發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的疲勞克可靠性

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

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是為汽車(chē)提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī),是汽車(chē)的心臟,影響汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。根據(jù)動(dòng)力來(lái)源不同,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可分為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)以及混合動(dòng)力等。

疲勞是指材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下,在某點(diǎn)或某些點(diǎn)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(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。

在工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備中。疲勞破壞的現(xiàn)象極為廣泛。它遍及每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的零部件。疲勞破壞由于沒(méi)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(jì)損失。提高零部件抗疲勞性能的方法有以下幾點(diǎn):

1材料選擇

材料的選擇原則是:在滿足靜強(qiáng)度要求的同時(shí),還應(yīng)具備良好的抗疲勞性能。過(guò)去靜強(qiáng)度選材的一個(gè)基本原則是要求比強(qiáng)度高,但在疲勞設(shè)計(jì)中,需從疲勞強(qiáng)度的觀點(diǎn)選材:

(1)在達(dá)到使用期限的應(yīng)力值時(shí),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(kuò)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(shí)盡量減少材料的內(nèi)部缺陷,對(duì)重要零件應(yīng)經(jīng)探傷檢驗(yàn)。

2降荷降溫設(shè)計(jì)

實(shí)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(kuò)展速度也較慢。組裝成型后的構(gòu)件在低應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)一定周次后,再逐步提高到設(shè)計(jì)應(yīng)力水平;對(duì)于發(fā)熱摩擦副零件采用降溫設(shè)計(jì),這些方法都能提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度及壽命。從靜強(qiáng)度觀點(diǎn)看,提高應(yīng)力水平可減輕重量、節(jié)約材料;從疲勞強(qiáng)度觀點(diǎn)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(duì)具體情況來(lái)設(shè)計(jì)。

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(kāi)始,而應(yīng)力集中通常是產(chǎn)生疲勞裂紋之源,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免。結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(shí),盡量用大圓角來(lái)過(guò)渡,同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免傳力路線中斷。

(2)盡可能采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),避免帶有偏心的結(jié)構(gòu),在不對(duì)稱(chēng)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(kāi)口,特別在受拉表面盡量不開(kāi)口,如需開(kāi)口應(yīng)考慮其形狀,以減小應(yīng)力集中,同時(shí)開(kāi)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(duì)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(kāi)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(jì)時(shí)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(qiáng)度。

(2)采用表面強(qiáng)化工藝,使表層金屬?gòu)?qiáng)度提高,使疲勞發(fā)生源從表面移至到表層以下區(qū)域,達(dá)到提高零件的疲勞強(qiáng)度。

(3)采用表面防腐措施,同時(shí)要注意防腐是否對(duì)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(duì)靜止的兩表面間應(yīng)減小滑動(dòng),避免腐蝕擦傷,無(wú)法避免時(shí)應(yīng)采用薄帶填料或涂層來(lái)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(duì)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(huì)使材料的疲勞強(qiáng)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(kāi)始并擴(kuò)展開(kāi)的。

5合理的振動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)于高速運(yùn)行或做往復(fù)振動(dòng)的零部件,在設(shè)計(jì)階段應(yīng)注重考慮其布局的合理性以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況。

(1)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)與類(lèi)似產(chǎn)品對(duì)比和計(jì)算,裝配完成后經(jīng)實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)的自振頻率,以避免各個(gè)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(duì)于類(lèi)似拉桿等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的操縱系統(tǒng)、管路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮共振對(duì)其的影響,設(shè)計(jì)時(shí)在振動(dòng)大的地方加設(shè)支撐架或改變管路安裝位置或?qū)⒄駝?dòng)構(gòu)件隔離開(kāi)等方法都可降系統(tǒng)的振動(dòng)。

(3)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)中的板件,如翼板、振動(dòng)機(jī)械支撐板等在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置加強(qiáng)肋以提高其整體剛度,避免因高頻振動(dòng)而使板件出現(xiàn)疲勞破壞。

6可靠性設(shè)計(jì)

(1)沉余設(shè)計(jì)法:對(duì)薄弱零部件在設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)中采用平常不參與受力的輔助機(jī)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(jì)法:對(duì)于易損件采用有限壽命設(shè)計(jì),這就要用可靠性理論準(zhǔn)確估計(jì)其疲勞壽命期限,當(dāng)易損件達(dá)到使用壽命時(shí)及時(shí)更換,設(shè)計(jì)時(shí)采用可開(kāi)啟式結(jié)構(gòu),易于維修于檢查與更換。

(3)減荷設(shè)計(jì)法:設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)設(shè)計(jì)法:采用信號(hào)監(jiān)控裝置,進(jìn)行適時(shí)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(jì)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(jì)法:當(dāng)其中一個(gè)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(jī)機(jī)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(jì)也不允許輕視,任何結(jié)構(gòu)件均由構(gòu)件組合而成,實(shí)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(jì)中的連接件設(shè)計(jì)就是抗疲勞設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

活塞作為內(nèi)燃機(jī)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(jī)的工作可靠性和使用耐久性。同時(shí)直接影響到內(nèi)燃機(jī)的排放性能。近年來(lái),發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高,排放要求也日益嚴(yán)格。特別當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力超過(guò)20 MPa時(shí)。鋁活塞已不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)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(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞的設(shè)計(jì)開(kāi)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(guò)尋找替代材料、改進(jìn)結(jié)構(gòu)及工藝等抗疲勞設(shè)計(jì)方法來(lái)提高活塞的疲勞強(qiáng)度很有必要。

總體看來(lái),國(guó)內(nèi)活塞結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)集中在以下幾點(diǎn):

(1)鋁活塞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

國(guó)內(nèi)研究人員在這方面研究較多,前期積累的經(jīng)驗(yàn)也不少,主要集中在活塞應(yīng)力及溫度場(chǎng)分析研究,分析導(dǎo)致疲勞破壞的因素。進(jìn)而運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法改進(jìn)結(jié)構(gòu)及尺寸。

(2)鍛鋼活塞的研發(fā)和改進(jìn)

國(guó)內(nèi)對(duì)這個(gè)方向的研究逐漸重視起來(lái)。由于前期鍛鋼活塞設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)少,主要通過(guò)借鑒國(guó)外鍛鋼活塞設(shè)計(jì)成果.參照鋁活塞設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。還有待進(jìn)一步研究。

國(guó)外活塞結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài):輝門(mén)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(chǎng)。20l0年10月,輝門(mén)公司宣布在原有Monosteel的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),使用“雙帶”活塞裙設(shè)計(jì)。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(guó)馬勒Femcomp活塞的主要特點(diǎn)是鍛鋼頭與鍛鋼裙組合。活塞頭為鍛鋼制。材料為42CrM04.淬火和回火處理;活塞裙材質(zhì)為38MnVs6;通過(guò)鍛造后冷卻控制獲得適當(dāng)強(qiáng)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(dòng)機(jī)。馬勒MoNOTHERM活塞是由整塊鍛鋼制成?；钊共俊N(xiāo)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(jìn)入了批量生產(chǎn).大部分應(yīng)用于歐3、歐4重型卡車(chē)上。

汽車(chē)制造業(yè)的工程師越來(lái)越仰賴(lài)噴丸強(qiáng)化技術(shù)來(lái)改善和提高汽車(chē)關(guān)鍵部件的抗疲勞壽命,并將這一因素在轎車(chē)、卡車(chē)、摩托車(chē)等設(shè)計(jì)的最初就加以充分考慮和重視。該噴/拋丸強(qiáng)化技術(shù)和工藝的應(yīng)用現(xiàn)亦含括幾乎大部分發(fā)動(dòng)機(jī)零件的設(shè)計(jì)中,包括:曲軸(去氧化皮和強(qiáng)化)、連桿(強(qiáng)化)、傳動(dòng)齒輪和其它軸類(lèi)零件、齒圈、活塞,太陽(yáng)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(guò)的曲軸需要經(jīng)由拋丸清理來(lái)去除表面的熱氧化皮。曲軸被置于旋轉(zhuǎn)輥輪上,在滾動(dòng)時(shí),曲軸所有表面被充分曝露在多個(gè)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(xiǎn)性極大。目前,通過(guò)噴丸強(qiáng)化來(lái)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(qiáng)化的機(jī)理是利用嚴(yán)格控制直徑并具有一定強(qiáng)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(wú)數(shù)個(gè)小錘進(jìn)行錘擊,使曲軸表面產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性變形,形成冷作硬化層。簡(jiǎn)單而言,由于曲軸在加工中受各種機(jī)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(qiáng)化丁藝就是通過(guò)引入一個(gè)預(yù)壓應(yīng)力來(lái)抵消零件在以后工作周期會(huì)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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