發(fā)動機零部件的疲勞克可靠性

2017-05-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

汽車發(fā)動機是為汽車提供動力的發(fā)動機,是汽車的心臟,影響汽車的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。根據(jù)動力來源不同,汽車發(fā)動機可分為柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機、電動汽車電動機以及混合動力等。

疲勞是指材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下,在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷,并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。

在工程結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備中。疲勞破壞的現(xiàn)象極為廣泛。它遍及每一個運動的零部件。疲勞破壞由于沒有明顯的宏觀塑性變形,破壞十分突然,往往造成災(zāi)難性事故,引起巨大的經(jīng)濟損失。提高零部件抗疲勞性能的方法有以下幾點:

1材料選擇

材料的選擇原則是:在滿足靜強度要求的同時,還應(yīng)具備良好的抗疲勞性能。過去靜強度選材的一個基本原則是要求比強度高,但在疲勞設(shè)計中,需從疲勞強度的觀點選材:

(1)在達到使用期限的應(yīng)力值時,材料的疲勞極限必須滿足要求。

(2)材料的切口敏感性和擦傷疲勞敏感性小,在交變載何作用處要特別注意。

(3)裂紋擴展速率慢,許用臨界裂紋大些,即要求材料的斷裂韌性值大。

(4)注意軋材和鍛材等的纖維方向和主要受力方向應(yīng)一致。

(5)注意材料的抗腐蝕性能,同時盡量減少材料的內(nèi)部缺陷,對重要零件應(yīng)經(jīng)探傷檢驗。

2降荷降溫設(shè)計

實踐證明,在較低的交變應(yīng)力作用下,零件不易發(fā)生疲勞裂紋,即使產(chǎn)生裂紋,其擴展速度也較慢。組裝成型后的構(gòu)件在低應(yīng)力下運轉(zhuǎn)一定周次后,再逐步提高到設(shè)計應(yīng)力水平;對于發(fā)熱摩擦副零件采用降溫設(shè)計,這些方法都能提高構(gòu)件疲勞強度及壽命。從靜強度觀點看,提高應(yīng)力水平可減輕重量、節(jié)約材料;從疲勞強度觀點看,降低應(yīng)力水平可提高構(gòu)件疲勞壽命;兩者之間存有矛盾,需針對具體情況來設(shè)計。

3避免應(yīng)力集中

零件的疲勞破壞一般是從最大應(yīng)力處開始,而應(yīng)力集中通常是產(chǎn)生疲勞裂紋之源,在設(shè)計時應(yīng)避免。結(jié)構(gòu)件的設(shè)計原則是:

(1)在零件中應(yīng)避免橫截面上出現(xiàn)急劇變化,當(dāng)橫截面尺寸或形狀改變時,盡量用大圓角來過渡,同時在設(shè)計時應(yīng)避免傳力路線中斷。

(2)盡可能采用對稱結(jié)構(gòu),避免帶有偏心的結(jié)構(gòu),在不對稱處應(yīng)注意局部彎曲引起的應(yīng)力。

(3)結(jié)構(gòu)件應(yīng)盡可能減少開口,特別在受拉表面盡量不開口,如需開口應(yīng)考慮其形狀,以減小應(yīng)力集中,同時開口的位置應(yīng)設(shè)在低應(yīng)力區(qū)。

(4)鉚釘及螺紋、焊縫等是產(chǎn)生應(yīng)力的集中源,在其連接處適當(dāng)加厚以降低局部應(yīng)力,對焊縫處磨平、采用去毛刺、邊緣倒角等工藝是減小應(yīng)力集中的有效方法。

(5)在主要零件存在應(yīng)力集中的地方不應(yīng)再連接次要零件,避免增大局部應(yīng)力。

4降低表面粗糙度和改善表面質(zhì)量

眾所周知,疲勞破壞通常從表面開始,疲勞裂紋一般在表面質(zhì)量差的地方產(chǎn)生。因此在設(shè)計時須考慮:

(1)降低表面粗糙度,使表面狀態(tài)系數(shù)口增大,提高疲勞強度。

(2)采用表面強化工藝,使表層金屬強度提高,使疲勞發(fā)生源從表面移至到表層以下區(qū)域,達到提高零件的疲勞強度。

(3)采用表面防腐措施,同時要注意防腐是否對疲勞性能產(chǎn)生不力影響,例如電鍍零件是應(yīng)避免出現(xiàn)氫脆和應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。

(4)相對靜止的兩表面間應(yīng)減小滑動,避免腐蝕擦傷,無法避免時應(yīng)采用薄帶填料或涂層來減小相互擦傷,如螺栓孔內(nèi)加緊配襯套或采用鉸支螺栓連接。

(5)采用預(yù)變形工藝,即對零件在工作前使其產(chǎn)生部分塑性變形,造成有利的殘余壓應(yīng)力以提高疲勞壽命,須注意的是如引入殘余拉應(yīng)力,則會使材料的疲勞強度下降。

(6)盡可能減小或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸,疲勞破壞通常是從初始裂紋開始并擴展開的。

5合理的振動設(shè)計

對于高速運行或做往復(fù)振動的零部件,在設(shè)計階段應(yīng)注重考慮其布局的合理性以及運動狀態(tài)的情況。

(1)設(shè)計時應(yīng)通過與類似產(chǎn)品對比和計算,裝配完成后經(jīng)實測運動的自振頻率,以避免各個頻率在使用范圍內(nèi)發(fā)生共振,造成零部件疲勞破壞。

(2)對于類似拉桿等運動機構(gòu)上的操縱系統(tǒng)、管路系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)考慮共振對其的影響,設(shè)計時在振動大的地方加設(shè)支撐架或改變管路安裝位置或?qū)⒄駝訕?gòu)件隔離開等方法都可降系統(tǒng)的振動。

(3)對振動系統(tǒng)中的板件,如翼板、振動機械支撐板等在設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)置加強肋以提高其整體剛度,避免因高頻振動而使板件出現(xiàn)疲勞破壞。

6可靠性設(shè)計

(1)沉余設(shè)計法:對薄弱零部件在設(shè)計階段應(yīng)考慮備份有能完成相同功能的結(jié)構(gòu),如在飛機設(shè)計中采用平常不參與受力的輔助機構(gòu),當(dāng)主要受力構(gòu)件疲勞破壞后,輔助構(gòu)件參與承載主要受力構(gòu)件任務(wù),保證其安全工作。

(2)安全使用期限設(shè)計法:對于易損件采用有限壽命設(shè)計,這就要用可靠性理論準(zhǔn)確估計其疲勞壽命期限,當(dāng)易損件達到使用壽命時及時更換,設(shè)計時采用可開啟式結(jié)構(gòu),易于維修于檢查與更換。

(3)減荷設(shè)計法:設(shè)計時盡量減少結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中,采用物理方法消除或降低其內(nèi)的應(yīng)力。

(4)安全裝置與安全檢測設(shè)計法:采用信號監(jiān)控裝置,進行適時監(jiān)控,如采用自行監(jiān)控與自行校正的閉式反饋控制系統(tǒng),這是當(dāng)前安全設(shè)計的發(fā)展方向。

(5)采用多路傳力結(jié)構(gòu)或多重受力結(jié)構(gòu)件設(shè)計法:當(dāng)其中一個結(jié)構(gòu)件損壞后,其它元件仍能繼續(xù)受力,保證構(gòu)件具有繼續(xù)承載能力,如多梁飛機機翼就是一例,此外結(jié)構(gòu)的連接處和聯(lián)接接頭疲勞設(shè)計也不允許輕視,任何結(jié)構(gòu)件均由構(gòu)件組合而成,實踐證明疲勞破壞常常在連接部位出現(xiàn),例如飛行器設(shè)計中的連接件設(shè)計就是抗疲勞設(shè)計的重要內(nèi)容。

活塞作為內(nèi)燃機的關(guān)鍵零部件之一,它的工作情況直接關(guān)系到內(nèi)燃機的工作可靠性和使用耐久性。同時直接影響到內(nèi)燃機的排放性能。近年來,發(fā)動機強化程度不斷提高,排放要求也日益嚴(yán)格。特別當(dāng)發(fā)動機爆發(fā)壓力超過20 MPa時。鋁活塞已不能滿足發(fā)動機的可靠性要求。鑒于此.許多公司在多年前已紛紛投入活塞的基礎(chǔ)性研究工作,試圖尋找一種性能更高、工作更穩(wěn)定、生產(chǎn)過程更為環(huán)保、廢氣排放更低、可靠性更高的替代產(chǎn)品,這就對內(nèi)燃機活塞的設(shè)計開發(fā)提出了更高的要求。所以在原有傳統(tǒng)鋁活塞的基礎(chǔ)上,通過尋找替代材料、改進結(jié)構(gòu)及工藝等抗疲勞設(shè)計方法來提高活塞的疲勞強度很有必要。

總體看來,國內(nèi)活塞結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計集中在以下幾點:

(1)鋁活塞的結(jié)構(gòu)改進

國內(nèi)研究人員在這方面研究較多,前期積累的經(jīng)驗也不少,主要集中在活塞應(yīng)力及溫度場分析研究,分析導(dǎo)致疲勞破壞的因素。進而運用優(yōu)化設(shè)計方法改進結(jié)構(gòu)及尺寸。

(2)鍛鋼活塞的研發(fā)和改進

國內(nèi)對這個方向的研究逐漸重視起來。由于前期鍛鋼活塞設(shè)計經(jīng)驗少,主要通過借鑒國外鍛鋼活塞設(shè)計成果.參照鋁活塞設(shè)計經(jīng)驗進行。還有待進一步研究。

國外活塞結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài):輝門的Monosteel鋼活塞采用頭部跟裙部的分體鍛造然后摩擦焊接成一體,在北美和歐洲有廣闊的市場。20l0年10月,輝門公司宣布在原有Monosteel的基礎(chǔ)上進行了改進,使用“雙帶”活塞裙設(shè)計。使活塞裙部總面積減少了加%.減小了摩擦阻力和質(zhì)量.提高了耐久性。德國馬勒Femcomp活塞的主要特點是鍛鋼頭與鍛鋼裙組合?；钊^為鍛鋼制。材料為42CrM04.淬火和回火處理;活塞裙材質(zhì)為38MnVs6;通過鍛造后冷卻控制獲得適當(dāng)強度和硬度;裙部全部磷化處理;典型結(jié)構(gòu)為兩道壓縮環(huán)和一道刮油環(huán)?；钊^與裙由l、2或4根螺栓連接?；钊睆接?span>200—480 mm不等。主要應(yīng)用于大缸徑發(fā)動機。馬勒MoNOTHERM活塞是由整塊鍛鋼制成?；钊共?、銷座和活塞頂集成一體。相較而言,MONOTHERM活塞具有更高壽命。目前,MON0-THERM活塞已經(jīng)進入了批量生產(chǎn).大部分應(yīng)用于歐3、歐4重型卡車上。

汽車制造業(yè)的工程師越來越仰賴噴丸強化技術(shù)來改善和提高汽車關(guān)鍵部件的抗疲勞壽命,并將這一因素在轎車、卡車、摩托車等設(shè)計的最初就加以充分考慮和重視。該噴/拋丸強化技術(shù)和工藝的應(yīng)用現(xiàn)亦含括幾乎大部分發(fā)動機零件的設(shè)計中,包括:曲軸(去氧化皮和強化)、連桿(強化)、傳動齒輪和其它軸類零件、齒圈、活塞,太陽齒和行星齒、板簧和圓簧等。

作為制造流程的一環(huán)節(jié),熱處理過的曲軸需要經(jīng)由拋丸清理來去除表面的熱氧化皮。曲軸被置于旋轉(zhuǎn)輥輪上,在滾動時,曲軸所有表面被充分曝露在多個拋頭拋射出的丸流下,多角度的丸粒的沖擊,使曲軸的外表面得以徹底清理。由于曲軸在交變應(yīng)力作用下工作,曲軸截面變化轉(zhuǎn)接圓角處發(fā)生應(yīng)力疲勞和應(yīng)變破壞的危險性極大。目前,通過噴丸強化來改變曲軸抗疲勞性能已在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)被普遍應(yīng)用,且效果相當(dāng)滿意。相較于傳統(tǒng)滾壓工藝的缺陷,即由于受曲軸加工工藝性的限制,各軸頸圓角很難與滾輪相吻合,往往造成圓角的啃切現(xiàn)象,而且滾壓后的曲軸變形較大,效果不佳。而噴丸強化的機理是利用嚴(yán)格控制直徑并具有一定強度的丸粒,在高速氣流作用下,形成彈丸流并連續(xù)向曲軸金屬表面噴射,就像用無數(shù)個小錘進行錘擊,使曲軸表面產(chǎn)生極為強烈的塑性變形,形成冷作硬化層。簡單而言,由于曲軸在加工中受各種機械切削力的作用,其表面,特別是曲軸截面變化轉(zhuǎn)接圓角處的應(yīng)力分布極不均勻,工作中又受交變應(yīng)力作用,因此很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而使曲軸的疲勞壽命降低。而噴丸強化丁藝就是通過引入一個預(yù)壓應(yīng)力來抵消零件在以后工作周期會受到的拉應(yīng)力,從而提高工件抗疲勞性能和安全使用壽命。

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