大型汽車柴油機曲軸工藝規(guī)程設計【含5張CAD圖】
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附錄 A： 外文翻譯用數(shù)值與實驗調查氮鋼曲軸大功率集成電路發(fā)動機疲勞特性氮化通常適用于提高機械零部件的表面性能，也可提高耐疲勞性。本文的目的是探討，通過數(shù)值模型的方法和實驗測試，誘發(fā)氮化對船用柴油機曲軸的疲勞性能殘余應力的影響。殘余應力梯度引起的熱化學處理考慮到了有限元模型的方法。進行了具有軸向試驗機，以驗證該數(shù)值模型，并評估所述曲軸的機械參數(shù)，諸如屈服強度和疲勞極限。通過施加應變測量手段下彎曲，以評估曲軸殘余應力的實驗創(chuàng)新的方法也被開發(fā)。這種方法被證明是有用的，以確定誘導熱處理成曲軸的殘余應力的大小，并且它可能在一些情況下被應用于殘余應力場的評價。[DOI: 10.1115/1.4001834]關鍵詞：氮化，有限元模型，曲軸，殘余應力，耐疲勞性1 引言曲軸是內燃機中最關鍵的組分之一。在其使用壽命時期，它受到來自燃燒過程中和相對運動的部件的慣性產(chǎn)生的循環(huán)彎曲壓力和扭轉載荷[1,2]。曲軸的機械故障疲勞現(xiàn)象是由于曲柄銷和配重之間的圓角半徑引起的。在這運轉過程中達到多軸應力狀態(tài)下的最高級別，是因為高的應力集中系數(shù)[3,5]。為了防止疲勞破壞，施加到曲軸的圓角的主要機械處理是感應淬火和滾壓，而熱化學是表面硬化和滲氮[6-9]。機械部件的表面處理方法通常應用于用于增加硬度和耐磨損性，而無需修改散裝材料的機械特性，但最近的研究表明，它們也增加，因為誘導的表面和次表面層的壓縮殘余應力的疲勞極限[10-13]。一些研究表明，提高耐疲勞性氮化是最有效的方法[14,15] 。與其他熱化學處理相比，氮不涉及任何物質微觀結構的修改(溫度在此過程中達到一般不超過520℃[16] )。這保證了最小的失真和機械部件的良好的尺寸控制?，F(xiàn)今可用的不同的氮化過程是：它們包括氣體，液體，和等離子滲氮，即第一個是最常用的。 此過程中，氮被引入到鐵類合金的表面上是通過保持金屬與含氮氣體如氨接觸。擴散層的厚度為約 200?600 um，在表面上，脆性 nitrogenrich 層厚度(5-50um)，這就是所謂的白色氮化物層的產(chǎn)生，它在該氮化工序后取出。間質性氮氣和氮化物沉淀在擴散層的分布產(chǎn)生的增加，元件的尺寸和殘余應力相關聯(lián)的領域。殘余應力必須是自平衡的，它們是一般地在負的表面和正面于主體材料中。耐疲勞性的改善主要歸因于兩個殘余應力場和表面硬化。壓縮應力，實際上是有益的，用于防止疲勞裂紋萌生在表面和延緩裂紋擴展[17-19]。表面硬度，此外，連接到極限強度和由經(jīng)驗公式的疲勞極限[19]。在這項工作中，研究了氮化殘余應力對一個 2000 千瓦的船用柴油發(fā)動機的曲軸的疲勞性能的影響。在滿刻度元件上的數(shù)值模型和合適的實驗進行測試，以檢測殘余應力與應變的測量，并確定疲勞阻力。還開發(fā)了試樣的數(shù)值模型，具有曲軸圓角區(qū)，承受彎曲載荷的相同的幾何形狀。試樣的簡單的幾何形狀初步評估應力集中作用由于變化的部分和滲氮過程對由于彎曲載荷的應力 - 應變狀態(tài)的影響[20]。測量技術中的殘余應力的評價可以被劃分成破壞性和非破壞性。與前者的技術，殘余應力誘導通過去除材料的位移測量。最常用的方法是塊切片，分條，層去除，鉆孔，和輪廓的方法[21-26] 。非破壞性技術通常圍繞衍射，其可以被用于測量特定的原子晶格面的彈性應變，如 X-射線衍射，XRD，和中子衍射[21,27-30]。據(jù)作者所知，在文中非破壞性的實驗方法來估計表面殘余應力場和集中應力值是不可行的?？紤]到這一點，一個創(chuàng)新的實驗步驟進行表面殘余應力的間接評價，以不同的彎曲載荷下表面應變測量的手段被開發(fā)了。為了認真評估應力 - 應變狀態(tài)在重要領域中， 殘余應力和實驗數(shù)值計算結果值比較的影響，幾個有限元素（FE）模型與 ABAQU ?被操作[31]。2 幾何形狀和材料對一個船用四沖程循柴油發(fā)動機的燃油直噴技術和廢氣渦輪增壓器的曲軸進行了研究。發(fā)動機有 16 個汽缸和 90 度 V 行結構，約 2000 千瓦的功率，最大轉速等于 2000 轉。為了評價滲氮對表面應力狀態(tài)的影響，對一個具有帶圓角半徑的曲軸也進行了分析。曲軸的幾何形狀和部分圖像以及式樣在圖表 1_a_–1_c_中。根據(jù)歐洲標準 EN10083-1 曲軸和試樣的材料是淬火和氮化的 35CrMo4，以前評價材料的化學組成和主要機械特征[30,31]，分別列于表 1 和 2 分別。3 數(shù)值模型式樣應用了直線彈性和理想彈塑性數(shù)值模型，以便應力集中系數(shù)來評估由于橫截面減小而引起的應力 - 應變狀態(tài)下的氮化過程中的殘余應力場的影響。由于幾何形狀的對稱性和彎曲載荷的施加，只有四分之一的標本被建模，并適當?shù)倪吔鐥l件對稱平面進行了施加。1410 為 N m 彎曲載荷，對應 2820N m，從總體上看是由兩個集中力的應用，具有相同的數(shù)量級 23,500 N'和相反方向上，位于離對稱軸 30 毫米。對稱邊界條件假設，并采用點荷載證明不影響應力場的最小截面為線性分析。另一方面，模型具有可塑性的存在，為了避免收斂問題所用分布載荷。具有約機型 50,000 自由度采用八節(jié)點實體被開，線性元素來生成網(wǎng)格，如圖所示 2。為了提高分析的準確度，合適的網(wǎng)格細化也被認為是在圓角區(qū)，陡峭的應力梯度顯示在圖 2(a)中。收斂性分析是所進行的模型裝置具有越來越細網(wǎng)眼直到差異，在最大 von Mises 節(jié)點而言應力是最小的橫截面，兩個連續(xù)間模型是小于 3％。一個完整的幾何線性彈性模型也進行處理，并將結果在最小橫獲得部分是相同的對稱模型。對殘余應力場進行了引入，在節(jié)點條件下通過預應力手段，通過氮化處理把所述實體分割模擬，重現(xiàn)誘導外表面下面的改性層。殘余應力趨勢的分析功能是通過考慮一個軸對稱自我平衡和極坐標系(P-R-q)顯示于圖表 2b，其中 p 和 r為分別是軸向和徑向的方向的極角，在圖表 Eq(1)中，殘余應力大小只依賴于徑向坐標。為了得到一個自平衡場即所得試樣縱截面的拉伸應力必須等于壓縮的 1 到 2 個不同區(qū)域的所得進行了鑒定。根據(jù)以前的工作，其中，所述不同的氮化試樣的殘余應力深度輪廓是由 X 射線衍射方法測定，采用 SIN2 方法結合使用的子層去除并用鉆孔法[32,33]，在緊接層外表面下方的 3 毫米深壓縮殘余應力場被假設，而所述芯材從 3mm 的外部表面的下方朝向試樣的軸線拉伸殘余應力進行了審議。分別對應殘余應力的最大值和最小值分別等于 375Mpa 和 95Mpa[33]。根據(jù)實驗結果[32]，一個近似 ,拋物線形趨勢被選定為分析殘余應力的功能，所報告的方程 2 和 3'，其中 α1 =α1≤γ≤2 和 θ2 =θ2≤γ≤2 是分析殘余應力，分別作用在拉伸和壓縮層。應力趨勢近似可以認為充足考慮到對殘余應力趨勢的認識并不像表面應力和殘余應力的表面坡度重要。報中所示的擬合常數(shù)在圖表 2 d 中，計算考慮到適當?shù)倪吔鐥l件殘余應力的功能必須滿足在試樣外表面 r= 23mm，在對稱軸使 r = 0mm，而且在拉伸的接口和壓縮層 r= 20 mm。 在拉伸層，下面的邊界條件被應用：對于壓縮層，下面的邊界條件必須滿足：確保拉伸和壓縮應力合成在縱向試樣部分之間的平衡，兩殘余應力的區(qū)域的等效性，必須施加 兩種不同的分析是在受到彎曲載荷的試樣進行：最初，一個純粹的彈性材料性能被用來以檢查模型的精度，比較力集中系數(shù)值得到相應文獻[34]。在這些初步的模型中，殘余應力場沒有被引入到數(shù)字模型。假設在下面的分析的理想彈塑性材料與屈服強度等于 700Mpa，殘余應力場也被考慮，目的評估在圓角區(qū)域的實際應力 - 應變狀態(tài)和影響力的氮化處理。應用曲軸的數(shù)值模型和兩個對稱面是為了用來減少自由度（運算時間） 。曲柄銷油潤滑孔，對應力分布有一個小的影響，未建模，并夾緊裝置，它在實驗測試時試驗機施加拉伸載荷是有用的用，是在該模型具有簡化的幾何引入。適當?shù)倪吔鐥l件施加于對稱平面和集中力等于 45000 N，應用在夾緊裝置 200毫米的主軸頸軸，如圖 3。開發(fā)了具有 20 個節(jié)點的實心磚約 48,000 自由度二次元模型。二次元被用來降低計算成本的分析。然而，在最關鍵的地方，如曲柄銷和主軸頸的連接，約七倍元素 比其它區(qū)域更小的被用來獲得一個詳細的應力映射，如圖所示。在萬能試驗機實驗室考慮到負荷配置是相同的適用于曲軸。既是一個純粹的彈性和理想彈塑性材料性能被假定為不同的分析。4 實驗測試實驗測試是由一個軸向試驗機裝置上的氮化曲軸部執(zhí)行，一個具體的把持裝置的目的為了防止在加載周期外來曲載荷向曲軸傳遞。耐疲勞性和應力狀態(tài)中所指出的有限元模型諸如曲柄銷和主軸頸圓角最關鍵的曲軸的區(qū)域，是由應變儀測量的方法進行評價。在下面的段落中描述的簡化創(chuàng)新的實驗方法殘余應力大小在曲軸表面也被估計。4.1 創(chuàng)新的殘余應力評估程序。殘余應力可存在于工程部件制造及熱過程的結果，或它們可以被引入以實現(xiàn)有益的機械性能如耐疲勞性。在簡支梁幾個部分評估殘余應力的方法是可行的[35]。加載梁，采用了左右對稱的彎曲，進入全塑系列使中間段轉換為一個塑料鉸鏈，該行為卸載期間的光柱直接彈性，殘余應力得到是通過向全塑性力矩應力分布所引起的反向彈性應力分布。所有這些方法都有其局限性，即破壞性的，時間耗時，昂貴，深度和準確性有限，不可移植，或 僅限于簡單的幾何形狀的樣品。由于這些原因，另一種創(chuàng)新的方法簡單，基于表面張力有和沒有殘余應力場的存在之間差值被開發(fā)了。通過考慮，例如，具有矩形氮化棒部分承受彎曲負荷，剩余的與該區(qū)段中的彎曲應力互重疊，以最大壓縮應力的增加量和在拉伸的減少。通過固定在棒部的相對側上的兩個應變儀裝置，它可以測量的壓縮和拉伸應變的最大值，并且，通過增加彎曲載荷，這兩個上壓側識的彈性極限，在這里屈服應力將首先到達，然后在拉伸。通過參照二維主應力和使用由拉伸試驗中給出的彈性極限。圖 4a 顯示了馮?米塞斯橢圓面，其中線段 AB 表示壓縮之間的區(qū)別 和拉伸彈性限。彎曲載荷引僅引起應力，因此線段 AB 轉換平行于軸直到點 A 和 B 相切馮?米塞斯橢圓。通過報告的彈性極限和它可以識別的 C 點，其坐標所代表的殘余應力在兩個方向上的大小。4.2 負載應用設備。曲軸承受燃燒循環(huán)中復雜載荷的條件很難在實驗室測試中精確地復制。因為彎曲負載是主要的負載和彎曲應力是最關鍵耐疲勞性，偏心拉伸負荷施加到曲軸是通過借助于液壓軸向試驗機，如圖 5a。負載器件包括兩個部分高梁具有高剛性連接到所述曲軸的兩個螺絲由 180bar 氣動千斤頂裝置收緊。夾持裝置，由兩個連接交叉構件構成，兩個螺絲鎖組成扭矩等于 280 NM 被固定在梁的頂部。由試驗機給定的拉伸載荷通過球形裝置傳送到固定在梁上的曲軸，這允許負荷施加在單個點，并避免任何傳輸額外的彎曲載荷，由于在結構中的過約束而引起的整個系統(tǒng)的裝配對準誤差。在圖 5b 中示出了夾緊裝置的裝配圖。4.3 曲軸準備。數(shù)值分析結果表明，曲柄銷軸頸和配重之間的圓角都圖中最關鍵應力 - 應變狀態(tài)。在這些領域幾個應變儀被應用到仔細測量的軸向和周向應變。圖 6 示出了應變片的安排：三個 90 度圓環(huán)每個圓角沿著對稱平面并沿兩個15 度的固定平面旋轉，如圖 6.在對稱平面四進一步線性應變片固定，以評估的彎曲應力大小。另外在飛機上加入圓角中心，這是確定的有限元模型是最關鍵的壓力，通過放置一個 90 度圓環(huán)和線性應變計的主軸頸圓角評價。這些應變片允許殘余應力評估。為了評價作用于負載裝置上的彎曲應力能夠使機器的液壓方式缸的偏轉，所述夾持裝置的應變的測定。HBM?120 線性應變儀與 0.6 毫米網(wǎng)格長度和應變系數(shù)等于 1.82+1.5％，和MM?12090 度圓環(huán) 0.6 mm 間隔長度和應變系數(shù)等于 2.101.5％被使用。在圖表 6中鍵合在曲柄銷軸頸和配重之間的圓角應變片被顯示。該測量進行了考慮，對于每一個應變儀具有測量應變儀一半的惠斯通電橋配置和補償。HBM UPM 100 采集系統(tǒng)被用于動態(tài)應變措施，以及數(shù)據(jù)存儲與采樣，時間假定為等于 5 毫秒。在疲勞試驗中的載荷被施加有頻率 0.8 赫茲。5 結果分析 5.1 數(shù)值結果。在試樣上的線狀彈性分析表明，正如所料，最關鍵的區(qū)域中，具有馮米塞的最高值應力，于圓角底座具有最大應力在縱向上等于 905 兆帕，應用彎曲載荷等于 1410Nm。從彼得森的獲得圖參考應力集中系數(shù)的值[34]，為 1.53，而從有限元模型的值 等于 1.534。應力集中系數(shù)的計算方法考慮了最大比例 縱向節(jié)點應力，用有限元模型進行評估，并標稱彎曲應力中的最小橫截面。和之間的最小差異，指出該有限元模型的網(wǎng)格具有適當?shù)募毣⑶矣嬎憬Y果可靠的。圖 7(a)和 7(b) 顯示應力的趨勢，并且沒有殘余應力場應中，在后一個圓角底座部 彎曲載荷分別等于 987N m 和 1410N m。殘余應力，如假定，降低拉伸應力的最大值并增加最小壓縮。殘余應力場的影響是比較明顯如圖 7(a)，其中該材料仍具有彈性性能，同時，通過施加最大彎曲載荷，屈服強度達到中壓側和最小應力值具有和不具有殘余應力大致相同。在曲軸上關于數(shù)值分析的結果，最大 von Mises 應力是位于曲柄銷軸頸和配重之間的接， 其中的應力集中系數(shù)為最大，在主軸頸和配重之間的連接，由于軸向載荷的下偏心，最大 von Mises 應力等于 625Mpa。在 45℃下平面連接兩個圓角的中心，如圖所示 8(b)，證明有應力的最高值，如圖所示 8(c);因此，它代表從圖中的耐疲勞性和疲勞裂紋形核的概率的點中最關鍵的部分。圖 9(a)指出了馮?米塞斯的價值觀上強調曲柄銷和主軸頸圓角相對于一個二維 極坐標 r，其起原點在圓角中心圖。談到 von Mises 應力最大值 應力集中系數(shù)，由于彎矩和 軸向力可以計算，對于所施加負荷相等 90KN，通過考慮下列給出的額定壓力公式：計算出連桿軸頸和主軸頸應力集中系數(shù)分別約為 6.5 和 5 。對曲軸氮化殘余應力的影響進行了評價，具有通過重疊的簡化方法中，對最大壓力平面，殘余應力場，通過實驗測量裝置評估彎曲應力的趨勢。在圖表 9 (c)中顯示了應力引起的彎曲載荷，所施加的殘余應力趨勢，并且疊加應力趨勢。滲氮過程的有益效果得到證實;由于高的壓縮殘余應力的存在，事實上，在曲軸表面進行在負載周期，平均壓縮應力，這有助于提高疲勞壽命。5.2 實驗結果。初步交替疲勞試驗(r =-1)施加的負載等于 60 千牛頓中進行。在圖 10(a)載荷 - 應變曲線的例子所示：可以忽略不計的滯后區(qū)域以及沒有對應變曲線異常趨勢指出，沒有相當大的增塑出現(xiàn)和沒有表面疲勞裂紋啟動。通過參照 von Mises 應力在倒角的中間，對實驗應力集中系數(shù)進行了計算。在表 3 中的是曲柄銷軸頸和配重之間的圓角區(qū)域測得的應變值報告，而表 4 總結了 von Mises 應力在曲柄銷和主軸頸圓角，并用公式計算標稱應力。實驗應力集中系數(shù)，對于曲柄銷和主軸頸分別為 7.13 和 5.47。在數(shù)值模擬和實驗應力中之間的區(qū)別因素的影響，在 6％至 9％的范圍內，可以通過考慮了實驗測試的不確定性和簡化的數(shù)學模型引入認為是可接受的。 為了確定材料的彈性極限，進行了加載 - 卸載準靜態(tài)測試。當觀察到一些應變計的塑性轉變時，彎曲載荷增加是通過機器施加高達 90KN 的負載。測得的應變值指出殘余氮化壓縮應力，它有降低表面張應力和增加所需的最大負荷，實現(xiàn)了材料的屈服強度的效果的影響。通過舉例的方式，在應變片上施加 9 到 90KN 的載荷 - 應變曲線的磁滯的載荷示于圖 103(b)，其中，所述壓縮和拉伸材料的行為之間的差別是明顯的。參照秒 4.1，并使用剛剛描述的加載 - 卸載試驗的結果，對氮化殘余應力的大小進行評。在壓縮和拉伸屈服強度分別提取由縱向應變片 4 和 9 分別給出的措施。壓縮屈服強度是通過施加 60KN 頓的載荷來實現(xiàn)，而沒有相當大的塑性移檢測到最大拉伸負荷施加等于 90 千牛頓。為 60KN 頓和 90KN 施加的載荷測得的縱向和周向應變值分別列于表 5。通過應用方程（10） - （14）以及考慮應變測量的結果，對縱向和周向應力極限進行計算，值列于表 6。通過馮?米塞斯橢圓，然后得出考慮縱向拉伸和壓縮應力極限 1353Mpa 之間的代數(shù)差。因為由一個標準拉伸試驗裝置估算氮化試樣的力學特性的難度，材料的屈服強度被認為是在范圍 700/800 兆帕。這個假設是有一個道理的事實，即滲氮鋼的屈服強度比母材更高為了研究這個參數(shù)的不確定性的影響，屈服強度的下限和上限分別用于構建馮米塞斯橢圓。在圖 11 馮?米塞斯橢圓形的曲軸殘余應力的評價顯示： AB 偏轉角 θ 大約 75 度，殘余應力在縱向和圓周方向，由點 C 的坐標所表示的范圍內，列于表 6。因此，6％的屈服強度的不確定性導致在 18％的所計算的殘余應力的變化。對于疲勞性的評價，曲軸是下一個拉壓負荷測試,用 60 千牛頓為 106 個循環(huán)的初始負載，然后所施加的負荷增加到 90 千牛頓。在第一步驟中，負載，在測試過程中測得的應變曲線沒有相當大的修改，均發(fā)現(xiàn)檢測既不用沒有明顯的表面裂紋宏觀光學調查，也不符合滲透劑無損墨評估。在第二個步驟-負荷中，應變片數(shù) 4 突出顯示，從試驗開始，拉伸和壓縮區(qū)域之間的負載 - 應變偏轉角的如圖所示 12(a),這表明存在應變片下存在表面疲勞裂紋。應變片 4 的負載 - 應變圖中的變形變得更加明顯隨著載荷循環(huán)的增加，直到本身出現(xiàn)繞 100 循環(huán)應變片的失敗，確認一個表面疲勞裂紋的存在，也指出了由增量在應變片 14 的正應變。經(jīng)過 103 個循環(huán)的第二步加載應變片也失敗，可見裂紋已經(jīng)傳播到在對面的圓角 ，從如預期般沿 45 度平面主軸頸數(shù)值分析。曲軸然后被測試，直到完成斷裂發(fā)生在第二步驟中加載的個周期。6 結論文的目的是數(shù)值模擬和實驗研究氣體滲氮上的船用柴油機曲軸的疲勞行為的影響。準確彈性和彈塑性有限元模型被建立，論對于曲軸和用于具有部分還原和一個圓角半徑相同的式樣，這些曲軸的評價應力狀態(tài)，并在關鍵區(qū)域的應力集中系數(shù)下彎曲，并估算殘余應力場的影響。實驗結果與數(shù)值吻合良好，并指出，主體和曲柄銷軸頸圓角之間的 45 度的平面是從視圖的角度來看最關鍵的耐疲勞性。一個創(chuàng)新的簡化實驗過程由下彎曲應變測量的方法來確定殘余應力場也被開發(fā)。進行在曲軸部分的實驗測試指出的殘余應力場，從而降低了最大拉伸彎曲應力的有益效果。