發(fā)動(dòng)機(jī)連桿失效分析

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1、 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿失效分析 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 作 者 XXX 學(xué) 號(hào) XXXXXXXX 專業(yè)班級(jí) XXXXXXXX 小組成員 XXXXXXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師 XXXXXX 2013年12月 目錄 引言 3 一.基本知識(shí) 4 1. 連桿的

2、結(jié)構(gòu) 4 2. 制造工藝 5 3. 鋼鍛連桿使用材料 5 4. 連桿受力分析及有限元法 6 二.?dāng)嗫诶砘瘷z驗(yàn) 8 1. 材料化學(xué)成分 8 2. 斷口外觀質(zhì)量和失效形貌 8 3. 微觀斷口夾雜物檢測(cè)分析 9 4. 斷口金相組織 9 5. 斷裂位置 10 三.失效原因(斷裂原因) 10 1. 失效原因總結(jié) 10 2. 連桿疲勞強(qiáng)度研究 11 3. 連桿疲勞壽命預(yù)測(cè) 14 四.總結(jié) 15 1. 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素 15 2. 對(duì)連桿生產(chǎn)的建議 16 五.參考文獻(xiàn) 17 引言 連桿是車用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件,從對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的失效歷史數(shù)據(jù)來看

3、,連桿的失效概率非常高,而且其失效模式與失效原因具有多態(tài)性,其本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、制造工藝、熱處理工藝、工況的惡劣程度、使用頻率以及設(shè)備維護(hù)、維修等因素均可造成失效。 連桿的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并把活塞上的力傳給曲軸。連桿小端做往復(fù)運(yùn)動(dòng),大端做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),桿身做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng),它承受活塞傳來的氣體壓力,往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力及本身?yè)u擺所產(chǎn)生的慣性力的作用,這些力的大小和方向周期性變化,易引起連桿失效。據(jù)統(tǒng)計(jì),連桿的主要破壞形式是疲勞破壞。 摘要:連桿的主要破壞形式是疲勞破壞。本文主要對(duì)鋼鍛連桿進(jìn)行分析,并從連桿結(jié)構(gòu)、制造工藝、受力分析、所選材料以及斷口組織結(jié)構(gòu)等方面對(duì)失效原因

4、和疲勞破壞進(jìn)行分析總結(jié)。 關(guān)鍵詞:汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、鋼鍛連桿、失效分析、疲勞 連桿作為傳遞力的主要部件廣泛地應(yīng)用于各類動(dòng)力機(jī)車上, 是各類柴油機(jī)或汽油機(jī)的重要部件。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的作用是將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的輸出。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿連接活塞和曲軸,將活塞承受氣體作用力傳給曲軸,使曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外輸出動(dòng)力,工作時(shí)承受很高的周期性沖擊壓力、彎曲力和慣性力,這就要求連桿應(yīng)具有高的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能,連桿體的幾何結(jié)構(gòu)有良好的結(jié)構(gòu)剛度。同時(shí)也因連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的運(yùn)動(dòng)部件,而高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力又要求結(jié)構(gòu)輕巧,所以要求連桿在

5、盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量精度。[1] 一.基本知識(shí) 1. 連桿的結(jié)構(gòu) 連桿(connecting rod) 連桿機(jī)構(gòu)中兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接以傳遞運(yùn)動(dòng)和力的桿件。 連桿由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸瓦等零件組成,連桿體與連桿蓋分為連桿小頭、桿身和連桿大頭。 連桿小頭用來安裝活塞銷,以連接活塞。桿身通常做成“工”或“H”形斷面,以求在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下減少質(zhì)量。 連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連。一般做成分開式,與桿身切開的一半稱為連桿蓋,二者靠連桿螺栓連接為一體。 連桿軸瓦:安裝在連桿大頭孔座中,與曲軸上的連桿軸頸裝和在

6、一起,是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的配合副之一。 2. 制造工藝 鋼制連桿都用模鍛制造毛坯。它的鍛造工藝有兩種方案, 將連桿體和蓋分開鍛造, 連桿體和蓋整體鍛造。鋼鍛連桿的一般制造工藝如下: 原材料→斷料→鍛造坯料→精模鍛→調(diào)質(zhì)處理→噴丸→硬度及表面檢查→矯正→精壓→探傷→精加工→成品。[2] 按照連桿體和蓋的剖分方法,目前連桿制造工藝主要分為2種:(1)傳統(tǒng)連桿制造工藝。體、 蓋為整體鍛造結(jié)構(gòu),經(jīng)過粗加工后,采用鋸斷法將體、蓋分離,精加工結(jié)合面后再組裝進(jìn)行其它精加工;(2)連桿裂解工藝。與傳統(tǒng)工藝的區(qū)別體現(xiàn)在斷裂面呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的自然斷裂表面,由此使其具有加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)

7、成本低等優(yōu)勢(shì)。此外,裂解工藝還可使連桿承載能力、抗剪能力、桿和蓋的定位精度及裝配質(zhì)量大幅度。 傳統(tǒng)連桿的大批量生產(chǎn)較多采用專用機(jī)床,工序較多。加工過程中基準(zhǔn)需經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換,精度不易保證,適應(yīng)性較差。現(xiàn)在連桿制造工藝,采用數(shù)控加工中心完成機(jī)加工,工序集中,基準(zhǔn)統(tǒng)一, 而且可以隨產(chǎn)量的增長(zhǎng)而靈活調(diào)整,是一種既經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性又強(qiáng)的先進(jìn)生產(chǎn)方式。 3. 鋼鍛連桿使用材料 ① 碳素鋼和合金鋼 國(guó)內(nèi)一般中、小型汽油機(jī)及柴油機(jī)連桿采用的傳統(tǒng)材料是碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼,通常小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳素調(diào)質(zhì)鋼,大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用合金調(diào)質(zhì)鋼。碳素鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:0.40%~0.55% ;合金鋼主要添加

8、的合金元素是鉻、錳、鉬、硼等,可單獨(dú)添加或復(fù)合添加。[3]碳素鋼連桿的調(diào)質(zhì)硬度一般在229~269HBS,合金鋼連桿的調(diào)質(zhì)硬度可達(dá)到300HBS,但最高不超過330HBS,這主要是考慮后續(xù)的機(jī)械加工。調(diào)質(zhì)連桿具有足夠的強(qiáng)度和塑性,一般碳素鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到800 MPa以上,沖擊韌度在60 J/cm以上;合金鋼調(diào)質(zhì)鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到900 MPa以上,沖擊韌度在80J/cm以上,可滿足連桿的可靠性要求。調(diào)質(zhì)鋼連桿的制造工序是,棒料經(jīng)過剪切,熱鍛成形,調(diào)質(zhì)處理,強(qiáng)力噴丸、機(jī)械加工,裝配和檢測(cè)。 ② 非調(diào)質(zhì)鋼 非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化機(jī)理是在中碳鋼的基礎(chǔ)上添加釩、鈦、鈮等微合金元素,通過控制軋制或控制鍛造過

9、程的冷卻速度,使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物使其得到強(qiáng)化。非調(diào)質(zhì)鋼省略了鍛后的熱處理,從而節(jié)省了能源,減少了生產(chǎn)工序,降低了成本。另外,由于省略了調(diào)質(zhì)工序,避免了零件在熱處理工序中產(chǎn)生的淬火裂紋和變形等一系列的質(zhì)量問題,對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有一定的好處。非調(diào)質(zhì)鋼按其強(qiáng)韌可以分4類(如表1)其中基本型和高強(qiáng)度型適用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。 ③ 粉末燒結(jié) 粉末燒結(jié)鍛造工藝在20世紀(jì)60年代就已出現(xiàn)。當(dāng)時(shí),美國(guó)、日本及歐洲的一些國(guó)家均進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。由于當(dāng)時(shí)金屬粉末的種類極少,又受到成本的限制,發(fā)展不快。隨著金屬粉末、合金粉末的開發(fā)及相關(guān)工業(yè)的發(fā)展,粉末燒結(jié)鍛造工藝也相應(yīng)的得到發(fā)展,并且逐

10、漸的應(yīng)用到汽車結(jié)構(gòu)件的制造之中。 4. 連桿受力分析及有限元法 對(duì)連桿高速運(yùn)動(dòng)中的受力狀況進(jìn)行理論分析,需結(jié)合有限元軟件ANSYS對(duì)活塞連桿進(jìn)行三維準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析研究,計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)、工作狀況相符;采用接觸算法,以理論分析為依據(jù),模擬分析為手段,找出導(dǎo)致連桿失效的主要因素。 活塞連桿組的運(yùn)動(dòng)狀況如圖1所示。其中,小頭端隨活塞組做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),大頭端繞曲柄銷做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),桿身部分為往復(fù)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)所合成的復(fù)合運(yùn)動(dòng);連桿的受力情況較為復(fù)雜,在其桿身的每一個(gè)截面上都會(huì)有彎矩、剪力和法向力,但彎矩和剪力都不大,桿身的主要載荷是交變的拉壓負(fù)荷。[4] 圖1活塞連桿組的運(yùn)動(dòng) 柴油機(jī)活塞

11、連桿組的運(yùn)動(dòng)極不均勻,伴隨著很大的加減速度,產(chǎn)生超重上千倍的慣性負(fù)荷,對(duì)連桿的強(qiáng)度和耐久性影響很大,并導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲。這些慣性負(fù)荷主要有:活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的往復(fù)慣性力,曲軸不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力,連桿運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力。[5] 受計(jì)算機(jī)技術(shù)限制,以往的連桿有限元分析計(jì)算一般是將連桿計(jì)算模型簡(jiǎn)化成二維平面問題來處理。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力越來越大,連桿計(jì)算越來越多采用三維有限元分析。三維有限元分析時(shí)因單元數(shù)量多,計(jì)算量龐大,資源占用嚴(yán)重,所以通常連桿分析模型一般不包括活塞銷和連桿軸頸,連桿受力是通過加在連桿大、小頭孔內(nèi)表面的載荷來簡(jiǎn)化計(jì)算分析。模型簡(jiǎn)化

12、會(huì)給建立模型、劃分網(wǎng)格、分析計(jì)算等過程帶來方便,所需的計(jì)算資源減少,但同時(shí)帶來的問題是簡(jiǎn)化處理過多會(huì)影響計(jì)算結(jié)果精度。接觸問題是有限元分析中的一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)檫B桿與活塞銷、曲軸等零件相互作用組成一個(gè)受力系統(tǒng),每個(gè)零件間的接觸表面有力的相互作用。采用接觸分析法能最大限度地模擬連桿與活塞銷、曲軸間的關(guān)系。[6]因此,本文采用接觸法來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行分析,分析過程中同時(shí)考慮到活塞銷和連桿軸頸,在連桿與活塞銷、連桿與連桿軸頸間分別建立彈性接觸對(duì),用接觸對(duì)來模擬連桿與活塞銷、連桿與連桿軸頸間的連接關(guān)系,使連桿分析模型盡量與連桿工作的實(shí)際狀況相吻合,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分析的目的。 二.?dāng)嗫诶砘瘷z驗(yàn) 采用 QUAN

13、TA-400 型掃描電鏡對(duì)失效連桿斷口進(jìn)行形貌觀察分析。從連桿斷口附近切取試樣進(jìn)行拋光,經(jīng)4%HNO3酒精溶液腐蝕后,用 LEICA DMI5000M光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織。連桿的化學(xué)成分采用化學(xué)粉末法進(jìn)行分析。 1. 材料化學(xué)成分 碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼是連桿用鋼的傳統(tǒng)鋼種,如:40Cr 連桿,其化學(xué)成分如下: C Si Mn Cr S P 0.40—0.42 0.22—0.23 0.62—0.66 0.80—1.10 0.01—0.03 0.007—0.008 2. 斷口外觀質(zhì)量和失效形貌 具體取樣位置見示意圖2。連桿桿身斷裂成兩部分, 同時(shí)可以看出桿

14、部有明顯的扭曲塑性變形(圖3、圖4)。 圖2 斷裂位置 圖3 裂紋源 圖4 宏觀斷口形貌 對(duì)斷口進(jìn)行除油、除銹處理后,在裂紋源的過渡圓弧表面未發(fā)現(xiàn)明顯的擦傷或腐蝕溝槽。斷口均呈明顯疲勞斷口, 均有清晰可見的疲勞貝紋(外凸)??煽闯鰯嗫诜殖蓛蓚€(gè)區(qū), 裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)。在擴(kuò)展區(qū)的某些區(qū)域可觀察到類似疲勞的花樣。由弧線的彎曲方向,可知裂紋源的位置。[2] 3. 微觀斷口夾雜物檢測(cè)分析 在斷裂部位進(jìn)行掃描電鏡觀察, 如圖5 所示,在裂紋源區(qū)斷面的主要形貌由韌窩和夾雜物組成。 圖5 裂紋源區(qū)的夾雜物分布 對(duì)斷口處進(jìn)行試樣

15、元素檢測(cè),發(fā)現(xiàn)S、Mn、Si、Al等元素含量很高, 雜質(zhì)多為A 類或B 類夾雜物,還有少量爐渣。 4. 斷口金相組織 從圖6 可以看出,組織主要為細(xì)片狀的屈氏體和沿晶分布的網(wǎng)狀鐵素體,顯然,這種組織是在調(diào)質(zhì)淬火過程中由于冷卻不足所造成的,連桿中調(diào)質(zhì)組織的片狀屈氏體,和邊緣處的貧碳層為連桿過早的發(fā)生塑性變形提供了組織上的有利條件;邊界上的夾雜物阻止塑性變形,產(chǎn)生位錯(cuò)塞積形成應(yīng)力集中區(qū),為顯微裂紋的形成提供了有利條件。裂紋顯微形貌見圖7。 100 μm 50μm 圖6斷口下側(cè)金相組織圖 圖

16、7裂紋顯微形貌 5. 斷裂位置 對(duì)不同類型的連桿的破壞進(jìn)行深入研究,綜合起來可以得出,連桿的破壞可能出現(xiàn)在以下幾個(gè)部位:桿身斷裂;連桿小頭斷裂;連桿大頭斷裂;連桿蓋斷裂;連桿螺栓斷裂;“直角臺(tái)階”處的疲勞斷裂。從以上的破壞部位可以看出,幾乎連桿所有部位都有可能出現(xiàn)斷裂。但是從連桿破壞的大量實(shí)例來看,無(wú)論是主副連桿,還是并列連桿,以其桿部的疲勞斷裂居多。疲勞破壞的主要形式有:磨損、腐蝕和斷裂。[7] 三.失效原因(斷裂原因) 1. 失效原因總結(jié) 整個(gè)斷口分為斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及最后瞬斷區(qū)。從連桿破壞的大量實(shí)例來看,無(wú)論是主副連桿,還是并列連桿,以其桿部的疲勞斷裂居多。疲勞

17、破壞的主要形式有:磨損、腐蝕和斷裂。裂紋源區(qū)在軸頸圓角面的小曲面上,斷口邊緣較為鋒利,擴(kuò)展區(qū)較大,呈現(xiàn)貝殼狀擴(kuò)展花樣,瞬斷區(qū)域較小并呈纖維狀斷口形貌(如圖2—圖4),整個(gè)斷口表現(xiàn)為低應(yīng)力作用下的彎曲疲勞斷裂。裂紋萌生后的亞穩(wěn)擴(kuò)展較慢,擴(kuò)展區(qū)也較大,從裂紋的形成到裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展經(jīng)歷了一定的時(shí)間,這與汽車的實(shí)際運(yùn)行里程也比較吻合。導(dǎo)致疲勞失效的原因總結(jié)如下: (1)當(dāng)材料中有大量的夾雜物時(shí),由于夾雜物本身與基體材料差異,在夾雜物周圍集中了較大應(yīng)力,循環(huán)加載初期,集中的應(yīng)力得以釋放而導(dǎo)致裂紋的萌生,并在夾雜物的尖角處集中,當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),晶粒內(nèi)部產(chǎn)生不均勻塑性變形。隨著損傷的不斷積累,開始形成微

18、裂紋,裂紋沿一定的滑移系不斷擴(kuò)展,最終成為導(dǎo)致基體材料斷裂的主裂紋。 (2)材料組織為片狀的屈氏體和沿晶分布的網(wǎng)狀鐵素體以及邊緣處不同程度的貧碳,因貧碳層的強(qiáng)度下降,在外力的作用下首先發(fā)生塑性變形,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到障礙物受阻時(shí),產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。位錯(cuò)塞積形成高應(yīng)力區(qū),當(dāng)應(yīng)力超過臨界值時(shí),則形成微裂紋。[2] (3)熱處理時(shí)連桿表面形成粗大的針狀馬氏體組織,使連桿具有較大脆性,易發(fā)生脆性斷裂。 2. 連桿疲勞強(qiáng)度研究 連桿的主要破壞形式是疲勞破壞。 (1) 疲勞現(xiàn)象 強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是對(duì)工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械使用的三個(gè)基本要求, 其中疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一, 引起疲勞失效的主

19、要原因是重復(fù)載荷。 疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)或機(jī)械直至破壞所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時(shí)間。 疲勞特征零件、構(gòu)件的疲勞破壞可分為3 個(gè)階段: ①微觀裂紋階段。在循環(huán)加載下, 由于物體的最高應(yīng)力通常產(chǎn)生于表面或近表面區(qū), 該區(qū)存在的駐留滑移帶晶界和夾雜, 發(fā)展成為嚴(yán)重的應(yīng)力集中點(diǎn)并首先形成微觀裂紋。此后, 裂紋沿著與主應(yīng)力約成45角的最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展, 裂紋長(zhǎng)度大致在0.005mm以內(nèi), 發(fā)展成為宏觀裂紋。 ②宏觀裂紋擴(kuò)展階段。裂紋基本上沿著與主應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展。 ③瞬時(shí)斷裂階段。當(dāng)裂紋擴(kuò)大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時(shí), 物體就會(huì)在某一次加載下突然斷裂,對(duì)應(yīng)于疲勞破壞的3 個(gè)階段,在疲

20、勞宏觀斷口上出現(xiàn)有疲勞源疲勞裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂3個(gè)區(qū)。 (2) 疲勞力學(xué)性能指標(biāo) 金屬的疲勞力學(xué)性能指標(biāo)有:疲勞缺口敏感度、應(yīng)力比、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子范圍、最大載荷、最小載荷、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、保持時(shí)間、疲勞壽命、疲勞極限、理論應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞缺口系數(shù)、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、累積循環(huán)次數(shù) (3) 疲勞強(qiáng)度測(cè)試 ①試驗(yàn)設(shè)備 連桿疲勞試驗(yàn)在液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)采用液壓方式加載,加載過程中對(duì)試樣無(wú)沖擊,也允許試樣裝夾時(shí)存在間隙,但是試驗(yàn)頻率較低,一般不高于30Hz,因而試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。 ②裝夾方式 在工況下,連桿小頭孔與活塞銷之間一般為間隙配合且有

21、潤(rùn)滑油并帶有襯套。在疲勞試驗(yàn)過程中,連桿的裝夾方式應(yīng)盡量模擬連桿實(shí)際工作中的受載環(huán)境,并加注潤(rùn)滑油。在使用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),由于試驗(yàn)設(shè)備要求連桿小頭孔與銷之間必須采用過盈配合,所以連桿小頭孔與活塞銷之間不能加注潤(rùn)滑油,連桿孔在試驗(yàn)過程中的受載情況與實(shí)際工況有較大差別,影響了試驗(yàn)結(jié)果。 圖8液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上連桿裝夾方式 在使用液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),用連桿夾具固定連桿大頭和小頭(如圖8),大頭用尺寸與曲軸連桿軸頸相同的大頭銷替代,小頭孔與活塞銷可采用間隙配合方式連接。[8] ③試驗(yàn)方法 目前,連桿疲勞試驗(yàn)規(guī)范一般執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。按加載方式不同來分,常見的試驗(yàn)

22、加載方式有如下兩種。 1) 恒定負(fù)荷比法 恒定負(fù)荷比法是在試驗(yàn)加載時(shí),保持負(fù)荷比Rf不變,用名義負(fù)荷中的最大壓力和最大拉力乘以一個(gè)安全系數(shù)來確定試驗(yàn)載荷。 2) 恒定最大壓力法 恒定最大壓力法是在試驗(yàn)加載時(shí),用發(fā)動(dòng)機(jī)的最大超轉(zhuǎn)速乘以一個(gè)系數(shù),然后由此確定出試驗(yàn)過程中的最大壓力,而試驗(yàn)載荷中的拉力用連桿名義負(fù)荷中的最大拉力乘以一個(gè)安全系數(shù)來確定。 ④疲勞試驗(yàn)流程 1) 確定加載方式 根據(jù)連桿設(shè)計(jì)部門對(duì)連桿的要求,確定適當(dāng)?shù)募虞d方式。 2)確定試驗(yàn)樣品 試驗(yàn)樣品必須是完整的連桿總成,包括連桿、連桿蓋、連桿螺栓、連桿軸瓦以及襯套。 根據(jù)試驗(yàn)方法確定所需樣品數(shù)量。用成組法確定連桿的

23、S-N曲線時(shí),為了保證疲勞試驗(yàn)的可靠性,同時(shí)考慮試驗(yàn)周期不能太長(zhǎng),需要在4—5個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)應(yīng)力水平試驗(yàn)4—6個(gè)試樣,一般需要25—30個(gè)試樣。用升降法確定連桿的疲勞極限,一般需要10個(gè)試樣。 在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前,需要對(duì)試驗(yàn)連桿進(jìn)行常規(guī)檢驗(yàn),以確定試驗(yàn)連桿負(fù)荷技術(shù)條件要求。試驗(yàn)樣品必須明確其在設(shè)計(jì)過程或生產(chǎn)過程中所處的具體環(huán)節(jié)。 3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理 通過進(jìn)行疲勞試驗(yàn),可以得出試驗(yàn)連桿在一系列載荷下的疲勞壽命,并可以確定出在各個(gè)載荷下的破壞情況。 利用P-S-N曲線法估算疲勞極限時(shí),可分別求出存活率(P)為99.9%、95%和50%的P-S-N曲線。以某型連桿為例進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處

24、理。 根據(jù)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù),以載荷對(duì)數(shù)值lgS為縱坐標(biāo)、壽命對(duì)數(shù)值lgN為橫坐標(biāo),在不同的存活率下按直線擬合出對(duì)數(shù)P-S-N曲線(如圖9),通過P-S-N曲線,可以求得不同存活率下的疲勞極限載荷值Sr和安全系數(shù)Ks(如表2)。 圖9某連桿的P-S-N曲線 表2 某連桿的疲勞極限載荷值Sr和安全系數(shù)Ks P/% 99.9 95.0 90 50 Sr/kN 66 69 70 73 Ks 1.80 1.84 1.85 1.89 4)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià) 通過對(duì)連桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn),可以確定出連桿的薄弱部位,同時(shí)可以確定出試驗(yàn)連桿的安全系數(shù)。 3

25、. 連桿疲勞壽命預(yù)測(cè) 根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式,用積分法算出疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np,也可以算出帶裂紋或缺陷機(jī)件的剩余疲勞壽命。 對(duì)于機(jī)件疲勞壽命的估算,一般先用無(wú)損探傷的方法確定機(jī)件初始裂紋尺寸a0、形狀位置和取向,從而確定ΔK的表達(dá)式ΔK=YΔσ,再根據(jù)材料的斷裂韌度K1c及工作名義應(yīng)力,確定臨界裂紋尺寸,然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式,最后用積分方法計(jì)算從到所需的循環(huán)周次,即使疲勞剩余壽命。[9] 四.總結(jié) 1. 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素 疲勞斷裂一般是從機(jī)件表面應(yīng)力集中處或材料缺陷開始的,或者是從二者結(jié)合處發(fā)生的。因此,材料和機(jī)件的疲勞強(qiáng)度不僅與材料成分、組

26、織結(jié)構(gòu)及夾雜物有關(guān),而且還受載荷條件、工作環(huán)境及表面處理?xiàng)l件的影響。影響疲勞強(qiáng)度的各種因素歸納于表3中。 表3 影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素 工作條件 載荷條件(應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比、過載情況與次載情況、 平均應(yīng)力) 載荷頻率 環(huán)境溫度 環(huán)境介質(zhì) 表面狀態(tài)及尺寸因素 尺寸效應(yīng) 表面粗糙度 缺口效應(yīng) 表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力 表面噴丸及滾扎 表面熱處理 表面化學(xué)熱處理 表面涂層 材料因素 化學(xué)成分 組織結(jié)構(gòu) 纖維方向 內(nèi)部缺陷 2. 對(duì)連桿生產(chǎn)的建議 ①加工前對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格的

27、金相檢驗(yàn),采用超聲探傷,避免刀痕、擦傷、裂痕等表面缺陷,提高材質(zhì)表面質(zhì)量; ②選用夾雜物較少的鋼材,以減少夾雜物對(duì)零件力學(xué)性能的影響; ③制定正確的熱加工工藝,防止和減少連桿在鍛造和熱處理過程中的氧化脫碳; ④選用恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕苊庑纬纱执蟮木Я!? 五.參考文獻(xiàn) [1] 馬曉春等. 連桿鍛件的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(2):156-160. [2] 張進(jìn),趙曉博,陶世杰,姜江,張金芳,徐景峰.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿失效分析(山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東濟(jì)南;濰柴動(dòng)力股份公司,山東濰坊)

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