發動機零部件的疲勞克可靠性

2017-05-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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

疲勞是指材料、零件和構件在循環加載下,在某點或某些點產生局部的永久性損傷,并在一定循環次數后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。

在工程結構和機械設備中。疲勞破壞的現象極為廣泛。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,往往造成災難性事故,引起巨大的經濟損失。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,但在疲勞設計中,需從疲勞強度的觀點選材:

(1)在達到使用期限的應力值時,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一致。

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

2降荷降溫設計

實踐證明,在較低的交變應力作用下,零件不易發生疲勞裂紋,即使產生裂紋,其擴展速度也較慢。組裝成型后的構件在低應力下運轉一定周次后,再逐步提高到設計應力水平;對于發熱摩擦副零件采用降溫設計,這些方法都能提高構件疲勞強度及壽命。從靜強度觀點看,提高應力水平可減輕重量、節約材料;從疲勞強度觀點看,降低應力水平可提高構件疲勞壽命;兩者之間存有矛盾,需針對具體情況來設計。

3避免應力集中

零件的疲勞破壞一般是從最大應力處開始,而應力集中通常是產生疲勞裂紋之源,在設計時應避免。結構件的設計原則是:

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

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

(3)結構件應盡可能減少開口,特別在受拉表面盡量不開口,如需開口應考慮其形狀,以減小應力集中,同時開口的位置應設在低應力區。

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

(5)在主要零件存在應力集中的地方不應再連接次要零件,避免增大局部應力。

4降低表面粗糙度和改善表面質量

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量差的地方產生。因此在設計時須考慮:

(1)降低表面粗糙度,使表面狀態系數口增大,提高疲勞強度。

(2)采用表面強化工藝,使表層金屬強度提高,使疲勞發生源從表面移至到表層以下區域,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生不力影響,例如電鍍零件是應避免出現氫脆和應力腐蝕現象。

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

(5)采用預變形工藝,即對零件在工作前使其產生部分塑性變形,造成有利的殘余壓應力以提高疲勞壽命,須注意的是如引入殘余拉應力,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合理的振動設計

對于高速運行或做往復振動的零部件,在設計階段應注重考慮其布局的合理性以及運動狀態的情況。

(1)設計時應通過與類似產品對比和計算,裝配完成后經實測運動的自振頻率,以避免各個頻率在使用范圍內發生共振,造成零部件疲勞破壞。

(2)對于類似拉桿等運動機構上的操縱系統、管路系統在設計時應考慮共振對其的影響,設計時在振動大的地方加設支撐架或改變管路安裝位置或將振動構件隔離開等方法都可降系統的振動。

(3)對振動系統中的板件,如翼板、振動機械支撐板等在設計時應考慮設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疲勞破壞。

6可靠性設計

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

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

(3)減荷設計法:設計時盡量減少結構件的內應力和應力集中,采用物理方法消除或降低其內的應力。

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

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

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

總體看來,國內活塞結構抗疲勞設計集中在以下幾點:

(1)鋁活塞的結構改進

國內研究人員在這方面研究較多,前期積累的經驗也不少,主要集中在活塞應力及溫度場分析研究,分析導致疲勞破壞的因素。進而運用優化設計方法改進結構及尺寸。

(2)鍛鋼活塞的研發和改進

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

國外活塞結構研究現狀、發展動態: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的基礎上進行了改進,使用“雙帶”活塞裙設計。使活塞裙部總面積減少了加%.減小了摩擦阻力和質量.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。活塞頭為鍛鋼制。材料為42CrM04.淬火和回火處理;活塞裙材質為38MnVs6;通過鍛造后冷卻控制獲得適當強度和硬度;裙部全部磷化處理;典型結構為兩道壓縮環和一道刮油環。活塞頭與裙由l、2或4根螺栓連接。活塞直徑由200—480 mm不等。主要應用于大缸徑發動機。馬勒MoNOTHERM活塞是由整塊鍛鋼制成。活塞裙部、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活塞已經進入了批量生產.大部分應用于歐3、歐4重型卡車上。

汽車制造業的工程師越來越仰賴噴丸強化技術來改善和提高汽車關鍵部件的抗疲勞壽命,并將這一因素在轎車、卡車、摩托車等設計的最初就加以充分考慮和重視。該噴/拋丸強化技術和工藝的應用現亦含括幾乎大部分發動機零件的設計中,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節,熱處理過的曲軸需要經由拋丸清理來去除表面的熱氧化皮。曲軸被置于旋轉輥輪上,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。由于曲軸在交變應力作用下工作,曲軸截面變化轉接圓角處發生應力疲勞和應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廣泛的范圍內被普遍應用,且效果相當滿意。相較于傳統滾壓工藝的缺陷,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,形成彈丸流并連續向曲軸金屬表面噴射,就像用無數個小錘進行錘擊,使曲軸表面產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接圓角處的應力分布極不均勻,工作中又受交變應力作用,因此很容易產生應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壓應力來抵消零件在以后工作周期會受到的拉應力,從而提高工件抗疲勞性能和安全使用壽命。

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