QT800-6球墨铸铁曲轴弯曲疲劳强度安全系数快速评估方法

陶前昭，蔚兴建

（1.广西玉柴机器配件制造有限公司，广西 玉林 537005；2.广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005）

0 引言

QT800-6球墨铸铁曲轴材料是一种新型曲轴材料[1]。该材料的特点是在保证高强度的同时，也具有较高的延伸率，这是一般球墨铸铁材料所不具备的。采用QT800-6材料制造的曲轴辅以“轴颈淬火+圆角滚压”强化工艺后，能够获得较高的疲劳弯矩性能，接近锻钢（轴颈+圆角淬火）曲轴水平。随着柴油机爆压的提高，曲轴作为发动机传递扭矩的核心部件，发动机工程规范规定QT800-6球墨铸铁曲轴的安全系数需达到1.8的要求[2]。目前发动机设计计算基本上采用CAE分析软件进行，但由于计算软件价格高，需采用软件计算的零部件众多，往往无法满足曲轴应用计算分析需求；另一方面QT800-6球墨铸铁材料是一种新型材料，匹配滚压工艺进行，CAE分析软件的尚未能覆盖QT800-6球墨铸铁材料性能参数和滚压后的强度提升。因此，技术人员需要采用快速计算方法来评估曲轴的安全系数是否达到要求，以便后续进行系统的CAE分析提供选择依据。曲轴形位系数与曲轴强度存关直接的对应关系，可用曲轴形位系数来评估曲轴强度。因此，本文提出用曲轴形位系数来快速评估QT800-6球墨铸铁曲轴安全系数，分析找出形位系数与强度的对应关系，建立快速评估安全系数的计算模型。

1 计算方法

1.1 常用曲轴计算方法

关于曲轴形位系数的常用计算方法有斯塔耳方法、壹岐·高垣方法、普芬德尔计算法（FVV公司）、戴勒姆-本茨（DB公司）和新井淳一方法[3]。因为各种计算方法均在一定结构曲轴上进行研究而得出的经验式，加上曲轴结构参数差别大，这几种曲轴计算方法都有一定的适用范围，尤其是各种方法所设定的工况、发动机结构，曲轴支撑情况、强化处理工艺等都有区别，计算结果差异较大，无法确定一种统一、公认的计算方法。因此，如何选用上述方法进行初步计算评估，同时通过试验进行验证是目前各厂家最普遍和有效的方法。

计算方法所采用的计算公式基本上都是参照材料的疲劳极限、结合材料的强化工艺和结构尺寸等相关影响因素进行，并按曲轴危险截面部位的最小强度要求进行评估，并在此基础上用曲轴形位系数来评估曲轴的安全系数，计算方法均采用无因次参数法，主要采用如下4个参数进行为曲轴连杆径直径，R为连杆径圆角半径，H为曲柄臂厚度，B为曲柄臂宽度和S为轴颈重叠度（危险截面处重叠度）。

1.2 5种曲轴计算方法所用公式

1.2.1 斯塔耳方法

1.2.2 壹岐·高垣方法

1.2.3 戴勒姆-本茨（DB公司）

1.2.4 新井淳一方法

连杆颈圆角沉割深度与圆角比值）

1.2.5 普芬德尔计算法（FVV公司）

2 计算结果

2.1 曲轴参数

为了对比结果有代表性，选取已生产并进行过系统弯曲疲劳试验的43种曲轴进行对比分析（一种曲轴进行系统弯曲疲劳试验需历时近1个月，43种曲轴已是多年的数据积累，有一定的参考价值）。其中，所选定的O#曲轴是生产量超过30万根，并在不同时期进行过系统的弯曲疲劳试验（包括内部定型试验和过程抽检试验、客户进货试验以及第三方试验），并统一用升降法进行安全系数的评估，所得到的疲劳试验结果稳定，基本一致，可作为参照物进行对比，所列出的43种曲轴见表1。应用范围覆盖乘用车发动机曲轴、商用车轻中重型发动机曲轴、船用发动机曲轴，工程机械曲轴、发电机组曲轴，从曲轴轴径尺寸、气缸直径以及中心距尺寸已涵盖国内主流机型，对同一系列轴径的曲轴，也有不同曲柄臂宽B值和不同的中心距，范围具有一定的代表性。

表1 曲轴结构参数

续表

2.2 计算结果

将上述所列出的42款曲轴，分别按前面所说的5种计算方法进行计算，为避免不同的圆径比（连杆径圆角尺寸与轴径尺寸比值）对计算结果的影响，在此次计算过程均按同一参数进行，即值固定，R随D的大小变化；计算得出各曲轴的形位系数值。

如前面所述，曲轴形位系与曲轴强度有直接对应关系，而工程规范上描述曲轴强度基本上用曲轴安全系数进行；将上述计算所得的各曲轴形位系数与0#曲轴形位系数进行对比，进一步转化为曲轴安全系数进行描述，即曲轴安全系数=×0#曲轴实测安全系数，对应得到各曲轴安全系数见表2，曲轴安全系数越高，表明曲轴的强度越好，一般情况下，球墨铸铁曲轴装机首要条件是安全系数不低1.8。

表2 安全系数结果

2.3 数据分析

2.3.1 安全系数偏差

根据43款曲轴计算所得安全系数与笔者采用升降法[4]实际测量所得安全系数的偏差（数值为正值对应计算结果大于实测结果，负值对应计算结果小于实测结果），偏差值见表3。偏差值越小，表明计算结果越接近实测结果，这是本文所需寻找到的。从计算结果的安全性来说，负值越多表明如应用计算结果，代表曲轴的安全性越高，换句通俗点的说法，就是计算结果有一定的富余。

表3 安全系数偏差

续表

为更为直观，在列出数据后，也通过图表折线图进行对比，对比曲线如图1。

图1 各计算方法转化后安全系数与实测安全系数对比

2.3.2 偏差分析

按偏差结果进行整理汇总数据见表4。

表4 汇总结果

从上面的统计数据分析可得出如下结果：

（1）偏差在±30%内，5种计算方法计算结果与实测结果相符率超过88.1%，普芬德尔、戴勒姆-本茨、新井淳一3种计算方法得到的偏差一样，均达到97.62%，均有一款曲轴计算结果偏差超过30%，且集中在14#曲轴，经核对，发现此款曲轴为国外设计，设计采用锻钢材料，球墨铸铁材料不适用此结构，因此计算出的结果偏差出现超30%以上。

（2）偏差在±20%内，5种计算方法计算结果与实测结果相符率超过69.05%，普芬德尔、壹岐.高垣和新井淳一3种计算法所对应的偏差均达到92.86%，其中普芬德尔稍为好些。

（3）偏差在±15%内，5种计算方法计算结果与实测结果相符率超过50%，普芬德尔和新井淳一两种计算法所对应的偏差均达到85.71%，其他3种计算方法均不超过70%，相符率最差的是戴勒姆-本茨，仅过到50%。

（4）偏差在±10%内，5种计算方法计算结果与实测结果相符率超过33.33%，普芬德尔和新井淳一2种计算法所对应的偏差均达到76.19%，其他3种计算方法均不超过50%。

（5）偏差在±5%内，5种计算方法计算结果与实测结果相符率超过21.43%，普芬德尔计算法最好，所对应的偏差达到42.86%，其它3种计算方法均不超过30%。

（6）计算安全性上，普芬德尔计算法所对应的负值占比达到61.9%，其次是戴勒姆-本茨和新井淳一2种计算法，负值占比达到54.76%，最不好的是壹岐.高垣法，负值占比仅为30.95%

2.3.3 计算结果应用

（1）上述对比结果也进一步说明，计算所得的曲轴形位系数越小，所对应的曲轴安全系数越高[5]，曲轴技术人员可采用曲轴形位系数的计算来评估曲轴强度。

（2）前面所列的5种曲轴计算方法所对应的计算公式，均是相关专家通过自身经验积累，通过大量试验数据进行修正，才逐步形成的计算公式（计算方法以个人名字命名），在一定的范围内，其计算结果与实测结果相符性较高，如16#～24#九款曲轴，所得计算结果就比较一致。因此，与这9款曲轴结构参数接近的曲轴，均可应用这5种计算方法进行形位系数的计算来评估曲轴强度，虽有一定的偏差，但是这些偏差在可接受范围。

（3）5种曲轴计算方法均有一部分计算结果大幅超出实际测量结果，进一步分析可发现这些曲轴均是结构性较差，即设计时的曲轴安全系数就偏小，估计与对应发动机所应用的领域有关，本研究均从车机工况进行对比分析，也有一定的局限性，如从曲轴技术人员需掌握曲轴强度的初始计算分析来说，有一定的参考价值。

（4）对于QT800-6球墨铸铁曲轴来说，5种计算方法优先权顺序是普芬德尔计算法、新井淳一方法、斯塔尔计算法、戴勒姆-本茨法、壹岐.高垣法。

3 结语

由于各发动机结构尺寸、使用工况、材料一致性、曲轴强化工艺的不同，确实无法确定一种统一的方法来计算曲轴安全系数，本文通过常用的斯塔耳方法、壹岐.高垣方法、普芬德尔计算法（FVV公司）、戴勒姆-本茨（DB公司）和新井淳一方法计算方法进行对比，从结果看，对于QT800-6球墨铸铁曲轴来说，采用普芬德尔计算法计算出来的安全系数与实际结果符合度较高，满足快速分析评估的需求，在后续曲轴技术人员进行曲轴强度初始计算分析时，可优先采用普芬德尔方法作为快速评估方法。当然，也可以用普芬德尔计算法和新井淳一方法同时进行评估。本研究建立的用普芬德尔计算法和新井淳一方法结合Excel计算模型，可以实现加快评估。