上方设置发动机，其左右侧分别为位移传感器、信号齿轮和飞轮，其中位移传感器由采集卡和PC机组成，在进行减振器参数调整之后，通过扭振响应曲线，可以看出振幅轴向基本一致，其数据误差对曲轴强度设计精度影响不大。其次是活塞加速度比较分析，通过对曲轴转角、连杆擺角、曲柄半径、曲柄连杆比、连杆中心距等参数的确定，借助倍角余弦函数，表示活塞的位移，这样所计算出来的内燃机曲轴加速度，在实际曲轴强度设计中就能够避免相对误差的影响。再次是活塞侧击力比较分析，即曲轴在爆发压力作用下的精度误差，鉴于所有曲柄销载荷曲线的一致性，可利用现代算法取值曲柄销径向和切向的峰值，以此检验连杆的质量等效。最后是主轴承载荷分析，确定同一个工作循环内的轴承载荷、转动速度、扭转情况、输出扭矩和曲拐内弯矩等。

2.3 曲轴应力计算

曲轴强度的控制，需要准确分析曲轴的应力分布，因此需要通过曲轴应力计算，以改善有效应力集中系数的精度。另外，需要注意的是，曲轴破坏的其中一个主要因素，就是由于弯曲应力失控引起的。在此笔者建议应用有限元分析法，对曲轴应力展开计算，并得出曲轴的疲劳安全系数。在计算之前，还需要评估曲轴高应力位置的疲劳安全，期间假定曲柄销圆角和主轴颈圆角为高应力区域，然后将曲拐相互独立的主轴颈，简化成截断简支梁模型，这样就能够判断出弯曲应力对曲轴的破坏程度。至于曲轴改进后常规强度设计的流程，一方面是根据计算的结果，判断曲轴强度是否合格，进而确定安全系数，并进行扭振修正、屈服极限分析、表面处理、尺寸影响消除等，另一方面是利用截断简支梁模型，分析工作弯矩和计算截面模量，进而确定曲轴应力幅值和平均应力。在设计曲轴强度期间，我们还需要掌握以下的重要强度计算参数，其中包括连杆质量、活塞组质量、曲柄半径、连杆长度、缸套内径、曲柄销直径、曲柄销长度、主轴颈直径、主轴颈长度、连杆大头轴瓦宽度、曲轴主轴瓦宽度、凸台厚度、曲柄臂厚度、转速、最大爆压、材料极限强度。借助这些计算参数，就可以计算出理论应力集中系数和有效应力集中系数，分析曲轴的疲劳强度。

2.4 曲轴弯曲疲劳试验

曲轴弯曲疲劳试验，常见的试验方法有成组试验法、配对升降法、疲劳极限统计分析法三种，其中成组试验法适用于曲轴过载时的疲劳强度，可相对合理估算出曲轴安全寿命；配对升降法是按照国家标准试验规范，选取随机出现的成对数据，但只适用于分散性较小的试件；疲劳极限统计分析法，主要通过应力-寿命双对数坐标，找出循环断裂点，根据数值选取真实的断裂强度。在此笔者推荐使用疲劳极限统计分析法，这种分析方法要求控制好试验台应变片的电阻值，以及栅长、栅宽、灵敏系数、精度等级等，并标定载荷，即在“静标动测”原理范围内，分析试件某个部位的静态应变和动态应变，然后得出静标曲线的应变值和确定在该应变值下的激振转速大小。至于系统误差的分析，则要归结为人为或者系统的误差，前者只需要提高试验人员的技术水平，并规范技术操作规范即可，后者则需要考量应变片在系统中的动载荷测量情况，调节各点应变量的真实值，使得更加接近测量目标点。除此之外，在疲劳试验期间，还要求妥善处理试验的数据，一方面是精确估计母体强度，另一方面是采用正态分布模型统计分析法，估计失效数据中的中位秩，得出曲轴弯曲疲劳试验的强度安全系数，为内燃机曲轴强度水平的提高，做出合理的设计选择。

3 结束语

内燃机历经两个多世纪的发展，其环保性、动力性和经济性等性能指标，成为衡量内燃机质量的重要标准之一，而作为主要零配件的曲轴，其强度水平，直接关系到自身及其他零配件的强度。文章通过研究，基本明确了内燃机曲轴强度现状及发展情况，其中所涉及到的曲轴强度设计方法，是基于实际曲轴强度设计工作的经验总结，但鉴于内燃机曲轴设计在技术要求方面具有差异性，因此这些方法的应用，有必要结合实际曲轴设计的工作条件，对相应的技术内容进行调整、补充和完善，方可有效保证曲轴的强度水平。

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