发动机零部件的疲劳克可靠性

2017-05-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

汽车发动机是为汽车提供动力的发动机,是汽车的心脏,影响汽车的动力性、经济性和环保性。根据动力来源不同,汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机、电动汽车电动机以及混合动力等。

疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下,在某点或某些点产生局部的永久性损伤,并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

在工程结构和机械设备中。疲劳破坏的现象极为广泛。它遍及每一个运动的零部件。疲劳破坏由于没有明显的宏观塑性变形,破坏十分突然,往往造成灾难性事故,引起巨大的经济损失。提高零部件抗疲劳性能的方法有以下几点:

1材料选择

材料的选择原则是:在满足静强度要求的同时,还应具备良好的抗疲劳性能。过去静强度选材的一个基本原则是要求比强度高,但在疲劳设计中,需从疲劳强度的观点选材:

(1)在达到使用期限的应力值时,材料的疲劳极限必须满足要求。

(2)材料的切口敏感性和擦伤疲劳敏感性小,在交变载何作用处要特别注意。

(3)裂纹扩展速率慢,许用临界裂纹大些,即要求材料的断裂韧性值大。

(4)注意轧材和锻材等的纤维方向和主要受力方向应一致。

(5)注意材料的抗腐蚀性能,同时尽量减少材料的内部缺陷,对重要零件应经探伤检验。

2降荷降温设计

实践证明,在较低的交变应力作用下,零件不易发生疲劳裂纹,即使产生裂纹,其扩展速度也较慢。组装成型后的构件在低应力下运转一定周次后,再逐步提高到设计应力水平;对于发热摩擦副零件采用降温设计,这些方法都能提高构件疲劳强度及寿命。从静强度观点看,提高应力水平可减轻重量、节约材料;从疲劳强度观点看,降低应力水平可提高构件疲劳寿命;两者之间存有矛盾,需针对具体情况来设计。

3避免应力集中

零件的疲劳破坏一般是从最大应力处开始,而应力集中通常是产生疲劳裂纹之源,在设计时应避免。结构件的设计原则是:

(1)在零件中应避免横截面上出现急剧变化,当横截面尺寸或形状改变时,尽量用大圆角来过渡,同时在设计时应避免传力路线中断。

(2)尽可能采用对称结构,避免带有偏心的结构,在不对称处应注意局部弯曲引起的应力。

(3)结构件应尽可能减少开口,特别在受拉表面尽量不开口,如需开口应考虑其形状,以减小应力集中,同时开口的位置应设在低应力区。

(4)铆钉及螺纹、焊缝等是产生应力的集中源,在其连接处适当加厚以降低局部应力,对焊缝处磨平、采用去毛刺、边缘倒角等工艺是减小应力集中的有效方法。

(5)在主要零件存在应力集中的地方不应再连接次要零件,避免增大局部应力。

4降低表面粗糙度和改善表面质量

众所周知,疲劳破坏通常从表面开始,疲劳裂纹一般在表面质量差的地方产生。因此在设计时须考虑:

(1)降低表面粗糙度,使表面状态系数口增大,提高疲劳强度。

(2)采用表面强化工艺,使表层金属强度提高,使疲劳发生源从表面移至到表层以下区域,达到提高零件的疲劳强度。

(3)采用表面防腐措施,同时要注意防腐是否对疲劳性能产生不力影响,例如电镀零件是应避免出现氢脆和应力腐蚀现象。

(4)相对静止的两表面间应减小滑动,避免腐蚀擦伤,无法避免时应采用薄带填料或涂层来减小相互擦伤,如螺栓孔内加紧配衬套或采用铰支螺栓连接。

(5)采用预变形工艺,即对零件在工作前使其产生部分塑性变形,造成有利的残余压应力以提高疲劳寿命,须注意的是如引入残余拉应力,则会使材料的疲劳强度下降。

(6)尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸,疲劳破坏通常是从初始裂纹开始并扩展开的。

5合理的振动设计

对于高速运行或做往复振动的零部件,在设计阶段应注重考虑其布局的合理性以及运动状态的情况。

(1)设计时应通过与类似产品对比和计算,装配完成后经实测运动的自振频率,以避免各个频率在使用范围内发生共振,造成零部件疲劳破坏。

(2)对于类似拉杆等运动机构上的操纵系统、管路系统在设计时应考虑共振对其的影响,设计时在振动大的地方加设支撑架或改变管路安装位置或将振动构件隔离开等方法都可降系统的振动。

(3)对振动系统中的板件,如翼板、振动机械支撑板等在设计时应考虑设置加强肋以提高其整体刚度,避免因高频振动而使板件出现疲劳破坏。

6可靠性设计

(1)沉余设计法:对薄弱零部件在设计阶段应考虑备份有能完成相同功能的结构,如在飞机设计中采用平常不参与受力的辅助机构,当主要受力构件疲劳破坏后,辅助构件参与承载主要受力构件任务,保证其安全工作。

(2)安全使用期限设计法:对于易损件采用有限寿命设计,这就要用可靠性理论准确估计其疲劳寿命期限,当易损件达到使用寿命时及时更换,设计时采用可开启式结构,易于维修于检查与更换。

(3)减荷设计法:设计时尽量减少结构件的内应力和应力集中,采用物理方法消除或降低其内的应力。

(4)安全装置与安全检测设计法:采用信号监控装置,进行适时监控,如采用自行监控与自行校正的闭式反馈控制系统,这是当前安全设计的发展方向。

(5)采用多路传力结构或多重受力结构件设计法:当其中一个结构件损坏后,其它元件仍能继续受力,保证构件具有继续承载能力,如多梁飞机机翼就是一例,此外结构的连接处和联接接头疲劳设计也不允许轻视,任何结构件均由构件组合而成,实践证明疲劳破坏常常在连接部位出现,例如飞行器设计中的连接件设计就是抗疲劳设计的重要内容。

活塞作为内燃机的关键零部件之一,它的工作情况直接关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性。同时直接影响到内燃机的排放性能。近年来,发动机强化程度不断提高,排放要求也日益严格。特别当发动机爆发压力超过20 MPa时。铝活塞已不能满足发动机的可靠性要求。鉴于此.许多公司在多年前已纷纷投入活塞的基础性研究工作,试图寻找一种性能更高、工作更稳定、生产过程更为环保、废气排放更低、可靠性更高的替代产品,这就对内燃机活塞的设计开发提出了更高的要求。所以在原有传统铝活塞的基础上,通过寻找替代材料、改进结构及工艺等抗疲劳设计方法来提高活塞的疲劳强度很有必要。

总体看来,国内活塞结构抗疲劳设计集中在以下几点:

(1)铝活塞的结构改进

国内研究人员在这方面研究较多,前期积累的经验也不少,主要集中在活塞应力及温度场分析研究,分析导致疲劳破坏的因素。进而运用优化设计方法改进结构及尺寸。

(2)锻钢活塞的研发和改进

国内对这个方向的研究逐渐重视起来。由于前期锻钢活塞设计经验少,主要通过借鉴国外锻钢活塞设计成果.参照铝活塞设计经验进行。还有待进一步研究。

国外活塞结构研究现状、发展动态:辉门的Monosteel钢活塞采用头部跟裙部的分体锻造然后摩擦焊接成一体,在北美和欧洲有广阔的市场。20l0年10月,辉门公司宣布在原有Monosteel的基础上进行了改进,使用“双带”活塞裙设计。使活塞裙部总面积减少了加%.减小了摩擦阻力和质量.提高了耐久性。德国马勒Femcomp活塞的主要特点是锻钢头与锻钢裙组合。活塞头为锻钢制。材料为42CrM04.淬火和回火处理;活塞裙材质为38MnVs6;通过锻造后冷却控制获得适当强度和硬度;裙部全部磷化处理;典型结构为两道压缩环和一道刮油环。活塞头与裙由l、2或4根螺栓连接。活塞直径由200—480 mm不等。主要应用于大缸径发动机。马勒MoNOTHERM活塞是由整块锻钢制成。活塞裙部、销座和活塞顶集成一体。相较而言,MONOTHERM活塞具有更高寿命。目前,MON0-THERM活塞已经进入了批量生产.大部分应用于欧3、欧4重型卡车上。

汽车制造业的工程师越来越仰赖喷丸强化技术来改善和提高汽车关键部件的抗疲劳寿命,并将这一因素在轿车、卡车、摩托车等设计的最初就加以充分考虑和重视。该喷/抛丸强化技术和工艺的应用现亦含括几乎大部分发动机零件的设计中,包括:曲轴(去氧化皮和强化)、连杆(强化)、传动齿轮和其它轴类零件、齿圈、活塞,太阳齿和行星齿、板簧和圆簧等。

作为制造流程的一环节,热处理过的曲轴需要经由抛丸清理来去除表面的热氧化皮。曲轴被置于旋转辊轮上,在滚动时,曲轴所有表面被充分曝露在多个抛头抛射出的丸流下,多角度的丸粒的冲击,使曲轴的外表面得以彻底清理。由于曲轴在交变应力作用下工作,曲轴截面变化转接圆角处发生应力疲劳和应变破坏的危险性极大。目前,通过喷丸强化来改变曲轴抗疲劳性能已在相当广泛的范围内被普遍应用,且效果相当满意。相较于传统滚压工艺的缺陷,即由于受曲轴加工工艺性的限制,各轴颈圆角很难与滚轮相吻合,往往造成圆角的啃切现象,而且滚压后的曲轴变形较大,效果不佳。而喷丸强化的机理是利用严格控制直径并具有一定强度的丸粒,在高速气流作用下,形成弹丸流并连续向曲轴金属表面喷射,就像用无数个小锤进行锤击,使曲轴表面产生极为强烈的塑性变形,形成冷作硬化层。简单而言,由于曲轴在加工中受各种机械切削力的作用,其表面,特别是曲轴截面变化转接圆角处的应力分布极不均匀,工作中又受交变应力作用,因此很容易产生应力腐蚀而使曲轴的疲劳寿命降低。而喷丸强化丁艺就是通过引入一个预压应力来抵消零件在以后工作周期会受到的拉应力,从而提高工件抗疲劳性能和安全使用寿命。

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