基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究

在 曲轴 圆角 网格模 型 中 ， 以主 轴颈 圆角 圆心 为 坐标
图 ３ ｌ 。 置 圆角 深 度 方 向应 力 分 布 Ｏ位
原点、 轴 为极 轴建 立极 坐标 系 （ 图 ２ 。 见 ）
娄
图 ４ 圆 角 深 度 ｏ ４ ｍｍ 处 应 力 分 布 ．
图 ５ 出不 同弯矩下 圆角 表面 应力 的对 比。从 示
图 ５可 以看 出 ， 同 弯矩 下 圆角 表 面应 力 分 布 趋 势 不
一
图 ２ 曲轴 圆角 网格
致 ， 角最 大 应 力 值 出现 在 ４ 。 置 。ＱＴ８ ０的 圆 ５位 ０
材料疲 劳极 限为 ２ ０ＭＰ ， ６ ａ 因此 通 过计 算 可 得 出该
３ 曲轴 疲 劳 强 度 的 计 算
曲 轴 疲 劳极 限 弯 矩提 高 １ ． 。 ５７
关 键 词 ：曲 轴 ； 压 ； 劳 强 度 ；残 余 应 力 滚 疲
中 图分 类 号 ： Ｋ４ ３ Ｔ １ 文献标志码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：１ ０ － ２ ２ ２ １ ） １０ ８ — ５ ０ １ ２ ２ （ ０ ２ ０ — ０ ４０
Ｇ ＝Ｌ ／ ＋ Ｈ ； ＝ 。２ ： Ｌ为 相 邻 两 主 轴 承 中 心距 离 ， — Ｌ
Ｌ ＋ Ｌ ＋ ２ ； 为支 撑系数 ， 支 撑 Ｋ 取 ０ ７ 。 。 ｊ Ｈ Ｋ 全 ． ５
动机 曲轴 弯 曲疲劳 试验 方法 》 发动机 曲轴名 义工 作 ，
弯矩 的计 算方 法如 下 ：
Ｍ＿ １一 ｎ Ｌ１ Ｄ ＫＧｐ／ Ｌ 。 ４
线 性插 值 的方 法 ， 弯 矩 载 荷 达 到 １０ １Ｎ ・ 当 ８ ｍ时 ， 圆角 的最大 ｓ ｗＴ 等 效 应 力 达 到 ２ ０ＭＰ ， 时疲 ６ ａ 此
曲轴疲 劳强 度计 算 中 ， 将 残 余 应 力 的影 响考 虑 在 需 内， 否则 计算 结果 与 实 际情 况 差异 较大 。
为 曲柄 臂厚 度 ； 为主轴 颈 中心至 连 杆轴 颈 中心 的 Ｌ
距 离 ， 一 （ ｉ Ｌ ） ２ Ｈ ； Ｌ Ｌ ＋ ／ ＋ Ｇ为 支 撑 反力 臂 长 ，
滚压 机 理和 滚压 参数 进行 研究 。本 研 究从 提 高疲劳 强度 的角度 来优 化 曲轴 圆 角 滚 压 的工 艺 参 数 ， ｆ 使 Ｈ ｊ 轴经 滚 压后 产生 足 够 大 的 疲 劳 极 限弯 矩 ， 足对 曲 满 轴疲 劳 强度 日益 增 大 的需 求 。
属表 面 微观 裂纹 会 增 大 ， 而 降 低 了 曲轴 的 疲 劳 强 从 度 。因此 ， 一般 来说 ， 曲轴轴 颈 的滚压 次数 在 １ ～ Ｏ
收 稿 日期 ： ０ １ ０ — １ ２ １ － ８３ ；修 回 日期 ：２ １ — ２ １ ０ ２０ — ６
作 者 简 介 ： 晨 海 （９ ９ ）男 ， 郭 １５ ， 副教 授 ， 要 研 究 方 向为 发 动 机 Ｃ 主 ＡＥ分 析 及 发 动 机排 放 ；ｕ ＿ ｈ ｎ ａ＠ ｙ ｈ ｏ ｔｍ．ｎ。 ｇ ｏｃ ｅ ｈ ｉ ａ ｏ ．ｏ ｃ
一
１
本 研 究 以 ４缸 柴油 机 曲 轴 为分 析 对 象 ， Ｐ ｏ 在 ｒ／ Ｅ中建 立 曲轴 模 型 。 曲轴 的 主轴 颈 宽 度 ３ １ｍｍ， 连 杆轴 颈 宽 度 ３ ２ｍｍ， 曲柄 臂 厚 度 ２ １ｍｍ， 轴 颈 直 主
式 中 ： 为 曲轴 材 质 屈 服 强 度 ； 为 滚 轮 半 径 ； Ｒ Ｒｚ 为连杆 轴 颈 圆角半 径 ； Ｒ。为 主轴 颈 圆 角半 径 ； 为 Ｒ
劳 安全 系数 一１ ０ ， 算 得 到 的疲 劳 极 限 弯矩 可 ．９ 计
式 中： Ｍ— 为名 义 弯 矩 ； 为 活 塞 直 径 ； Ｄ Ｐ为 最 高燃
烧 压 力 ； 为 主 轴 颈 宽 度 ； ｉ 连 杆 轴 颈 宽 度 ； Ｌ Ｌ 为 Ｈ
提 高４ ． 。因此对 曲轴 行 圆角采 取滚 压 强化 工艺 ４１ 后， 曲轴 的疲 劳 寿命会 大 幅提 高 。同时 也可 以看 出 ，
滚 轮 尺寸 根据 厂方 提供 的
度方 向应 力 分 布 见 图 ３ 由 图 ４可 以看 出 ， 衄轴 。 在 圆角 内４ ． Ｎｏ ４ｍｍ处 的应力 变化 比较平 缓 ， 在其 他 而 深 度 ， 力 的 分 布 起 伏 较 大 ， 此 以 圆 角 内 侧 应 因 ０ ４ｍｍ左右 的滚压残 余应 力分 布 为分析 对象 。 ．
层深 方 向逐 渐减 小 。滚压 过程 中会 出现塑 性应 变 波
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理想 的 曲轴滚 压 工 艺 参 数 要 通 过 疲 劳 试
验来 确定 ， 疲 劳试 验 是 破 坏 性 试 验 ， 验 周 期 长 ， 但 试
耗资巨大， 因此 滚压 的很 多 工 艺 参 数是 通 过经 验 确 定 的 。随着 对 曲轴 高 强 化要 求 的提 高 ， 切需 要 对 迫
１ ５次 。 １ ４ 滚 压 速 度 ．
１ 滚 压 工 艺 参 数 的选 取
１ １ 滚 压 方 式 ．
滚 压 的速度 与 圆角半 径 、 硬度 、 轮 的形状 和 压 滚
圆角 滚 压 工艺 存 在 两 种方 式 ： 割 圆角 滚 压 和 沉
过 渡 圆角滚 压 ， 本研 究选 取 过渡 圆角 滚压 的方 式 。
３ ２ 不考 虑残 余应 力 的计算 结果 ． 在实 际 曲轴 制 造 中 ， 曲轴 圆角 滚 压 后还 应 进行
磨削 ， 削 量 一 般 为 ０ ２～ ０ ４ｍｍ。在 滚 压 力 磨 ． ． ７ ５ｋ 滚 轮倾 角 ３ 。 ． Ｎ， ２条件下 得 到 的 １ 。 置 圆角 深 ０位
究 ， 际计 算 中只取 曲轴 的１ ８ 实 ／ 部分 ， 即单 拐部 分 （ 图 １ 。 见 ）
郭晨 海 ，张 勇 ， 树 李 ，赵红 兵 ，葛 晶 姜
（ 苏大 学汽 车 与 交通 工程 学 院 ，江 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 １ Ｏ ３
摘 要 ：利 用 有 限元 计 算 软 件 Ａｂ ｑ ｓ 采 用 三 维 显 式 动 力 学计 算 ， 拟 曲轴 圆 角 滚 压 过 程 。 利 用软 件 自带 的 二 ａｕ ， 模 次 开 发 程 序 ， 写 数 据 采 集程 序 ， 到 了 曲轴 圆 角表 面 和 内部 的 应 力 分 布 情 况 。参 照 曲轴 真 实 疲 劳试 验 ， 曲 轴 进 编 得 对 行 模 拟 弯 曲疲 劳试 验 ， 到 不 同 弯矩 水 平 下 曲 轴 圆 角 应 力 分 布 情 况 。将 模 拟 弯 曲 疲 劳试 验 得 到 的 圆 角工 作 应 力 与 得 滚 压 后 的 圆 角残 余 应 力进 行耦 合 计 算 ， 获得 更 为 准 确 的 曲轴 疲 劳 强度 ， 依 此 对 曲 轴 滚 压 参 数 进 行 优 化 ， 化 后 的 并 优
浪形 变 化 的情 况 ， 为波磨 现 象 。一般 来说 ， 称 随着 曲
轴滚 压 次数 的增 加 ， 曲轴 的疲 劳极 限也 随之 增 加 ， 但 当滚 压 达到 一定 次数 后 ， 曲轴 的疲 劳极 限不 再 增加 ， 呈下 降 趋势 。这 是 由于 圆 角表 面滚 压 次 数 过 多 ， 金
曲轴 圆角滚 压强 化是 一种 理想 的曲轴表 面 强化 手段 ， 传统 强化 工艺 相 比较具 有 成本 低 、 工 时 间 与 加
相关 轴颈 半径 。 对 于汽 车 、 拉机 用 内燃机 曲轴 ， 压层 深度 取 拖 滚 其连 杆轴 颈直 径 的 １ ３ ／ ０左 右 。 ］ １３ 滚 压道 次 ．
２１ ０ ２年 ２月
郭 晨 海 ， ： 于 圆 角 滚 压 工 艺 的 曲轴 疲 劳 行 为 研 究 等 基
径 ６ ５ｍｍ， 杆 轴 颈 直 径 ５ 连 ６ｍｍ， 杆 轴 颈 过 渡 圆 连 角半 径 ４ｍｍ。因 为 主 要 侧 重 于对 曲轴滚 压机 理 的原 理性 研
方 式 与控制 点 连接 ， 过 控制点 施加 弯矩 。 通
技 术 资 料 确 定 ： 轮 外 圆半 径 滚
３ ２ｍｍ，滚 轮 旋 转 半 径 ． ６ １ ． ４ｍｍ， 滚轮倾斜 角 ３ 。滚 轮 ２，
材料 Ｇ ｒ５ 计 算 中设 为 刚 体 ； Ｃｌ，
曲 轴 材 料 Ｑ ８０ Ｔ ０ ，密 度
图 １ 单 拐 计 算 模 型
巳一
７ １ｋ ／ ａ 弹 性模量 １ ９ＧＰ ， ． ｇ ｍ ， ６ ａ 泊松 比 ０ ２ ３ ．７ 。
曲轴 的疲 劳极 限弯矩 为 ７ ０Ｎ ・ ５ ｍ。
皇
３０ ０
：
２ ０ ４ ０ ６ ０ ８ ９ ０ ０
暄
２０ ０
雹
边 界条 件根 据 曲轴弯 曲试 验 的实 际情况 加 载 。
位 移边 界条 件 ： 曲轴连 杆轴 颈施 加位 移 约束 ， 对
固定 Ｘ， ｚ３个 方 向 自由度 。 Ｙ，
长 期 以来 ， 曲轴 的疲 劳计 算 主要 根 据其 在 工 作 工 况下 受力 情况 进 行 。然 而对 于滚 压 后 的 曲轴 ， 由 于 圆角 残余 应力 的存 在 ， 圆 角 的 实 际受 力 情 况 与 其 单 纯计 算工 作工 况下 的受 力情 况迥 然不 同 ， 因此 ， 曲 轴疲 劳 强度 的计 算需 充分 考虑 残余 应力 的影 响 。 ３ １ 计 算模 型 的建 立 ．
ｌ０ ｏ ０
极 角 ０ （） ／ｏ
力 边界 条件 ： 连 杆 主 轴 颈 端 面 通 过 ｃｕ ｌ ｇ 将 ｏ ｐｉ ｎ
图 ５ 不 同 弯 矩 下 圆 角 应 力 对 比
根 据 汽车行 业标 准 ＱＣ Ｔ ６ ７ ２ ０ （ 车 发 ／ ３－ ００ 汽 （
车
用
发
动
机
２１ ０ ２年 第 １ 期
短 、 化 效果 好 等优 点 。试验 结果 表 明 ， 于球 墨铸 强 对 铁 曲 轴 而 言 ， 角 滚 压 可 以使 表 面 硬 度 由 ２ ０～ 圆 ４
２ ０ ＨＢ ９ 提高 到 ５ ～ ５ Ｃ， 劳 寿命 提 高 ８ ～ ０ ５ＨＲ 疲 ０
１ ０ 口］ ０
。
曲轴 圆角 滚 压 后 ， 性应 变 主要 集 中于 轴 颈 的 塑 表 面 ， 大 Ｍｉ ｓ 最 ｓ 等效 塑性 应变 出现 在 轴颈 表 面 ， ｅ 沿
般 根 据 滚 压层 深 度 确 定 滚压 力 ， 定 滚 压 层 预
Ｐ 一 ２ ｓ ｍ ， ａ ａ。
深 度 ａ 计算 滚 压力 Ｐ： ，
ｍ 一 １＋ ０． ７ ， ０Ｒ
２ 计 算 模 型
２ １ 三 维物 理模 型 ．
尺 击’ ＋３击。 Ｒ 去。 ＋４ ］Ｒ 击。 。 ＋２Ｒ Ｒ
第 １ （ 第 １ ８期 ） 期 总 ９
２１ ０ ２年 ２月
车
用
发
动
机
Ｎｏ １ Ｓ ｒａ ． ９ ） ． （ ｅｉｌ Ｎｏ １ ８
Ｆｅ ．２ ２ ｂ Ｏ１
Ｖ ＥＨ Ｉ ＣＬＥ ＥＮ ＧＩ Ｅ Ｎ
・
制 造技 术 ・
基 于 圆 角 滚 压 工 艺 的 曲轴 疲 劳 行 为 研 究
２ ２ 有 限 元 模 型 ．
岂
、
镁
曲轴 圆角滚 压 的效 果 主要 取决 于 圆角残 余应 力 的分 布 ， 曲轴 圆 角 在滚 压 后 应 力 梯 度 很 大 。美 国学 者Ｃｉ ｈｅ ｎ等 人 的研 究 成 果 表 明 ， 圆角 处 的 网格 密 度 控制 在 ０ ２ｍｍ 左 右 才 能 获 得 准 确 的计 算 结 果 ｌ 。 ． ＿ ４ ］
１２ 滚 压 力 ．
一
力 有关 。滚 压 的速 度过 高 ， 引起 曲轴 的颤动 ， 滚 会 使 压 表 面产 生 波 纹 ， 至 烧 伤 表 面 ； 滚 压 的 速 度 过 甚 若 低 ， 转 变 形 会 相 应 增 加 ， 产 效 率 降 低 。一 般 来 扭 生
说 ， 压速 度取 ３ ～ ６ ／ ｎ 滚 Ｏ ０ｒｍｉ。