基于滚压强化曲轴的弯曲疲劳强度分析

张慎明

摘 要：对于发动机来说，曲轴是最为关键的部件之一，在实际运行过程中承受着周期性的弯曲载荷影响，若是曲轴存在质量问题，受到此种恶劣工况的影响非常容易引起曲轴疲劳失效问题，从而造成自身和其他零部件的损坏，对于发动机的正常运行造成直接影响。对于曲轴来说，弯曲疲劳特性是衡量曲轴性能最关键的指标，利用滚压强化技术可以进一步增强曲轴的抗疲劳性能以及耐磨损性能。本文主要阐述基于滚压强化技术的曲轴弯曲疲劳强度方面的分析，希望能够对提升曲轴强度提供一定参考和帮助。

关键词：滚压强化;曲轴;弯曲疲劳强度

0 引言

从参考文献资料中能够得知，绝大部分（超过90%）引发机械结构部件失效的主要因素就是疲劳性问题，所以想要提升零部件的使用寿命需要加强其抗疲劳性能方面的研究，确保其能够在恶劣条件下提升稳定性、可靠性。对于发动机来说，曲轴会承受极大的弯矩以及扭矩，是整个发动机最为关键的部件之一。通过滚压强化技术可以有效提升曲轴材料的关键性能（主要包括：抗疲劳性能、耐磨损性能等），需要对其进行深入分析研究。本文主要以汽油机曲轴为例进行弯曲疲劳分析，对于滚压强化前后曲轴的弯曲疲劳情况进行对比，确定出滚压强化对于曲轴弯曲疲劳性能的影响。

1 曲轴的静力学分析以及相关夹具的设计分析

（1）曲轴在实际工作时会在连杆的轴颈位置产生应力集中，此处会受到不同力的综合作用而形成较大弯矩，主要包括如下几部分：作用在活塞顶端的缸内爆发力、曲轴颈部位置旋转惯性离心力、活塞和连杆组件所形成的回转惯性离心力以及往复惯性力等等。为了最大程度减少试验频次、提升试验效率，最为关键的就是要确定出合适的疲劳试验弯矩载荷区域。为了减小载荷范围，本文主要以汽油机曲轴最大屈服应力作为初期弯矩值，之后利用逐次试验的方式来明确剩余载荷的实际数值，最终能够得到曲轴的名义工作弯矩，具体情况如表1所示。

（2）为了能够对曲轴弯曲疲劳强度进行准确分析，主要采用共振型疲劳试

验机进行高频疲劳试验，将疲劳试验的频率控制在50-100Hz范围内，试验中所施加的最大静载荷为±15kN，最大的动载荷为7kN。为了能够确保试验的顺利进行，需要通过夹具对曲轴进行夹持。本文主要采取图1所示的夹具对发动机完整曲拐实施线切割，并且在主轴颈处通过夹板实施夹持。为了确保夹持的稳定性，要确保夹板的抗弯截面系数能够达到曲轴颈抗弯截面系数的3倍之上，能够最大程度降低夹板弯曲变形，避免对疲劳试验准确性造成影响。

（3）为了能够更加准确的判定曲轴应力集中的位置所在，利用有限元静力学分析的方式来明确所设计夹具对于试验过程中集中载荷的位置所在，以此来辅助疲劳试验最终确定出合理的加载力区域，从而提升试验准确性和效率。对于曲轴加载1mm位移载荷之后能够得到图2、图3所示的应力和位移云图，从图中能够能够得知曲轴产生的最大应力主要发生在主轴颈和曲柄臂的结合位置。

2 曲轴的弯曲疲劳试验分析

（1）滚压过程中危险截面应力变化规律分析

通过有限元分析软件Ansys实施多载荷步接触静力学分析计算，能够得到图4所示每一点在滚压实施中应力应变的变化情况。对于曲轴来说，其发生的弯曲疲劳更多是因为截面B之上圆周周边比较大交变正应力载荷所造成的，而滚压所形成的压应力也是正应力，所以圆角周边每一点压应力值都是正应力。这是因为当滚轮转动至某位置时，受压缩区域的周围也会出现受拉伸区域，而截面 B 处于受拉伸区域时，其上各点原有的压缩应力会受到拉伸应力的抵消，从而随转动角度的变化产生干扰，而表面节点对压缩和拉伸载荷的作用更为敏感。由上述分析可见在滚轮与轴相对转动的过程中截面B上的应力值经历了复杂的变化，而二维平面应变模型所采用的滚轮压入—滚轮卸载的方法不能考虑相对转动过程中各种因素的影响，其计算结果可能不够准确。见滚压计算时若假设滚轮为刚性，会导致滚压进给量比实际偏大，也在一定程度上影响了结果的准确性。

（2）弯曲疲劳试验

整个曲轴的其中某些材料最早满足屈服极限情况下能够得到支座的支反力达到了6kN，此时测量可得夹具的力臂整体长度为0.079m，此种情况下相应的试验弯矩能够达到474N﹒m。为了进行有效的弯曲疲劳试验，采用2.4倍试验弯矩当作疲劳极限值，在确定好最小试验载荷参数的基础上可以进行试验载荷。

（3）弯曲疲劳试验结果分析

若是曲轴弯曲疲劳次数在107及以上情况下试样还可以保持完好状态，就可以确定试样通过考核。在曲轴的弯曲疲劳试验过程中，试样发生失效时并非完全都是分离式的断裂方式，只要是曲轴中的裂纹扩大到某种程度，疲劳试验中的试样频率就会产生相应的变化。对于此次试验来说，如果试验的频率产生1Hz之上的改变就可以确定此零部件内部已经产生了断裂的问题，就说明此曲轴已经出现了失效问题。为了确保试验的有效性，在试验过程中一定要严格遵照标准《QC/T637-2000汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法》进行试验，可以通过升降法对曲轴的疲劳极限数据进行测定。

对于试验的曲轴试件分别从滚压强化前后曲拐上截取单拐，设定每组的曲轴为12根，对没有进行滚压强化和进行滚压强化的曲轴进行编号，分别编号为“1”和“2”，每一组试验分别设定12枚单拐，能够得到如图4、图5所示的疲劳试验数据。从试验结果中可知，没有进行滚压强化的曲轴疲劳弯矩极限值达到了546N.m，而经过滚压强化之后的曲轴疲劳弯矩的极限值则达到了797N.m。為了进一步验证试验结果，利用有限元模拟分析的方式能够计算得到相应载荷情况下的弯曲极限值，通过有限元元分析能够得到没有滚压强化的曲轴所得疲劳极限值达到了44MPa，而经过滚压强化处理之后的曲轴弯曲疲劳极限值达到了65MPa。从上述分析可知，通过有效的滚压强化处理可以进一步提升发动机曲轴的抗疲劳强度（能够提升约48%），有限元仿真的结果和实际试验分析的结果相匹配。

3 结束语

本文主要对汽油机曲轴具体运行的受力情况实施了疲劳试验，对于滚压以及没有滚压强化的曲轴疲劳强度进行了分析对比。通过分析能够得知，经过滚压之后的曲轴弯曲疲劳强度有了近50%的提升，通过有限元仿真也证实了试验结果的准确性。总的来说，利用滚压强化技术能够有效提升曲轴的弯曲疲劳极限，可以增强曲轴的抗疲劳性能，值得进一步推广。

参考文献：

[1]李良;马桢;白晓旭;陈飞;梁国祥;常超. 滚压强化曲轴的弯曲疲劳强度分析[J]. 内燃机与配件， 2021（07）：15-17

[2]李欣玲. 汽车发动机曲轴疲劳强度与滚压强化分析[D]. 西华大学， 2017

[3]鲍珂; 廖日东; 左正兴. 考虑滚压强化作用的铸铁曲轴弯曲疲劳分析[J]. 兵工学报， 2011（08）：88-91

[4]邬杰; 柳群; 蒋国辉; 唐新民. 曲轴强化工艺对疲劳极限的影响[J]. 汽车工艺与材料， 2018（01）：127-130