高强度连杆螺栓的疲劳寿命分析

Ｆａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ Ｌｉ ｆ ｅ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｈｉ ｇ ｈ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ Ｃｏ ｎｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｒｏ ｄ Ｂｏ ｌ ｔ
ＴＩ ＡＮ Ｊ ｉ ｅ ～，ＳＨＡＮＧ Ｇａ ｏ — ｇ ａ ｏ 。 ，ＺＨＯＵ Ｊ ｉ ａ ｎ — ｂ ｉ ｎ ，ＺＨＵ Ｙｕ ｎ — ｍｉ ｎ ｇ
１ ６
１ ７ １ ８ １ ９ ２ ０
１ ． ６ Ｏ ×１ Ｏ
１ ． １ Ｏ ×１ Ｏ １ ． Ｏ ６ ×１ ０ １ ． Ｏ ５ ×１ Ｏ ０ ． ９ ５ ×１ ０
头 下
头 下 头 下 头 下 头 下
不 合 格
不 合 格 不 合格 不 合 格 不 合格
０ ． ９ ８ ×１ ０ １ ． Ｏ ４ ×１ Ｏ
断 裂 位 置
头 下 头 下
合 格 情 况
不 合 格 不 合格
序 号
ｌ １ １ ２
疲劳寿命／ 次
５ ． Ｏ ０ ×１ ０ １ ． Ｏ ４ ×１ Ｏ
断 裂 位 置
未 断 裂 头 下
合 格 情 况
合 格 不 合 格
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第 ２ ９卷 第 ５期
南 京 林 业 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版）
Ｖｏ １ ． ２ ９， Ｎｏ ． ５
２ ０ ０ ５年 ９月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｆ ｏ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
摘 要 ： 针对 Ｓ ＯＦ Ｉ Ｍ 发 动 机 连 杆 螺 栓 出现 的早 期疲 劳 断 裂 现 象 ， 建 立 了连 杆 螺栓 的 有 限 元模 型 ， 利用有 限元 方 法 进 行 了该 连 杆 螺 栓 的疲 劳寿 命 分 析 ， 并 与 疲 劳 试 验 进 行 了对 比 。结 果 表 明 ， 该 连 杆 螺 栓 杆 部 与 头 部 的 过 渡圆弧处容易产生应力集 中， 造成其疲劳断裂。为此 ， 提 出 了局 部 滚 压 的 改进 方 法 ， 经有 限元分析 ， 该 改 进 措
２ ． ２ 疲 劳 寿 命
２ ． ２ ． １ 有 限元模 型 的建 立
由于连杆 螺栓 的疲 劳寿 命分 析需要 已知 各 点 的应 力 分 布 数据 ］ ， 利 用 ＡＮＳ ＹＳ软件 对 连 杆 螺 栓 承
受最 大载 荷 、 平 均 载荷 和最小 载荷 时各 点 的应力 分 布情 况分别 进行 分析 。 考虑 到 高强度 螺栓 的滚 丝工 艺是 在热 处理 工艺 之后 完成 的 ， 使得 螺纹处 得 以强 化 ， 且 疲 劳试验 的结
的应力集 中 ， 导致 出现 疲劳裂 纹 乃至 断裂 。因此 ， 除一般 的机 械性 能 要 求 ， 还 对其 抗 疲 劳性 能有 较 高 的 要求 。事 实上 ， 在对 Ｓ ＯＦ Ｉ Ｍ 连 杆螺 栓进 行疲 劳试 验 时 ， 就 出现 了仅 循环 近 １ ０ 。 次就 断裂 的现 象 ， 而其疲 劳 寿命要 求 的循 环 次数 为 ５ ×１ ０ 。 次 。笔者 针对 该连 杆螺 栓 出现 的早期 疲 劳断裂 问题 ， 利 用有 限元 分析 软件 ＡＮＳ ＹＳ进 行疲 劳分 析 ， 并在 此基 础上 ， 提 出改 进方 法 ， 以期能 解决 实 际生产 问题 ， 切 实有 效 地 提 高
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南 京 林 业 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版）
第 ２ ９卷
第 ５期
２ 结 果 与 分 析
２ ． １ 疲 劳 试 验
１ ２ ． ９级 Ｓ ＯＦ Ｉ Ｍ 连杆 螺 栓 的 疲 劳 试 验 结 果 如 表 １ 所 示 。从 表 １可 见 ， 在 ２ Ｏ个 试 件 中 ， 合 格 的 仅
２个 ， 断裂 的有 １ ８个 ， 断 裂部位 均 发生在 连杆 螺栓 杆 部与 头部 的过 渡圆 弧处 。
表 １ 疲 劳 试 验 结 果
Ｔａ ｂ ｌ ｅ １ Ｒｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ
Fra Baidu bibliotek
序 号
１ ２
疲劳寿命／ 次
频率为 ２ ０ ０ Ｈｚ 的正弦波 。 当试件 达到破坏极 限或试验循 环次数达 到要求 的 ５ ×１ ０ 。 次时停止试 验 。
收 稿 日期 ： ２ ０ ０ ４ —０ ９ —０ １
修 回 日期 ： ２ ０ ０ ５ —０ ６ —２ ０
作者简介： 田
杰（ １ ９ ７ １ 一） ， 女， 讲师 ， 江 苏 大 学 车 辆工 程专 业 博 士 生 ， 主 要 从 事 汽 车 设计 ＣＡＤ ／ Ｃ ＡＥ的 研 究 。
不 合 格
不 合 格 不 合 格
６
７ ８ ９ １ Ｏ
１ ． １ ０ ×１ ０
１ ． Ｏ ３ ×１ Ｏ １ ． Ｏ ２ ×１ ０ １ ． １ ０ ×１ ０ １ ． Ｏ ６ ×１ Ｏ
头 下
头下 头 下 头 下 头 下
不 合 格
不 合 格 不 合 格 不 合 格 不 合 格
Ｓ ＯＦ Ｉ Ｍ 连 杆 螺栓 的滚丝 工艺 是在 热处 理工 艺之 后 进 行 的 。 在 螺 纹 处 容 易形 成 压 应力 ， 使 螺 纹 得 到
了强化 ， 提 高 了螺 纹处 的疲 劳寿命 口 ］ 。但其 颈部 形状 复杂 ， 由三 段 圆弧组 成 ， 如图 １ 所示 ， 三段 圆弧 的半 径 各不 相 同 ， 圆弧 的过 渡连 接处 理在 实 际生产 中较 难完 全达 到 图纸 的要求 ， 有 可能 导致在 连杆 螺 栓杆 部 与头部 的过 渡圆弧 处 出现 应力集 中 ， 疲 劳寿命 下降 。
连杆 螺栓 是发 动机 乃 至整个 汽 车 中最 重要 、 强 度要 求 最 高 的螺栓 之一 ， 而其 工 作 环境 恶 劣 ， 承 受 交
变 载荷 的作用 ， 一 直 处 于 疲 劳 应 力 状 态 。 由于 其 尺 寸 受 到 限 制 ， 若 设 计 或 加工 处 理 不好 ， 极 易 产 生 严 重
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｅａ ｒ ｌ ｉ ｅ ｒ ｆ ａ ｔ ｉ ｇｕ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｐ ｈｅ ｎ ｏｍ ｅ ｎ ｏｎ ｏｆ ＳＯ ＦＩ Ｍ ｅ ｎ ｇｉ ｎ ｅ ｃ ｏ ｎｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎｇ ｒ ｏ ｄ ｂ ｏｌ ｔ ｉ ｓ ｃ ｏｎ ｃ ｅ ｎ — ｔ ｒ ｅ ｄ ． Ａｆ ｔ ｅ ｒ ａ ｆ ｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｍｏ ｄｅ ｌ ｗａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂｌ ｉ ｓ ｈｅ ｄ。ａ ｆ ｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ａ ｎｄ ａ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏｕｔ ． Ｔｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｎｇ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈｅ ａ ｒ ｃ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｉ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｒ ｅ ａ ｂｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｒ ｏ ｄ ａ ｎｄ ｈｅ ａ ｄ ｗａ ｓ ｅ ａ ｓ ｙ ｔ ｏ ｐｒ ｏ ｄｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏｎｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｗ ｈｉ ｃ ｈ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｆ ａ ｔ ｉ ｇｕ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕｒ ｅ ． Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｓ ｏｌ ｖ ｅ ｔ ｈｉ ｓ ｐｒ ｏ ｂｌ ｅ ｍ ，ａ ｅ ｘｔ ｅ ｎｄ ｉ ｎｇ ｆ ａ ｔ ｉ ｇｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ’ Ｓ ｍ ｅｔ ｈｏ ｄ ｂｙ ｒ ｏｌ ｌ ｉ ｎｇ ｍｅ ａ ｎ ｓ ｗａ ｓ ｐｕ ｔ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ． Ｔ ｈｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎ ａｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈｅ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｗａ ｓ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎａ ｂ ｌ ｅ ａ ｎｄ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｂ ｌ ｅ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ： Ｈｉ ｇ ｈ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇｔ ｈ ｃ ｏｎ ｎｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏｄ ｂ ｏｌ ｔ ； Ｆａ ｔ ｉ ｇ ｕｅ ｌ ｉ ｆ ｅ；Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
连杆 螺栓 的疲 劳强度 。
疲 劳 强 度 试 验 方 法
试验按 Ｅ ＱＹ一２ ６ １ —９ ７ 《 汽 车螺纹 紧 固件 轴 向载 荷疲 劳 试 验 方 法 》 在 Ｐ Ｌ Ｇ一２ ０ ０ Ｂ高 频 拉 压 疲 劳试
验机上 进 行 。 试件 为 Ｓ ＯＦ Ｉ Ｍ 连 杆螺 栓实 物 。试验 的平 均载 荷为 １ １ ． ５ ５ ｋ Ｎ； 交 变 载荷是 幅值 为 ９ ． ４ ５ ｋ Ｎ，
（ １ ． Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｆｏ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ３ ７， Ｃｈ ｉ ｎ ａ； ２ ． Ｓ ｃ ｈｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｒ ａ ｎｓ ｐ ０ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ０ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ，Ｚ ｈｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ２ １ ２ ０ １ ３， Ｃｈ ｉ ｎ ａ； ３ ． Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｙｕ ｅ ｊ ｉ ｎ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ Ｇｒ ｏ ｕ ｐ Ｌｔ ｄ ．， Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ １ １ ０ ０， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｓ ｅ ｐ ｔ ・ ， ２ ０ ０ ５
高 强 度 连 杆 螺 栓 的 疲 劳 寿 命 分 析
田 杰 ， 商 高 高 ， 周建兵。 ， 朱 云 明。
（ １ ． 南京 林 业 大 学 机 械 电子 工 程 学 院 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ３ ７ ； ２ ． 江 苏大 学汽 车 与交 通 工 程 学 院 ， 江 苏 镇 江 ２ １ ２ ０ １ ３ ； ３ ． 南 京 跃进 汽 车 集 团 ， 江苏 南京 ２ １ １ １ ０ ０ ）
施 可 有 效 提 高 连 杆 螺 栓 的疲 劳寿 命 。 关键 词 ： 高 强度 连 杆 螺栓 ； 疲劳寿命 ； 有 限 元 分 析
中图分类号 ： ＴＨ １ ３ ３ ． ５
文 献标 识 码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ０ —２ ０ ０ ６ （ ２ ０ ０ ５ ） ０ ５ —０ ０ ７ ７ —０ ３
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１ ． ４ Ｏ ×１ ０
５ ． Ｏ ０ ×１ ０ １ ． Ｏ ９ ×１ ０
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１ ． ４ Ｏ ×１ Ｏ 。
１ ． １ ２ ×１ ０ ３ ． ５ ０ ×１ ０ 。
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