劉岳文，湯泓淵，葉青陽(yáng)

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，制造行業(yè)的水平也得到了迅速的提升。汽車行業(yè)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展也越來(lái)越快。汽車行業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了很多連帶行業(yè)的興起。曲軸作為內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心零部件，其作用主要是將活塞連桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到將燃料的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能輸出。曲軸在工作過(guò)程中不斷承受著交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，受力復(fù)雜而多變。尤其是各個(gè)國(guó)家包括我國(guó)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放提出越來(lái)越高要求，這促使發(fā)動(dòng)機(jī)制造商不斷提升發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)，其中重要的手段之一就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力。這對(duì)曲軸的抗拉強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐疲勞性、沖擊韌性等機(jī)械性能都提出了更高的要求。然而曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)曲軸的機(jī)械性能有很大影響。某發(fā)動(dòng)機(jī)隨著市場(chǎng)需求不斷增加而擴(kuò)大其配套范圍，一些配套需求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性提出更高的要求。因而，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件之一的曲軸，其可靠性必須根據(jù)配套應(yīng)用條件和邊界參數(shù)進(jìn)行有效評(píng)估。評(píng)估后發(fā)現(xiàn)某機(jī)型如采用發(fā)動(dòng)機(jī)基本型曲軸，則曲軸后端會(huì)因動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)的特殊性而存在著強(qiáng)度不夠的隱患。為此，對(duì)曲軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高曲軸后端整體強(qiáng)度，確保發(fā)動(dòng)機(jī)各種應(yīng)用配套可靠安全。

1 我國(guó)曲軸制造現(xiàn)狀

曲軸既是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件之一，也是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中制造難度很高的零件之一[1]。由于曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)上起著至關(guān)重要的作用，曲軸的發(fā)展代表著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷提升。近年來(lái)，我國(guó)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸專業(yè)生產(chǎn)廠家通過(guò)對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和自行開(kāi)發(fā)，曲軸制造總體水平有了較大的提高。制造技術(shù)方面，不斷輕量化，改善熔化工藝，造型技術(shù)提升、及智能化等[2]。曲軸材料方面，目前主要用途的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材料分為鋼質(zhì)和球墨鑄鐵兩大類，球墨鑄鐵由于其在切削性能和強(qiáng)化手段兼具的優(yōu)勢(shì)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，球墨鑄鐵曲軸在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用比例，美國(guó)、英國(guó)和日本都占到了60%以上，德國(guó)、比利時(shí)等國(guó)家也已大批量使用，我國(guó)也正在逐步拓寬球墨鑄鐵曲軸的應(yīng)用范圍[3]。曲軸強(qiáng)化方面，目前主要的強(qiáng)化手段包括中高頻感應(yīng)淬火、圓角滾壓、整體氮化等。曲軸設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面，主要有彎曲疲勞試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，其中彎曲疲勞試驗(yàn)常用的方法有成組試驗(yàn)法、配對(duì)升降法和疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法3種。我國(guó)汽車行業(yè)針對(duì)曲軸的彎曲疲勞試驗(yàn)的3種常用方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定。3種方法各有優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)實(shí)際需求選擇[4]。

2 某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)

某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)為直列4沖程、水冷、增壓中冷柴油機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)采用隧道式機(jī)體。曲軸在裝入機(jī)體前，先與中間軸承座和后端軸承座組裝成曲軸總成后，再裝入機(jī)體軸承孔內(nèi)，然后使用飛輪螺栓將飛輪部件、后油封總成和墊塊固定在曲軸后端主軸頸即第5主軸頸上。發(fā)動(dòng)機(jī)后端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

曲軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 曲軸主要結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)鍵參數(shù)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)為隧道式，限制了動(dòng)力輸出的方式，需通過(guò)第5主軸頸直接輸出動(dòng)力，因此在第5主軸頸上布置了飛輪螺孔。由于結(jié)構(gòu)空間布置的要求，需要在曲軸第8曲柄臂上安裝信號(hào)盤，因此在第8曲柄臂上布置了信號(hào)盤安裝螺孔。這限制了第5主軸頸的外圓尺寸，進(jìn)而限制了螺孔數(shù)量和螺孔分度圓直徑。曲軸后端螺孔布置如圖2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)后端結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 曲軸后端螺孔示意圖

3 螺孔對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響

3.1 飛輪螺孔對(duì)曲軸后端強(qiáng)度的影響

一般隧道式機(jī)體所采用的曲軸結(jié)構(gòu)形式與一般龍門式機(jī)體所采用的曲軸結(jié)構(gòu)形式不同。隧道式機(jī)體由于后端軸承座布置的限制，使曲軸后端動(dòng)力輸出形式較為特殊：傳遞動(dòng)力的飛輪螺孔就布置在曲軸第5主軸頸上。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能使曲軸整體長(zhǎng)度變短，既增加了曲軸的剛性，又縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度，方便發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的布置，易適合多種配套要求；但也使曲軸第5主軸頸的強(qiáng)度大大降低，尤其是飛輪螺孔處。如果額外增加飛輪螺栓的軸向力，容易導(dǎo)致飛輪螺栓與螺孔嚙合末端部位出現(xiàn)受力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生疲勞裂源。

3.1.1 螺孔嚙合未端位置對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響

由于此發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的特殊方式和結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪必須與曲軸的第5主軸頸直接連接。針對(duì)曲軸后端主軸頸上的飛輪螺孔，采用CAE軟件分析其嚙合未端位置的變化對(duì)螺孔局部安全系數(shù)的影響。局部安全系數(shù)是指某特征周圍的高周頻率安全系數(shù)。仿真分析模型如圖3所示，仿真分析結(jié)果見(jiàn)表3。從圖3和表3可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這種直接從后端主軸頸上輸出動(dòng)力的曲軸結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在輸出動(dòng)力的主軸頸的圓角附近會(huì)產(chǎn)生較大的危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域，這樣使得飛輪螺栓與螺孔嚙合末端處于不同位置時(shí)，會(huì)對(duì)主軸頸上飛輪螺孔處的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響主軸頸整體強(qiáng)度。若不考慮其他因素，這種影響大致趨勢(shì)為：飛輪螺栓與螺孔的嚙合末端位置離圓角區(qū)域越遠(yuǎn)，螺紋的最小局部安全系數(shù)就越高，主軸頸整體強(qiáng)度也就越高。

圖3 不同螺紋嚙合末端位置仿真模型

從表3可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)，相比基本型，螺孔嚙合末端位置無(wú)論外移3.75 mm還是內(nèi)移3.75 mm，局部安全系數(shù)都提高，相比內(nèi)移，外移的安全系數(shù)略高，內(nèi)移7.5 mm，局部安全系數(shù)進(jìn)一步提高。螺孔嚙合末端位置內(nèi)移受多種因素限制，如壁厚限制，螺孔加工成本高、飛輪螺栓須加長(zhǎng)等。

3.1.2 螺栓軸向力對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響

由于飛輪螺栓是直接布置在曲軸第5主軸頸上的，為了保證飛輪輸出動(dòng)力的可靠性，需要保證飛輪螺栓有足夠的嚙合長(zhǎng)度和軸向力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，第5主軸頸圓角附近的應(yīng)力區(qū)域，不僅需要承受發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒爆壓所傳遞的載荷，還需要承受飛輪螺栓的軸向力。在相同螺孔嚙合末端位置 （基本型嚙合末端位置）下，分析飛輪螺栓軸向力對(duì)螺孔安全系數(shù)的影響。仿真分析模型如圖4所示，仿真分析結(jié)果見(jiàn)表4。從圖4和表4可以發(fā)現(xiàn)，飛輪螺栓軸向力對(duì)飛輪螺孔強(qiáng)度影響有限。

表3 螺紋嚙合末端位置與螺孔最小局部安全系數(shù)

圖4 不同飛輪螺栓軸向力仿真模型

表4 不同螺栓軸向力下螺孔最小局部安全系數(shù)

3.2 信號(hào)盤螺孔深度對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響

信號(hào)盤的作用是為發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供曲軸轉(zhuǎn)角參數(shù)，以便ECU判斷噴油時(shí)刻和噴油量。其原理是利用金屬齒和空齒槽來(lái)交替切割與信號(hào)齒小間隙配合的轉(zhuǎn)速傳感器的磁力線，并利用長(zhǎng)角度差異空齒槽來(lái)確定曲軸所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。隨著客戶對(duì)整車的使用環(huán)境和可靠性的要求越來(lái)越高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和耐久性也提出了更高的要求，進(jìn)而要求信號(hào)盤工作可靠。信號(hào)盤上的信號(hào)齒與轉(zhuǎn)速傳感器之間是小間隙匹配，若信號(hào)盤裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外，容易受到灰塵或者雜質(zhì)的影響，堵塞間隙，導(dǎo)致傳感器取信號(hào)失效，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，無(wú)法起動(dòng)。因此，信號(hào)盤安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)成為一種被看好的措施。此發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸信號(hào)盤也安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，并布置在第8曲柄臂上，用3個(gè)M6螺釘固定，其中1個(gè)螺釘布置在曲柄銷上。由于前面對(duì)飛輪螺孔仿真分析時(shí)，已發(fā)現(xiàn)后端主軸頸圓角附近存在危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域，所有對(duì)信號(hào)盤螺孔也進(jìn)行仿真計(jì)算，分析不同螺孔深度對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響。仿真模型如圖5所示，仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖6和表5所示。

圖5 信號(hào)盤安裝螺孔仿真模型

表5 螺孔深度與螺孔底部局部安全系數(shù)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著螺孔深度從18加深到22和24，螺孔底部的局部安全系數(shù)不斷下降。結(jié)合之前對(duì)飛輪螺孔的計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為由于曲柄銷圓角的存在，其附近存在危險(xiǎn)應(yīng)力截面，并且由于是曲拐的特殊結(jié)構(gòu)，45°斜截面同樣是危險(xiǎn)截面區(qū)域，所以此螺孔的深度顯得尤為關(guān)鍵。

3.3 螺紋成形工藝對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響

螺孔的螺紋成形方式主要有2種：一種是使用切削絲錐在標(biāo)準(zhǔn)底孔上加工螺紋；另一種是使用擠壓絲錐在特定底孔上擠壓表面材料而形成螺紋，如圖7所示。相比切削螺紋，擠壓螺紋具有明顯的優(yōu)勢(shì)：1）擠壓絲錐加工螺紋時(shí)無(wú)切屑，不用考慮排屑問(wèn)題，可以加工最大為4D深度的螺紋；2）擠壓成形的螺紋表面粗糙度一般小于切削加工的螺紋表面粗糙度，并且由于擠壓成形的螺紋槽底和齒面的冷硬化和纖維連續(xù)化，如圖8b）所示，使螺紋靜態(tài)抗斷裂強(qiáng)度一般可提高約20%，動(dòng)態(tài)耐久性也有較大提高；3）擠壓絲錐加工的螺紋，質(zhì)量一般都比較穩(wěn)定，安全性高，且螺紋壽命高，尤其是小螺距螺紋；4）可以加工材料斷裂延伸率≥7%的一般鋼材。隨著機(jī)加工設(shè)備的不斷改進(jìn)和工藝水平的提升，以及刀具制作和加工成本的降低，螺紋擠壓加工的效率和成本都得到了改善。因此，螺紋擠壓成形工藝得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其在關(guān)鍵螺孔上，得到了推廣。

圖6 不同螺孔深度下的螺孔底部的局部安全系數(shù)

圖7 切削螺紋與擠壓螺紋的纖維走向

4 曲軸的優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化

通過(guò)以上對(duì)曲軸強(qiáng)度影響的因素分析可以得出：如果必須在曲軸上布置螺孔，尤其是在曲柄臂和曲軸后端動(dòng)力輸出等關(guān)鍵部位上布置，螺孔的結(jié)構(gòu)和成形工藝對(duì)曲軸的強(qiáng)度有很大的影響，尤其是在曲軸第5主軸頸上布置飛輪螺孔，須避開(kāi)主軸頸圓角附近的危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域。

通過(guò)采用CEA軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行仿真計(jì)算分析后，確定改進(jìn)方向：將螺孔的位置盡量避開(kāi)曲軸后端關(guān)鍵危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域，以避免降低曲軸強(qiáng)度。因此，在綜合考慮成本后，在改動(dòng)最小的原則下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取了以下改進(jìn)措施：1）曲柄銷上的信號(hào)盤螺孔深度改淺，遠(yuǎn)離曲柄銷圓角的45°斜角截面；2）將飛輪螺孔的沉孔深度改淺，進(jìn)而改變飛輪螺孔嚙合末端位置，遠(yuǎn)離第5主軸頸圓角附近危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域；3）同時(shí)加強(qiáng)2處螺孔的螺紋自身強(qiáng)度，由切削成形螺紋改為擠壓成形螺紋。

具體優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖8～9所示。1）將飛輪螺孔的沉孔深度由原來(lái)的10 mm改成4 mm，即螺孔嚙合末端位置向曲軸后端方向外移6 mm；2）信號(hào)盤螺孔深度由22 mm改淺為18 mm，并在螺孔孔底上增加R1.5圓角過(guò)渡；3）2處螺孔螺紋加工方式由切削工藝改擠壓工藝，以提高螺紋自身強(qiáng)度。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

分別用切削成形螺紋和擠壓成形螺紋方式加工曲軸，并對(duì)曲軸的飛輪螺孔和信號(hào)盤螺孔進(jìn)行解剖，檢查2種方式成形的螺紋表面質(zhì)量。放大后的螺紋表面質(zhì)量如圖10和圖11所示。從圖10～11可以看出，切削成形的螺紋受力面的表面質(zhì)量比擠壓成形螺紋的差。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的曲軸進(jìn)行彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和表7。從表6可以看出，隨著飛輪螺孔嚙合末端位置外移，即遠(yuǎn)離第5主軸頸圓角附近危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域，曲軸可承受的彎矩有所提升，再加上螺紋由切削成形變?yōu)閿D壓成形，可承受的彎矩進(jìn)一步提高。從表7可以看出，對(duì)信號(hào)盤螺孔，通過(guò)采取深度變淺，底孔末端改成圓角，螺紋擠壓成形這3項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，曲軸可承受的扭矩也得到了一定的提升。然后對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的曲軸樣件進(jìn)行了臺(tái)架耐久試驗(yàn)、道路試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，并且試驗(yàn)順利完成。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解檢查，曲軸完好，表明優(yōu)化設(shè)計(jì)可行。

圖8 曲軸飛輪螺孔的優(yōu)化

圖9 曲軸信號(hào)盤螺孔的優(yōu)化

圖10 切削加工螺紋的剖面圖

圖11 擠壓成形螺紋的剖面圖

表6 彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表7 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 總結(jié)

利用CAE仿真手段，通過(guò)分區(qū)域建模來(lái)分析曲軸上關(guān)鍵特征對(duì)其局部強(qiáng)度的影響，進(jìn)而分析其對(duì)整體強(qiáng)度的影響。然后采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高曲軸整體強(qiáng)度，以擴(kuò)大曲軸的使用環(huán)境和應(yīng)用范圍。針對(duì)匹配隧道式機(jī)體的曲軸上2處關(guān)鍵螺孔的特征參數(shù)，通過(guò)CAE計(jì)算分析出影響因素：曲軸上信號(hào)盤螺孔深度和主軸頸上飛輪螺孔嚙合末端位置對(duì)曲軸整體強(qiáng)度有較大影響；螺孔螺紋的質(zhì)量對(duì)曲軸強(qiáng)度也有比較重要的影響。為此，采取了針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了曲軸強(qiáng)度，并通過(guò)一系列的試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化后的結(jié)果。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)可為其他曲軸的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供指導(dǎo)和借鑒。