第２期 内燃机 Ｎｏ．２ ２０ｔ１年４月 Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ａｐｒ．２０１１ ４９２发动机球铁曲轴滚压参数的确定 陶前昭 ，何强 ，唐学帮 、 （１．广西玉柴机器配件制造有限公司，广西玉林５３７００５；２．桂林航天工业高等专科学校，广西桂林５４１００４） 摘要：通过快速疲劳试验方式确定ＱＴ８００—８材料４９２发动机曲轴疲劳强度及安全系数，从而确定其曲轴的滚压参 数，同时也为选择合适的ＱＴ８００—６性能参数和提高球铁曲轴的性能提供了参考。 关键词：柴油机；曲轴；＇ＱＴ８００—６；强化工艺；疲劳强度 ‘ 中图分类号：ＴＫ４０６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—６４９４（２０１１）０２—００３７—０２ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ４９２ Ｅｎｇｉｎｅ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｉｒｏｎ Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ＴＡＯ Ｑｉａｎ—ｚｈａｏ ，ＨＥ Ｑｉａｎｇ ，ＴＡＮＧ Ｘｕｅ—ｂａｎｇ （１．Ｙｕｃｈａｉ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｆｉｔｔｉｎｇｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｕｌｉｎ ５３７００５； ２．Ｇｕｉｌｉｎ Ｓｐａｃｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｎ ｅｘｐｒｅｓｓ ｗａｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ＱＴ８００—８ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ４Ｆ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ４９２ ｅｎｇｉｎｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｒｏｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｉｔａｂｌｅ ＱＴ８００—６ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ；ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｆａｔｉｕｇｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 曲轴是发动机主要部件之一，其有两大主要功 铁曲轴制造方便，成本低，可保证曲轴的形状合理， 能：一是通过连杆将发动机气缸内活塞的直线运动 耐磨性好，因此被广泛应用。为使采用ＱＴ８００—６ 转化为曲轴的旋转运动；另一个是把活塞所作的功 材质的４９２发动机曲轴满足安全系数１．８的设计要 转变为扭矩通过曲轴输出。因此，在发动机工作 求，通过疲劳试验数值来确定滚压强化工艺参数。 时，曲轴承受气体力、往复惯性力和旋转惯性力以 笔者通过在ＰＤＣ一１电动谐振式疲劳试验系统上， 及它们产生的力矩，使曲轴既扭转又弯曲，发生疲 用快速试验的方法测定弯曲疲劳极限，从而确定采 劳应力状态。曲轴主要故障模式是扭转断裂和疲 用的滚压压力大小。 劳破坏。对球铁曲轴来说，经过轴颈淬火和圆角滚 压工艺强化后，安全系数大于１．８后的应用是非常 １试件 可靠的，实际使用中已充分验证达到此安全系数的 试件采用４９２发动机ＱＴ８００—６曲轴，强化工 球铁曲轴的断轴率均低于０．０８％，远好于采用氮化 艺为“轴颈淬火＋圆角沉割槽滚压”，曲轴主要尺寸 工艺的钢轴。对安全系数的确定主要是通过疲劳 及圆角结构见图ｌ。 试验结果进行测算，其对应关系为凡＝Ｍ ／ ：，式 Ｌ — 中， 为疲劳试验弯矩，Ｍ 为曲轴名义弯矩。 实践表明，安全系数的大小即弯曲疲劳强度大 ４ 小对曲轴寿命具有决定性作用，对曲轴断裂的统计 ｜ ！ 结果也表明，８０％以上的断轴是由弯曲疲劳引起的， ｆ ２ 这就要求曲轴要有足够的弯曲疲劳强度。由于球 『 作者简介：陶前昭（１９７２一），男，工程师，研究方向为发 动机零部件设计。 收稿日期：２０１０—０７一叭 图１ 曲轴主要尺寸及圆角结构 ．３８． 内燃机 ２０１１年４月 表２中频淬火参数及检验结果 １．１试件材料本体检验 可能满足安全系数１．８的要求。 试件材料本体检验结果见表１。 １．２试件淬火 ３疲劳试验验证 试件采用中频淬火的工艺，工艺参数及淬火后 根据快速疲劳试验结果确定下来的滚压压力， 检验结果见表２。 连续加工７根４Ｆ球铁曲轴（以Ｅ值的压力参数进 ２快速疲劳试验 行滚压强化），然后进行系统的疲劳试验验证，试验 结果见表４。， 曲轴弯曲疲劳试验在ＰＤＣ一２型电动谐振式疲 表４曲轴弯曲疲劳试验报告 劳试验装置上进行，试验前对系统进行标定，弯矩 的相对误差≤１．５％，示值指示精度为０．１ Ｈｚ，试验 的循环基数为１０ ，定义系统共振频率下降１ Ｈｚ为 试样失效，试验参数见表３，试验方法如下： 按发动机参数和曲轴参数可计算出４９２发动机 球铁曲轴曲拐的名义弯矩为１ ０２８ Ｎ・ｍ，设计要求安 全系数大于１．８，则疲劳试验结果应在１ ８５０Ｎ・ｍ以 上才行。因此，为加快试验速度，尽快确定滚压参数， 按每种压力试２根曲轴 每根曲轴取四拐进行疲劳试 验，第一个拐按１ ７００ Ｎ・ｍ的载荷弯矩进行试验，如 超越则继续采用此拐加载１００ Ｎ・ｒｎ进行试验，如再 超越则再继续按加载的方式提升试验，直至失效为 止。如第一个曲拐失效，试验基数如达过５００万次， 则将试验弯矩降１００ Ｎ・ｍ进行试验。如试验基数低 于５００万次，则将试验弯矩降２００ Ｎ・ｍ的幅度进行 试验。如超越，则按前面加载的方式进行试验，依此 ４ 结论 类推。对试验数据收集后进行处理，超越的疲劳弯矩 从系统的疲劳试验结果来看，基本上与快速疲劳试 数值则采用，而超过５００万后失效的数据采用，低于 验的结果相同，验证了通过快速试验确定滚压压力 ５００万次则去除，按此方式对试验结果进行处理，得 是可行的，节约了工艺试验摸索的时间，当然用此 到了表３的试验数值。从表３试验结果可知，当滚压 种方法只是快速找到了达到安全系数要求的滚压 压力变化到Ｅ时，疲劳试验结果达到１ ８５０ Ｎ・ｍ，也 压力，至于此压力是否是最佳的，仍需要进一步的 就基本上可确定：滚压压力要在Ｅ值附近区域，才有 验证。