弯曲疲劳试验范文

弯曲疲劳试验范文（精选8篇）

弯曲疲劳试验 第1篇

某车用柴油发动机出于工程应用的需要,提高了标定功率,并改变了原有的活塞、连杆模型。为了继续使用原有的曲轴并保证其工作可靠性,本文对曲轴进行了弯曲疲劳试验和疲劳寿命的分析,并提出了改进意见。现有的曲轴疲劳试验仅对曲轴进行弯曲疲劳试验,忽略了扭转振动产生的应力对曲轴疲劳寿命的影响。本文在谐振式曲轴弯曲疲劳试验的基础上,仿真模拟疲劳试验过程,获取准确的疲劳计算参数。通过多体动力学,在考虑弯扭耦合作用下分析曲轴的疲劳特性,通过子模型法优化了曲轴结构,提高了曲轴的疲劳寿命。

1 柴油机多体动力学仿真

试验用机为水冷直列四冲程6缸柴油机,缸径为128mm,行程为155mm,标定功率338 kW(1 900r/min),最大扭矩2160N·m(1450r/min),发火顺序1-5-3-6-2-4。

动力学仿真在AVL公司的发动机动力学分析软件EXCITE PowerUnit中进行。动力学仿真的模型包括弹性轴系、简易活塞连杆组和简化的弹性主轴承座在内的发动机模型。建立的动力学模型如图1所示。

模型中的减振器参数是在EXCITE Designer中计算轴系的扭转振动特性后,通过优化设计得到的最优减振器参数。安装该减振器之后,相应的曲轴最大扭转应力为41.79 MPa,出现在第六个主轴颈处。最大扭转应力值的获取为后面的弯扭耦合[1]疲劳计算提供了参考。

2 曲轴轴系动态应力分析

运用有限元法中的子结构[2]算法,通过模态分析求解器对轴系的有限元模型进行模态缩减,得到模型的刚度矩阵和质量矩阵。通过轴系的动力学分析,获得曲轴子结构模型中各处主节点的动态位移、速度和加速度。根据Galerkin对于等效动力学方程的转化方法,得到有限元条件下的结构动力学微分方程:

式中,M、D、K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;分别为动力学系统边界位置处随时间变化的加速度、速度和位移向量;F(t)为结构承受的外部载荷向量。系统阻尼系数根据经验获取[3],外部载荷根据实测发动机示功图得到。

运用直接瞬态响应算法[4],按照给定的时间步长直接求解弯扭耦合的运动学方程,计算曲轴结构的动态应力场。

将动力学仿真获取的动态位移、速度和加速度等结果,作为曲轴有限元模型上的动态边界,采用NASTRAN有限元求解器进行瞬态响应的计算。曲轴的圆角部位通常是应力集中程度较高的部位,通过定义节点集的方式,从NASTRAN计算结果中提取出圆角部位的动态应力。图2为发动机标定工况下曲轴三维计算得到的峰值应力时刻的Von Mises应力云图。

由于轴系的一阶扭转频率为220 Hz,标定工况下轴系受扭转应力的影响较大,所以该工况下轴系最大应力比最大扭矩工况下轴系最大应力高5MPa。取标定转速下应力集中程度最大的第六曲拐曲柄销圆角处的应力峰值节点进行讨论,提取该节点处的动态应力历程,如图3所示。

在发动机720°CA循环中,每间隔5°CA计算1个应力值,共得到145个对应的应力计算结果。从该处圆角的动态应力历程曲线中可见,由于飞轮惯性效应的影响,在第一缸做功行程35°CA ATDC时,第六拐的动态应力幅值最大,位于第十二曲臂曲柄销圆角处,Von Mises应力幅值达到331MPa。

3 带斜油道的曲拐模型静力分析

由于曲轴斜油道不通过主轴颈圆角与曲柄销圆角重叠部位的中间线,对曲柄销圆角的应力集中程度影响较大,必须给予考虑。图4为第六曲拐的精细有限元模型。此模型采用六面体网格,曲柄销、主轴颈及油孔等容易出现应力集中处的网格质量较好,适合进行强度分析。由于一个单拐的网格数量达20万个,故不适合用此模型进行动力学仿真。

将动力学仿真得到的第六曲拐主自由度节点处的位移结果施加到该模型中计算应力场。为考虑有限元时域瞬态响应计算中的惯性载荷和惯性释放效应,把相应的速度和加速度结果也施加到单拐模型中,此三重边界条件可以保证单拐模型受力的准确性。静力分析得到的带油孔的曲轴Von Mises应力分布如图5所示。由于斜油道不通过主轴颈圆角与曲柄销圆角重叠部位的中间线,并且斜油道的存在减小了第十二曲臂最小危险截面的抗弯模量,使其曲柄销圆角处的应力集中程度更大,应力峰值为357.4MPa。而油孔处的应力集中程度相对较低,发生疲劳破坏的概率较小。

4 谐振式曲轴弯曲疲劳试验及仿真

4.1 弯曲疲劳试验

疲劳试验是评价曲轴结构强度的有效手段,首先在谐振式曲轴弯曲疲劳试验台(图6)上对曲轴进行了弯曲疲劳试验。

系统的激振弯矩由装在主动臂上的偏心轮产生,当偏心轮以角速度ω转动时,激振弯矩[5]为:

式中,m为偏心轮质量;R为偏心距;L为加载距离。

在标定试验载荷后,对各曲拐进行疲劳强度检测。在1.6倍载荷系数下检测3个样本,在1.75倍载荷系数下检测1个样本。试验数据如表1所示。

根据设计标准,以1×107次作为该曲轴的疲劳安全寿命,可知在1.6倍载荷下,其中有一个试件未通过,1.75倍载荷下的试件未通过,可见该曲轴强度储备较少,需要进一步分析校核。

4.2 弯曲疲劳试验的仿真

弯曲疲劳试验仅考虑了曲轴工作过程中所受到的弯曲应力,忽略了扭转应力对疲劳强度的影响。现有的试验手段无法在发动机开发设计阶段对曲轴进行弯扭耦合的疲劳试验,而虚拟的疲劳计算能很好地解决这个问题。

曲轴材料性能和表面处理等是进行疲劳计算的基本参数。为准确确定这些参数,模拟了谐振式曲轴弯曲疲劳试验的整个过程,通过拟合圆角处应力的实测值和计算值,用反推的方式确定这些参数。首先建立谐振式曲轴弯曲疲劳试验台的CAE模型,如图7所示。接着根据试验弯矩,在对应位置施加载荷,加载参数均与试验取值相同。最后进行动态响应计算获取圆角应力计算值。

通过与试验数据对比,将材料参数、表面处理参数等反推出来。对比验算后,确定的参数如表2所示。

将应力计算后的曲轴模型导入有限元疲劳分析软件MSC Fatigue中,根据确定的材料参数,以实际疲劳试验加载过程中正弦信号作为疲劳计算的载荷-时间历程,计算第三曲拐的疲劳寿命,结果如图8所示。从计算结果可知,第三拐的连杆轴颈过渡圆角处对应节点的寿命为5.76×106次,与试验结果基本相符。对比图9中实际疲劳损伤点,两者基本处于同一位置,证明了仿真过程的准确性。

5 弯扭耦合下的疲劳寿命计算

将第3章中第六曲拐应力计算结果导入有限元疲劳分析软件MSC Fatigue中,输入4.1节中确定的材料参数,将动力学仿真计算得到的动态应力值,做归一化处理后作为疲劳分析的动态载荷历程,计算出曲轴的疲劳寿命,结果如图10所示。可以看出,在该工况下,第六拐上最薄弱的部位在连杆轴颈的过渡圆角处,疲劳强度安全系数为1.34。疲劳强度主要受应力幅的影响,所以最大应力点疲劳强度不一定最低。第4章中用疲劳寿命来表示是因为弯曲疲劳试验时工作弯矩的取值偏于保守,曲轴会发生疲劳破坏。此结果比单纯考虑弯曲应力的计算结果更具有指导意义。

6 曲轴结构动态强度的优化

从曲轴结构应力集中角度而言,应重点考虑曲柄销圆角处。可通过改变圆角处的几何参数,如加大半径或使用沉割圆角等设计,以及改进圆角加工工艺等措施,来提高圆角处疲劳安全系数。

本文采用有限元子模型法来优化设计曲柄销圆角半径,将曲拐作为整体模型,对应的圆角结构作为子模型,如图11所示。

将子模型上与整体模型连接边界的表面节点定义为驱动点集,这些点按照设定的插值间隙自动在整体模型上进行插值,就可用整体模型来驱动子模型进行计算,快速获得最佳模型结果。曲轴的曲柄销圆角半径为4.0mm,子模型法以0.5mm为增量,计算了4.5 mm到6.0 mm圆角半径的应力值。计算结果如表3所示。

考虑到曲轴结构的工艺性,并且为了避免与连杆轴承发生运动干涉,最终将曲柄销圆角半径定为5.0mm。优化后重新对第六曲拐进行疲劳计算,得到最薄弱部位的疲劳安全系数为1.48,可见曲柄销圆角半径的改变对曲轴疲劳强度的提高贡献较大。

7 结论

(1)将多体动力学仿真计算得到的边界条件施加到带油孔的六面体网格单拐模型上,计算得到应力峰值为357.4 MPa,比没有做出油孔特征的曲轴模型应力峰值(331 MPa)大26.4 MPa,表明类似曲轴模型的油孔特征不能忽略。

(2)弯曲疲劳试验得到第三曲拐在6 080 N·m的试验弯曲下,疲劳循环次数为5.8×106次。通过与仿真结果对比,可更准确获取曲轴材料参数。在动力学仿真的基础上,对曲轴进行疲劳寿命计算,比单纯弯曲疲劳试验能更准确预测曲轴的疲劳寿命。

(3)用子模型法优化设计曲柄销圆角半径,最佳设计半径为5.0mm,相应的最小安全系数上升到1.48。对于强化工作的曲轴,形成了一套较为完整的疲劳校核和优化改进流程。

摘要：针对某高负荷车用柴油机,在提高最高燃烧压力条件下使用原有曲轴,在谐振式弯曲疲劳试验台上进行了曲轴弯曲疲劳试验,采用仿真的方法分析了曲轴在弯扭耦合下的疲劳强度,并对曲轴结构进行了优化。结果表明:带斜油孔的六面体网格曲轴模型应力计算更准确;通过模拟弯曲疲劳试验,可以更准确地获取曲轴的材料参数。优化结果表明:子模型法可有效优化曲轴圆角结构,提高曲轴疲劳强度。

关键词：内燃机,曲轴,弯曲疲劳试验,疲劳寿命,仿真,子模型

参考文献

[1]郝志勇,林琼,段秀兵.曲轴系统动力学特性的数字化仿真与试验研究[J].内燃机工程,2006,27(1):38-40.Hao Z Y,Lin Q,Duan X B.Analysis on crankshaft system’sdynamical behavior based on si mulation and experi mental meth-ods[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2006,27(1):38-40.

[2]Mourelatos Z P.An efficient crankshaft dynamic analysis usingsubstructureing with ritz vectors[J].Journal of Sound and Vi-bration,2000,238(3):495-527.

[3]Niino T,Iwamoto T,Ueda S.Development of si mulationtech-nology for dynamic behavior of crankshaft systemin motorcycleengines[J].JSAE Review,2002,23(1):127-131.

[4]郭磊.车用动力总成结构振动噪声的虚拟预测与虚拟技术研究[D].杭州:浙江大学,2009.

弯曲试验报告至少应包括下列内容 第2篇

a)本标准编号;

b)试样标识(材料牌号、炉号、取样方向等);

C)试样的形状和尺寸;

d)试验条件(弯曲压头直径，弯曲角度);

e)与本标准的偏差;

f)试验结果。

2、拉伸试验报告应至少包括以下信息，除非双方另有约定:

本部分国家标准编号;

注明试验条件信息(如10.6的要求);

试样标识;

材料名称、牌号(如已知);

试样类型;

试样的取样方向和位置(如已知);

试验控制模式和试验速率或试验速率范围(见10.6)，如果与10.3和10.4推荐的方法不同;试验结果。

3、焊接拉伸试验记录应包括下列内容:

—试验编号;

—钢筋级别和公称直径;

—焊接方法;

—试样拉断(或缩颈)过程中的最大力;

—断裂(或缩颈)位置及离焊缝口距离;

—断口特征。

焊接弯曲试验记录应包括下列内容:

—弯曲后试样受拉面有无裂纹;

—断裂时的弯曲角度;

—断口位置及特征;有无焊接缺陷。

4、机械连接接头试验报告应至少包括以下信息:

本部分国家标准编号;

注明试验条件信息;

试样标识;

材料名称、牌号、接头等级;

试样类型（工艺检验、现场检验）;

弯曲疲劳试验 第3篇

沥青混合料疲劳性能是指其在特定荷载环境与气候环境条件下抵抗重复加载作用而不产生破裂的能力。疲劳损坏是沥青混凝土路面最主要的破坏形式之一。为了保证沥青路面具有良好的使用性和耐久性, 世界各国沥青路面设计方法均以路面疲劳特性作为基本设计原则, 国内外研究和评价沥青混合料抗疲劳性能的方法有很多, 其中控制应力弯曲疲劳试验是研究沥青混合料抗疲劳性能的最有效方法。

本文介绍控制应力弯曲疲劳试验, 并采用该试验方法对AC-13沥青混合料的抗疲劳性能进行评价, 提出沥青混合料抗疲劳性能的评价指标, 分析AC-13沥青混合料其抗疲劳性能变化规律。

1 沥青混合料抗疲劳评价方法概述

国内外研究沥青混合料抗疲劳性能的方法有很多种, 综合目前已有的研究成果, 沥青路面疲劳特性试验方法主要包括:1) 现场试验法;2) 试槽法;3) 试板试验法 (也称为试块法) ;4) 试件法;5) 槽口弯曲疲劳试验等。

如此繁多的试验方法, 如何选择。本论文从试验的可操作性、试验结果的可直接应用性及国内对抗疲劳性能的相关规定要求考虑, 采用控制应力简支梁弯曲疲劳试验法进行应力控制的疲劳试验, 研究沥青混合料的疲劳性能, 为沥青混合料的设计与施工提供指导。

2 简支梁弯曲疲劳试验原理

本文采用中点加载简支梁弯曲试验法, 加载模式为控制应力方式。控制应力的疲劳试验是在重复加载的疲劳试验过程中, 保持应力不变, 疲劳破坏是以试件的疲劳断裂作为准则, 达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命。

这种加载方式下疲劳寿命公式一般为:

式中:

Nf为疲劳寿命, 采用试件破坏时的加载次数;

k, n为试验常数, 其值取决于试验条件, 加载方式和材料特性等, n也称为坡度系数;

σ为每次施加于试件的常量应力的最大幅度, MPa;

σf为沥青混合料的弯拉强度。

3 沥青混合料抗疲劳性能评价

采用控制应力弯曲疲劳试验对AC-13沥青混合料进行抗疲劳性能评价, AC-13确定沥青混合料抗疲劳性能。

3.1 试验材料

3.1.1 集料

粗集料采用石灰岩碎石, 细集料采用石灰岩机制砂, 经过试验测试, 所采用的集料均满足相关技术要求。

3.1.2 沥青

采用Shell Pen60/80沥青, 对沥青按JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求的性能指标检测, 经检测沥青性能指标满足相关技术要求。

3.2 沥青混合料配合比设计

分别对AC-13沥青混合料进行配合比设计, 确定沥青混合料的集料用量比例和最佳油石比。

3.2.1 矿料级配设计

矿料级配设计采用马歇尔设计方法, 设计时充分考虑到JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求, 确定的AC-13沥青混合料的集料用量比例为:

10~15mm碎石:5~10mm碎石:机制砂=35%:23%:42%

3.2.2 最佳油石比确定

按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》规定的沥青混合料最佳油石比确定方法, 确定AC-13沥青混合料的最佳油石比为为5.0%。

3.3 抗疲劳试验结果及分析

3.3.1 Pen60/80的AC-13沥青混合料疲劳试验结果

采用PLS疲劳试验机以控制应力简支梁弯曲疲劳试验对Pen60/80的AC-13型沥青混合料抗疲劳性能进行评价。

试件尺寸:采用车辙成型仪成型300mm×300mm×50mm的板状试件, 然后沿碾压成型方向切割出240mm×50mm×50mm的小梁试件。

试验条件:试验温度15℃, 加载频率10Hz, 跨径20cm, 采用应力控制三点弯曲试验, 根据不同应力比下的疲劳破坏数据, 绘制加载次数和变形曲线。

AC-13沥青混合料小梁弯曲强度试验结果平均破坏荷载为2.63kN, 抗弯拉强度为6.312 MPa;

AC-13沥青混合料的小梁疲劳试验结果如下:

疲劳作用次数:212、347、2188、3447、19935;

相应应力比:0.6、0.5、0.3、0.2;

相应对数:2.326、2.540、3.340、3.537、4.300。

AC-13沥青混合料的小梁疲劳弯曲疲劳方程如下:

疲劳方程:y=-0.1945x+1.0241R2=0.9633

疲劳方程参数及相关系数:k=10.57n=0.1945R2=0.9633

以疲劳次数的对数为横坐标, 应力比为纵坐标, 绘制AC-13沥青混合料的疲劳曲线图如下图1。

3.3.2 试验数据分析及结论

1) AC-13沥青混合料的疲劳次数服从标准疲劳方程模式, 满足疲劳性能要求。疲劳次数都随着应力水平的增加而呈现明显下降趋势, 说明车辆轮载的增加, 对路面耐久性的破坏很明显, 因此进行路面结构设计时, 应充分考虑拟建道路的交通组成特点, 尤其是对于重载车辆的破坏作用要有较准确的判断, 防止路面由于超载而使疲劳寿命大大降低。

2) 疲劳方程的参数k值可以称为疲劳扩大系数, k值越大, 说明疲劳寿命越长, n可以称为速度系数, 该值越大, 说明疲劳次数随着应力水平的增加衰减的速度越快, 耐久性能良好的混合料的疲劳方程一般具有k值较大, n值较小的特点。

4 结论

通过研究现有的沥青混合料疲劳试验方法, 本论文采用现象学法中的控制应力简支梁弯曲疲劳试验法, 对AC-13沥青混合料进行抗疲劳性能进行评价, AC-13沥青混合料的疲劳次数服从标准疲劳方程模式, 满足疲劳性能要求, 提出应将疲劳破坏试验、指标作为路面结构设计的依据。

参考文献

[1]公路沥青及沥青混合料试验规程JTJ052—2000.北京:人民交通出版社, 2000.

[2]公路沥青路面施工技术规范JTJF400—2004.北京:人民交通出版社, 2004.

[3]公路沥青路面设计规范JTJD50—2006.北京:人民交通出版社, 2006.

[4]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能.人民交通出版社, 2001.

[5]葛折圣, 黄晓明.沥青混合料应变疲劳性能的试验研究[J].交通运输工程学报, 2002, 3.

弯曲疲劳试验 第4篇

疲劳开裂是沥青路面主要破坏形态之一, 许多国家和机构的沥青路面结构设计方法都将沥青层的疲劳破坏作为结构厚度设计的控制模式之一。进行沥青混合料的疲劳性能的研究, 改善沥青混合料的耐疲劳性能, 可以延长沥青路面的使用寿命, 从而节约建设养护费用, 大大提高道路的社会效益和经济效益。

沥青路面疲劳开裂主要是荷载和环境因素作用所引起的弯拉应力重复作用引起的。目前国内最常用的以弯拉为手段的疲劳试验方法是小梁弯曲疲劳试验, 但是小梁试件现场取样比较困难, 试件制作过程复杂, 人工成本较高。

半圆弯拉疲劳试验 (国外称之为Semi-Circular Bending Test) 作为一种新的方法越来越多地应用于沥青混合料的疲劳分析[1], 该方法有以下优点[2.3]: (1) 所用试件来源多样, 成型便捷; (2) 试验装置简单; (3) 破坏形式以张拉为主, 可以很好描述沥青混合料的弯拉疲劳。半圆弯拉疲劳试验的结构示意图如图1所示。

本文对沥青混凝土进行SCB疲劳试验, 分析沥青混凝土的疲劳特性。

1 分析对象

沥青混凝土AC25, 混合料采用SBS改性沥青, 集料来自山东临沂。经过配合比设计, 取3.8的油石比, 矿粉含量2.3%, 各筛孔通过百分率如表1所示。

2 试验方案

(1) 试件制备。成型300mm×300mm×50mm的车辙板, 用钻芯机钻取直径100mm的标准试件, 再采用切割机将标准件切割成直径100mm, 高度50mm, 厚度50mm, 如图2所示。

(2) 试验温度。选取10℃、15℃和20℃为试验温度。 (3) 加载频率。选取10Hz和100Hz为加载频率。

(4) 加载波形。正弦加载波形sin包括加载与卸载两个阶段, 与实际路面受力情况相符, 选用sin正弦波。

(5) 疲劳荷载大小。室温时经过断裂试验, 破坏荷载为2.5kN, 本文取0.4kN、0.6kN和1.0kN为疲劳荷载。

(6) 平行试验。由于疲劳试验变异性很大, 没有20次以上的平行试验无法准确描述材料的疲劳特性。因此本文每种材料只进行一次疲劳试验, 如果试验结果与经验值相差过大, 则补做一次试验。

实验前将试件放在15℃环境箱中保温5h以上, 室内温度通过空调调节至15℃, 半圆弯曲试验在MTS810材料测试系统上进行, 如图3所示。

3 试验结果分析

试验得到不同条件下沥青混凝土的疲劳寿命如表2所示。

沥青混凝土的疲劳寿命随温度变化规律如图4所示。

由图4可见, 沥青混凝土的疲劳寿命随温度增长而递增, 随荷载增长而递减;其他条件不变, 荷载频率100Hz时的疲劳寿命明显高于荷载频率10Hz时的疲劳寿命。这些规律与小梁弯曲疲劳造成的疲劳规律是一致的。

为了得到SCB试验的疲劳寿命与各试验条件的相关关系, 对试验结果和试验条件进行非线性回归, 得到疲劳寿命与影响因素的回归公式。

式中:—疲劳寿命;

—加载力, kN;

—温度, ℃;

—频率, Hz。

4 结语

本文通过SCB实验, 进行了沥青混凝土AC25不同条件下的疲劳寿命试验, 并对试验结果进行了回归分析, 得到了沥青混凝土疲劳寿命与影响因素的回归公式。

从试验结果可以看出, SCB试验的结果与小梁疲劳试验结果的规律性基本一致, 二者必有相关性。目前国对SCB试验的研究和应用还不多见, 但是可以预见, 由于SCB试验具有简便易操作等优势, 将会在很多时候替代小梁疲劳试验。

摘要：进行了沥青混凝土的半圆弯曲疲劳试验, 得到了不同条件下SCB疲劳寿命, 分析了疲劳寿命与影响因素的关系, 并通过SCB试验结果进行了疲劳寿命与影响因素的回归分析。

关键词：沥青混凝土,SCB弯曲疲劳,疲劳规律,非线性回归

参考文献

[1]杨大田, 朱洪洲.沥青混合料的半圆弯拉与小梁三点弯拉对比试验[J].武汉理工大学学报, 2010, 34 (16) :1224-1226.

[2]刘宇, 张肖宁, 迟凤霞.国外SCB (半圆弯抗) 试验方法在沥青混合料中的研究与应用[J].中外公路, 2008 (03) :190-192.

弯曲疲劳试验 第5篇

我国的汽车车轮弯曲疲劳试验机新设备开发起步较晚, 直到20世纪70年代前后才刚刚开始。长春天水红山试验机厂家开发出的液压伺服试验机和其他企业的相关领域的研究, 才使中国的动态试验机研究水平是迈出了一大步。近年来国内车轮弯曲疲劳试验机行业正在加快步伐, 广泛采用计算机控制、电液伺服、高精度测力和测变形技术, 研制出各种金属和非金属的疲劳试验仪器和工况动态力学试验设备, 填补了国内的空白, 部分设备还达到了国际先进水平;同时, 也使我国的试验领域得到了进一步扩展。但是与国际先进水平相比, 我国的车轮弯曲疲劳试验机水平还相差较远, 又由于相关领域如电液伺服阀、伺服液压缸、电子技术、计算机技术等领域相对比较薄弱, 在一定程度上影响了我国车轮弯曲疲劳试验机行业的发展, 部分产品和零件仍需进口。因此, 我国车轮弯曲疲劳试验机要赶超世界先进水平, 实现全部产品和零件的国产化, 仍是我国车轮弯曲疲劳试验机行业今后的奋斗目标和发展方向。

当今, 主要有两种车轮弯曲疲劳试验方法:

一种方法是让车轮进行旋转, 而载荷固定不动, 即车轮随着加载臂的旋转而旋转, 在加载臂一端施加一个固定的弯矩, 对车轮产生旋转弯矩。把车轮与疲劳试验机的工作台固定在一起, 用电机来驱动疲劳试验机的工作台及与其固定在一起的车轮进行旋转运动, 在加载臂的一侧连接上车轮的轮毂, 而在加载臂的另一侧则施加一个固定不变的力, 用来实现对加载臂即车轮轮轴产生一个旋转弯矩的效果, 以便真实反映汽车车轮在行驶过程中承受旋转弯矩的实际状况。在模拟试验条件下, 要求汽车车轮在经历了若干次循环载荷之后, 不能产生由于疲劳所致的破坏。

另一种方法是让车轮静止不动, 而载荷进行旋转, 即车轮跟加载轴固定, 在加载臂一端施加一个相当于旋转弯矩效果的离心力。把车轮与疲劳试验机的工作台台面进行绑定, 与第一种方法一样, 在加载臂的一侧连接上车轮的轮毂。与第一种方法不一样的是, 在加载臂的另一侧则装载一个不平衡的质量块, 通过电机带动装载的不平衡质量块进行转动, 用来产生一个离心力, 进而实现对加载臂即车轮轮轴产生一个旋转弯矩作用在汽车的车轮上。

随着国内汽车工业水平的不断发展, 国内涌现出了一大批汽车车轮弯曲疲劳试验机生产厂家, 其中最具代表性的是天津久荣车轮有限公司研制的用于轿车车轮弯曲疲劳性能试验的CFT-2型和CFT-3型车轮弯曲疲劳试验机, 其中CFT-2型车轮弯曲疲劳试验机采用的是让车轮进行旋转, 而载荷固定不动的试验方式。CFT-3型车轮弯曲疲劳试验机采用的是让车轮固定不动, 而载荷进行旋转的试验方式。

除了天津久荣车轮有限公司, 国内还有其他一些资质雄厚的车轮弯曲疲劳试验机的生产厂家研究的车轮弯曲疲劳试验机, 例如, 东风汽车有限公司研究的采用让车轮进行旋转, 而载荷固定不动的试验方式的RF30K型车轮弯曲疲劳试验机。

2 汽车车轮弯曲疲劳试验机国外研究现状

要对车轮进行弯曲疲劳研究, 汽车车轮弯曲疲劳试验机是不可或缺的弯曲疲劳研究工具。从最早的模拟轴旋转弯曲疲劳试验机开始至今, 车轮弯曲疲劳试验机已有超过一个世纪的历史。

汽车车轮弯曲疲劳试验机是一种技术密集型的测试设备, 现已涉及机械, 液压, 电气, 材料, 测量, 自动控制, 数字显示等众多技术领域, 其相关技术被广泛应用在机械, 造船, 航空航天等许多工业部门。目前国内许多大型和弯曲疲劳试验机都可进行低周疲劳试验, 这些设备一般采用静态测试微电子伺服术, 通过改变电机的运行参数可自动完成进行必要的测试。测试结果和测试数据可实现自动采集, 处理, 显示和打印记录, 大大降低了试验人员的劳动强度, 提高测试效率。由于试验机具有闭环伺服机电控制系统, 又因它的负载范围广, 因此能够成完低频往复拉伸和压缩循环试验。另一种是动态疲劳试验机, 它是由机械, 液压和电子系统三者组合而成的新型伺服机构。电液伺服疲劳试验机变开环控制为闭环控制, 与此同时也大大的提高了测试动态精度。电液伺服疲劳试验机除了可采用正弦波载荷外, 还可以也施加方波, 三角波, 锯齿波, 梯形波等载荷谱。因此, 试验结果更逼近于实际的工作状态, 可为最佳优化设计提供更可靠的依据。任何一个大型现代化的项目都必须经过动态力学测试, 否则就不能保证其设计的安全性。

目前, 随着科学技术的进步和现实需求, 电液伺服疲劳试验机正朝着全微机化、智能化, 节能化的方向发展, 进一步提高了电液伺服疲劳试验机的测试效率, 改善了准确度, 并且降低了电液伺服液压伺服疲劳试验机以及疲劳试验机[2,3]的能量消耗。

从上个世纪80年代末到现在, 汽车车轮弯曲疲劳试验机行业的规模, 品种, 先进程度取得长足发展, 美国, 德国, 日本等国家的相关技术在这一领域处于领先水平。比较知名的厂家有:美国MTS公司, 公司奥尔森 (OLSEN) , 总部设在美国英斯特朗 (INSTRON) 公司;德国MFL公司申克 (SCHENCK) 公司, 沃尔玛伯特 (WOLPERT) 公司和茨维柯 (ZWICK) 公司;日本的岛津公司, 东京衡机公司, 东洋精机公司和松泽公司等等。目前, 随着大规模集成电路、电脑系统和数字控制技术的应用, 车轮弯曲疲劳试验机的加载臂产品已经普遍采用计算机和微机进行设计, 并应用现代化的通讯系统使弯曲疲劳试验机产品趋于自动化和智能化, 其技术结构方面是模拟式逐渐被数字化和全数字化所取代, 由提供数据向提供方法和结果的方向发展;产品结构方面, 从技术密集型逐步转向高技术密集型, 达到产品结构的最佳化。总之, 现代车轮弯曲疲劳试验机产品已实现了计算机化、智能化、数字化、自动化、节能化、微型化和超大型化。试验机今后的主要发展趋势是对现有的这些高技术密集型产品的开发和发展, 充分利用新材料, 广泛应用机械手和机器人技术以及最现代化的通讯技术。

摘要：文章对汽车车轮弯曲疲劳试验机研究的国内外现状进行了综述, 力求为汽车车轮弯曲疲劳试验机的研制提供技术参考。

关键词：汽车车轮,弯曲疲劳试验机,现状

参考文献

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[3]Bendat, J.S.Piersol, A.G.Engineering applications of correlation and spectral analysis[M].

深层氮化齿轮弯曲疲劳性能研究 第6篇

1 前言

深层氮化是比较先进的表面处理工艺。深层氮化齿轮具有氮化温度低、变形小等特点, 与渗碳齿轮比较, 它省去了渗碳齿轮磨削的工序, 因此它比渗碳齿轮成本低。本文研究的深层氮化齿轮是指渗氮层深度≥0.5 mm的氮化齿轮。它与普通氮化齿轮 (一般渗氮层深度为0.1~0.3 mm) 相比能有效改善渗层的承载及抗冲击能力, 可部分地替代渗碳工艺。目前, 我国很多行业采用调质钢+渗氮工艺代替低碳钢+渗碳工艺。如:40CrNiMo钢制350马力 (257 k W) 涡轮发电机减速器齿轮, 渗氮层深度0.75~0.80 mm;42Cr Mo钢制344 t牵引强力采煤机行星减速器内齿圈, 渗氮层深度0.73mm;42CrMo钢制轧钢机减速器传动齿轮, 渗氮层深度0.83 mm。北京航空材料研究院采用32Cr3MoVE钢深层渗氮替代18CrNi4A钢渗碳;美国费城齿轮公司生产的高参数齿轮中有43%采用渗氮处理。随着人们对深层氮化工艺及性能研究的不断深入, 深层氮化齿轮必将得到越来越广泛的应用。

2 试验方法

2.1 试验用齿轮

弯曲疲劳试验采用一对齿轮副, 即发动机正时齿轮和正时中间齿轮。该齿轮副采用同一种材料及工艺。齿轮参数如表1。

试验齿轮共3种, 即42CrMoA调质加深层离子氮化、42CrMoA调质加深层气体氮化、20CrMnTi渗碳淬火。

2.2 设备

试验设备为2 t伺服疲劳试验机。试验装置如图1。

2.3 试验规范

共进行3组齿轮弯曲疲劳试验, 试验条件相同。齿轮中心距为123mm。试验频率为7 Hz。应力比为0.1。试验方法为升降法。循环基数为3×106。

3 试验结果及分析

3.1 理化检验

材料化学成分如表2。硬度及渗层检验结果如表3。

3.2 弯曲疲劳试验结果

3组齿轮试验结果如表4。

可见在该试验条件下, 42CrMoA深层离子氮化齿轮弯曲疲劳强度与20CrMnTi渗碳齿轮弯曲疲劳强度相当, 比深层气体氮化齿轮弯曲疲劳强度提高约25%。

%

3.3失效分析

齿轮弯曲疲劳主要失效形式为断齿。42CrMoA深层离子氮化齿轮弯曲疲劳结果表明, 当齿轮弯曲疲劳试验轴向力达到一定值时, 主动、从动齿轮轮齿均发生断裂, 说明它们是等强度的。齿轮断齿后宏观形貌如图2。图3为齿轮断口SEM图。

通过断口分析, 可知3种齿轮断口均为疲劳断口, 20CrMnTi渗碳齿轮表面疲劳断口有沿晶形态。

3.4齿轮表面相结构分析

图4、图5分别为42CrMoA深层离子氮化齿轮和42CrMoA深层气体氮化齿轮X射线衍射图。齿轮相结构分析结果如表5。

弯曲疲劳试验 第7篇

1.1 试验齿轮

试验齿轮共两种, 即20Cr Mo H渗碳淬火齿轮 (未喷丸) 和20Cr Mo H渗碳淬火后强化喷丸齿轮, 两者几何参数相同 (表1) , 齿轮渗碳层深均为0.7~1.3 mm。

齿轮喷丸主要参数如下:丸粒大小为0.7 mm, 丸粒速度100 m/s, 覆盖率200% (100%覆盖率时间为7 min) 。

1.2 试验条件

试验分两组, 分别进行20Cr Mo H未喷丸和20Cr Mo H喷丸齿轮弯曲疲劳试验, 试验条件相同。疲劳试验所用设备为ZWICK公司生产的HFP5100 400k N高频疲劳试验机, 使用专门设计的齿轮夹具进行装夹, 如图1。试验采用双齿加载方式, 跨齿数为14, 动载与静载之比为0.9, 试验频率为70~80 Hz。

1.3 试验规范

采用齿轮轮齿脉动加载试验确定齿轮弯曲疲劳强度。在脉动疲劳试验机上, 利用专门夹具对试验齿轮进行脉动加载, 试验中脉动载荷仅施加在试验轮齿上, 试验齿轮不作啮合运转, 直至轮齿出现弯曲疲劳失效或应力循环次数达到循环基数3×106次时, 试验终止并获得在试验应力下的一个寿命数据, 即一个试验点。所选取的试验轮齿与加过载荷的轮齿至少应间隔一个轮齿。每个试验齿轮可得若干试验点。当齿根出现可见裂纹、断齿或频率下降5%~10%时, 可判定齿轮出现弯曲疲劳失效。用常规成组法测定齿轮P-S-N曲线。用升降法测定齿轮弯曲疲劳强度。

2 试验结果及分析

2.1 理化检验

标准齿轮材料为20Cr Mo H。齿轮热处理检验项目及结果如表2。喷丸后齿根残余压应力为1 000MPa。

2.2 疲劳试验

(1) 未喷丸齿轮弯曲疲劳试验结果

表3为未喷丸齿轮弯曲疲劳强度数据统计。图2、图3分别为齿轮断口及轮齿试验压痕照片。

齿轮工作时, 轮齿相当于一段悬臂梁, 其齿根处所受弯曲应力最大。一经受力, 齿根的一侧受拉伸, 另一侧受压缩, 所受应力是交变应力。齿根处的过渡曲线部分尺寸和形状急剧变化, 容易产生应力集中现象。齿轮弯曲疲劳试验时, 轮齿受交变载荷作用, 当齿根应力超过疲劳极限时, 产生疲劳裂纹, 导致轮齿在根部断裂。

式中, S0为i=0级时对应的应力;d为步长。

将表3数据代入式 (1) 、式 (2) 中可求得平均疲劳强度为696 MPa, 标准差为14.84 MPa。

注:√表示越出;×表示失效;i代表应力级别;N代表越出的数量。

存活率为50%和99%的疲劳极限为:

对疲劳数据进行处理, 绘制成S-lg N曲线, 如图4。由图4可知, 两条曲线在高应力区均为一直线。其直线方程如下。

5 0%存活率:Y=-1 8 0.0 1X+1 7 5 2.3R2=0.977 7。

9 9%存活率:Y=-2 8 1.2 2X+2 1 5 0.2R2=0.956 9。

(2) 喷丸齿轮弯曲疲劳试验结果

表4为喷丸齿轮弯曲疲劳强度数据统计。

注:√表示越出;×表示失效;i代表应力级别;N代表越出的数量。

将表4数据代入式 (1) 、式 (3) 中可求得平均疲劳强度为783 MPa, 标准差为22.74 MPa。

存活率为50%和99%的疲劳极限为:

对喷丸齿轮弯曲疲劳数据进行处理, 绘制成S-lg N曲线 (如图5) 。由图5可知两条曲线在高应力区均为一直线。其直线方程如下。

5 0%存活率:Y=-5 0 4.7 8X+3 4 8 7.1R2=0.982 1。

9 9%存活率:Y=-5 0 9.6 4X+3 4 7 6.8R2=0.980 1。

比较两组齿轮弯曲疲劳试验结果可知, 强化喷丸处理能极大地提高齿轮的弯曲疲劳强度, 从而提高齿轮的使用寿命。喷丸齿轮比未喷丸齿轮弯曲疲劳强度提高约10%。

根据喷丸强化机理, 喷丸强化能有效地延缓疲劳裂纹的产生和阻止疲劳裂纹的扩展。这是因为对轮齿表面进行喷丸处理, 使轮齿表面产生一定压应力, 减小或消除残余拉应力, 甚至转变为表面压应力, 形成一定的应力储备。喷丸处理能使表面马氏体板条碎化, 位错密度提高, 同时产生一定的塑性变形, 表面层产生冷作硬化, 使表面层晶粒细化, 强度、硬度提高。

3 结论

(1) 20Cr Mo H未喷丸齿轮50%存活率的弯曲疲劳强度为696 MPa, 99%存活率的弯曲疲劳强度为661 MPa;20Cr Mo H喷丸齿轮50%存活率的弯曲疲劳强度为783 MPa, 99%存活率的弯曲疲劳强度为730 MPa。

(2) 强化喷丸处理能极大地提高齿轮的弯曲疲劳强度, 从而提高齿轮的使用寿命;喷丸强化可使齿轮弯曲疲劳强度提高约10%。

(3) 20Cr Mo H喷丸前、后齿轮的弯曲疲劳S-lg N曲线在高应力区均为一条直线, 直线方程分别如下。

a.未喷丸齿轮50%存活率:Y=-180.01X+1 752.3 R2=0.977 7。

b.未喷丸齿轮99%存活率:Y=-281.22X+2 150.2 R2=0.956 9。

c.喷丸齿轮50%存活率:Y=-504.78X+3 487.1R2=0.982 1。

弯曲疲劳试验 第8篇

在疲劳设计中,经常需要测定实际构件的疲劳性能p-S-N曲线。按传统的成组试验法,基本上分组数不少于5个、每组内试件的样本容量不少于12个,所需试件总数需要50个。这对于材料试验或小型零件试验还可以接受,但是对于内燃机曲轴之类的大型结构件的疲劳试验,采用如此多的试件进行破坏性试验,则试验成本高,试验周期长。研究在保证相同试验统计精度的前提下,减少试验次数测得实际构件的疲劳性能曲线,指导产品疲劳设计,具有较大的实用意义。针对材料的p-S-N曲线拟合,一些研究者提出了曲线拟合的极大似然法,通常认为材料的疲劳寿命服从对数正态分布或Weibul1分布,因此研究了当对数疲劳寿命服从正态分布时材料疲劳性能p-S-N曲线的极大似然法[1,2,3,4];当疲劳寿命服从Weibul1分布时材料疲劳性能p-S-N曲线的极大似然法[5]。研究结果表明:利用极大似然法测定材料的疲劳性能p-S-N曲线减少了样件的数量并取得了很好的统计结果。本文将极大似然法应用于内燃机曲轴弯曲疲劳性能曲线拟合,以验证极大似然法在实际构件疲劳性能p-S-N曲线测定中的作用。

1 求解疲劳性能p-S-N曲线的极大似然法原理

极大似然法的基本原理是已发生的事件,其概率最大。故未知参数的选择应有利于该事件的发生。似然函数:

L(x1,x2,…,xn;θ)=

∏ni=1f(xi,θ),f(xi,θ)为X的密度函数

∏ni=1Pθ(X=xi),Pθ(X=xi)为X的分布函数 (1)

θ的极大似然估计值undefined满足:

L(x1,x2,…,xn;undefined;θ) (2)

应用极大似然法测定疲劳性能曲线的基本思路[6]为:首先在n个不同的应力水平Si(i=1,2,…,n)下进行试验,每个应力水平使用一个试件,相应的对数疲劳寿命为lgNi。然后,在其中的某一指定应力水平Sd下,试验一组试件,取得q个对数疲劳寿命观测值lgNdj(j=1,2,…,q)。

由于疲劳设计的需要,常常假定应力水平Si与疲劳寿命Ni成幂函数关系,即:SmiNi=c。其中,m、c为常数,与材料性质、试件形式和加载方式等有关。将上式两端取对数,则得:mlgSi+lgNi=lgc。lgSi与lgNi呈线性关系。对于常见的零部件,则认为同一零部件,在不同应力水平下,寿命服从同一种分布类型。常用的寿命分布有正态分布和Weibul1分布。

对于对数寿命服从正态分布,概率密度函数为:

undefined

式中,μi为任一应力水平Si下,对数母体疲劳寿命平均值;σi为任一应力水平Si下,对数母体疲劳寿命标准差。

其可靠度(或称存活率)p(lgNi>lgNip),即正态变量lgNi大于某一数值lgNip的概率:

undefined

通过采用变量置换以及待定常数方法,得到在某一应力下,指定某一可靠度p,即确定ui值up,并对应得到一个对数疲劳寿命lgNp,具体推导过程详见文献[6]:

lgNp=μd+upσd-(B-upD)lgSd+

(B-upD)lgSp (5)

式中,Sd为某一指定应力水平;μd为指定应力水平Sd下,对数母体疲劳寿命平均值;σd为指定应力水平Sd下,对数母体疲劳寿命标准差;up为与可靠度p相关的标准正态偏量,是一常数,通过查表[6]可得;Sp为可靠度p下的各母体疲劳寿命对应的应力水平。

由上式可知:对数寿命概率密度函数f(lgNi)有B、D两个待定常数。似然性函数可写成:

由于对数函数的单调性,L与lnL同时达到极值。对上式两边取自然对数,则对数似然函数为:

当lnL达到最大值时,B、D的值就是参数B、D的极大似然估计,可以通过求在约束μi>0,σi>0下,lnL取最大值,或解方程:

通过数值解法解得B、D代入式(5),可以得到各种可靠度p下的内燃机曲轴疲劳性能p-S-N曲线。

2 曲轴弯曲疲劳试验及其疲劳性能曲线方程的求解

曲轴作为内燃机重要的零部件之一,在工作时主要受到弯曲载荷和扭转载荷的周期性作用,疲劳损坏是其典型的失效形式,在进行产品强化和新产品开发时,必须对曲轴强度进行严格考核。曲轴弯曲疲劳试验系统采用电动机械激振加载方式,具体试验设备详见文献[7]。以某型号的曲轴为例,材料为42CrMo。曲轴的弯曲疲劳试验数据见表1。

研究[8]表明:曲轴弯曲对数疲劳寿命与正态分布的相关系数很高,可以假定曲轴对数疲劳寿命服从正态分布,试验弯矩M=5500N·m,应力幅Sd=850MPa,lgSd= 2.9294。估计得到对数疲劳寿命的分布参数为:μd=5.5972,σd=0.3584。代入式(8),可以转换为优化问题,即求似然函数:

在约束:μi=5.5972+B(lgSi-lg2.9294)>0,σi=0.3584+D(lgSi-lg2.9294)>0下的极大值点。解得:B=-68.0916,D=8.9763。代入式(5)得:

分别取可靠度p为50%、90%、95%、99%、99.9%,取相应up值,由式(11)拟合p-S-N曲线,如图1所示。

曲轴弯曲疲劳试验方法要求曲轴在指定的应力水平下进行试验,为此必须首先进行载荷标定。具体的标定方法详见文献[7],通过标定确定载荷和应力之间的关系,可以确定可靠度、载荷、疲劳寿命3个参数的关联性。

3 结果检验

使用相同的试验设备,在试验弯矩为5620N·m时,对同一规格的曲轴进行疲劳试验,其计算和试验数据结果见表2。其中,将试验数据按疲劳寿命从小到大次序排列;试件最小疲劳寿命的序数为1,最大疲劳寿命的序数为10。疲劳寿命的可靠度估计量p用平均秩计算,undefined,本例中的观测值个数n=10。通过比较发现:计算数据与试验数据之间有一定的误差,考虑到试验样本数比较少,用平均秩确定试验数据的可靠性大小有一定的误差,计算的数据和试验的数据虽然有不小的误差,但是作为疲劳性能曲线的测定已经能基本用于疲劳寿命设计。

4 结论

(1) 在测定实际构件如发动机曲轴的疲劳性能曲线时,如果构件的疲劳寿命分布属于对数正态分布,利用极大似然法测定可以减少试验样件的数量,通过标定载荷和应力的对应关系,可以确定可靠度、载荷、疲劳寿命3个参数的关联性。

(2) 利用极大似然法测定的疲劳性能方程计算的疲劳寿命数据与试验的疲劳寿命数据有一定的误差,本文计算的疲劳寿命数据比试验的疲劳寿命数据小,属于偏安全的设计曲线,基本能用于曲轴疲劳寿命设计。

摘要：利用极大似然法测定某曲轴的疲劳性能p-S-N(可靠度-应力-寿命)曲线,结果表明:利用极大似然法可以减少曲轴试验样件的数量,而且通过标定确定载荷和应力对应关系,可以确定可靠度、载荷、疲劳寿命3个参数的关联性。通过试验检验发现:采用极大似然法计算的数据与试验数据有一定的误差,考虑到用平均秩确定试验数据的可靠性大小有一定的误差,以及检验组的试验数比较少,计算的疲劳寿命数据比试验的疲劳寿命数据小,属于偏安全的设计曲线。

关键词：内燃机,曲轴疲劳,极大似然法,p-S-N曲线,疲劳寿命

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