下载文档原格式
2023年第47卷第12期Journal of Mechanical Transmission基于曲轴热处理强化工艺的RV-20E减速器疲劳性能及寿命分析朱晴旺张靖戴嫣然（浙江环动机器人关节科技股份有限公司，浙江玉环317600）摘要研究了RV-20E减速器的疲劳性能，获得了RV-20E不同曲轴热处理强化工艺下的载荷和寿命曲线；分析了提升RV-20E减速器疲劳寿命的曲轴最优表层组织和最优表层硬度，讨论了RV-20E减速器曲轴的失效模式和失效机制；以S-N理论和Miner理论为基础，结合RV-20E受力分析，提出了基于曲轴滚针轴承组件的RV-20E减速器的寿命参量，并对试验数据进行了比较分析。
结果证明，该寿命参量有效关联RV-20E减速器的疲劳寿命，能够用于预测RV-20E减速器疲劳寿命。
关键词RV-20E减速器曲轴疲劳性能寿命分析Fatigue Performance and Fatigue Life Prediction for RV-20E Reducers Basedon the Crankshaft Heat Treatment Strengthening ProcessZhu Qingwang Zhang Jing Dai Yanran（Zhejiang Fine-Motion Robot Joint Technology Co., Ltd., Yuhuan 317600, China）Abstract Fatigue performance of RV-20E reducers is investigated experimentally herein; load and life curves of RV-20E with different crankshaft heat treatment strengthening processes are obtained. The optimum surface microstructure and optimum surface hardness of the crankshaft for improving the fatigue life of the RV-20E reducer are analyzed, and the failure mode and failure mechanism of the crankshaft of the RV-20E reducer are discussed. Based on the S-N theory and the Miner theory, and combined with the force analysis of RV-20E, the life parameter of RV-20E reducers based on the crankshaft needle roller bearing assembly is derived, and the test data is compared and analyzed. The analysis and comparison show that the life parameter can effectively correlate the fatigue life of RV-20E reducers and can be used to predict the fatigue life of RV-20E reducers.Key words RV-20E reducer Crankshaft Fatigue performance Life analysis0 引言RV减速器作为工业机器人的核心部件，具有结构复杂、传动精度高、承载能力大的特点。
基于多体动力学的柴油机曲轴疲劳寿命分析常丽;田俊龙【摘要】In order to analyze the fatigue life of 4100QBZL diesel engine crankshaft, the coupled multibody dynamics model of crankshaft system was established.The load simulation results of main journal and connecting rod journal under the flexible body model of crankshaft were acquired and the static strength was then checked.Finally, the crankshaft fatigue life prediction was conducted by combining the load spectrum collected from multibody dynamics software, the stress and strain finite element analysis results of the crankshaft under various conditions and the fitted SN curve according to the material properties.The results show that both the crankshaft static strength and fatigue life can meet the design requirements of the project.The life of critical position for crankshaft is beyond 1013 times, so it is thought that crankshaft fatigue failure will not happen.%为分析4100QBZL柴油机曲轴的疲劳寿命,建立该曲柄连杆机构的刚柔耦合多体动力学模型,将多组试验测量的缸内压力作为驱动力,进行耦合仿真得到曲轴在柔性体模型下的主轴颈、连杆轴颈负荷仿真结果,并根据载荷结果对曲轴进行静强度校核.最后结合由多体动力学软件得到的载荷谱与有限元分析所得的曲轴在各个工况下的应力应变分析结果,以及通过材料的各项属性拟合出的S-N曲线,对曲轴进行了疲劳寿命预测.结果表明:曲轴的静强度及疲劳寿命均达到了工程设计要求,曲轴最危险部位的寿命次数也达到了1013以上,认为曲轴不会发生疲劳破坏.【期刊名称】《车用发动机》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】6页(P72-77)【关键词】柴油机;曲轴;多体动力学;疲劳寿命【作者】常丽;田俊龙【作者单位】太原科技大学机械学院,山西太原 030024;太原理工大学机械学院,山西太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TK423.3在国家经济从快速增长转变为稳步增长的背景下，2015年度，我国汽车产量仍然以2 450万辆的产量排在世界首位。
曲轴滚压力与疲劳强度分析作者：文/ 黄中顺蒲鹰邓玉婷来源：《时代汽车》 2020年第13期黄中顺蒲鹰邓玉婷桂林福达曲轴有限公司广西桂林市 541199摘要：曲轴是发动机的核心零部件，在发动机工作过程中它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。
曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。
因此要求曲轴有足够的强度和刚度，随着国内市场对小排量、增压发动机性能的要求不断提高，曲轴结构在轻量化的同时也要求具有较高的疲劳强度，而对强度影响最大的就是曲轴的强化方式及参数，因此，研究曲轴的滚压力与疲劳强度的关系是每个新型号曲轴开发过程中必不可少的一项工作。
关键词：曲轴滚压力疲劳强度Analysis of the Crankshaft Rolling Pressure and Fatigue StrengthHuang Zhongshun，Pu Ying，Deng YutingAbstract：The crankshaft is the core component of the engine. During the operation of the engine, it bears the force transmitted by the connecting rod and converts it into torque to output through the crankshaft and drive otheraccessories on the engine to work. The crankshaft is subjected to the centrifugal force of the rotating mass, the periodically changing gas inertia force and the reciprocating inertia force, so that the crank bearing is subjected to the bending and torsional load. Therefore, the crankshaft is required to have sufficient strength and rigidity. With the continuous improvement of the domestic market's requirements for small displacement and supercharged engine performance, the crankshaft structure is required to have high fatigue strength while being lightweight, which has the greatest impact on strength. It is the strengthening method and parameters of the crankshaft. Therefore, studying the relationship between the rolling pressure and fatigue strength of the crankshaft is an indispensable task in the development of each new type of crankshaft.Key words：crankshaft, rolling pressure, fatigue strength本文通过对我公司目前加工的一款小排量发动机曲轴采用不同滚压力进行试验，以验证滚压力对曲轴疲劳强度的影响，该款曲轴排量为1.0T，材料为球墨铸铁QT700-2。
Journal o f Mechanical Strength2010, 32( 6) : 1018- 1021p 研究简报 p曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算XANALYSIS OF STRUCTURAL STRENGTH AND PRED ICTION OF FATIGUE LIFEFOR CRANKSHAFT AND LINK MEC HANISM朱永梅X X 王明强 刘艳梨( 江苏科技大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212003)ZHU YongMei WANG MingQiang LIU YanLi( School o f Mechanical Enginee ring , Jiangsu Unive rsity o f Scie nce and Tec hnology , Zhenjiang Jiangsu 212003, China )摘要 将多柔体动力学方法引入到曲轴计算中, 建立发动机曲轴轴系的动力学仿真模型, 对曲轴轴 系进行刚柔耦 合 多体运动学和动力学仿真, 为下一步疲劳寿命计 算提供可靠的载荷条 件; 然 后, 从曲 轴所受的 载荷中找 出三个 载荷比 较 大的 时刻, 计算得到其相应时刻的应力和应变分布规律, 找出曲轴受力的危险部位, 为曲轴的动态强度分析提 供数据; 最 后, 结合 Ansys 有限元分析软件和柯顿- 多兰( Certon - Dolan) 理论, 估算 连杆疲 劳寿命, 同 时分析多 级载荷 加载次 序对疲 劳 寿命的影响, 为零部件的主动寿命设计提供参考 数据和理论判据。
关键词 强度 疲劳寿命 动力学 曲轴轴系 中图分类号 TH123. 3 AbstractIntroducing mult-i flexib1e body dynamics to crankshaft computing, a dynamics simulation model of crank and linkmechanism of an engine is built. Based on the rigid and flex coupled model, ADAMS( automatic dynamic analysis of mechanical sys - tems) is used to do a kinematics and dynamic simulation to get dynamic loads. It also provides a reliable characteristic for the body v-i bration noise of next step. Then the bigger loads of three moments are identified from all loads. The distribution law of the stress and strain of correspondi n g moment are achieved and its dangerous parts are found to offer date of dynamic strength analysis. At las t, com - bining the Ansys and the theory of Certon -Dolan, the fatigue life of the link is calculated and the affection of loading order of multilevel loads to fatigue life is analyzed in detail, which have provided the referenced data and the theory of criterion for reliability desi g n.Key words Strength; Fatigue life; Dynamics; Crankshaft and link mechanismCor res pon ding autho r : Z H U Yong Mei , E -mail : zymtt @ 163. com , Tel : + 86- 511- 84401198, Fa x : + 86-511- 84402269 The project supported by the Shipbuilding Industry Defense Technology Pre - research Foundation of China ( No . 07J2. 3. 2) . Manuscript received 20090722, in revi s ed form 20090908.引言曲轴轴系是发动机的主要组件之一, 其动力学特 性对发动机的工作可靠性、振动、噪声等有较大影响。
钢曲轴结构疲劳特性预测方法研究曲轴是发动机的重要零部件之一,在工作过程中会受到来自不同激励源的载荷作用,并导致圆角、油孔等部位因为应力集中而产生疲劳破坏。
同时由于发动机爆压的提升和轻量化设计,对于曲轴的疲劳强度的要求也是越来越高。
传统的试验或者利用疲劳分析软件等疲劳设计方法在研究曲轴的疲劳特性时,往往会导致成本较高或者精度不足等问题。
同时一些相关的疲劳损伤模型在实际工程应用当中,其研究对象的应用范围及适用性也缺乏明确的标准和规定。
因此选择合适的疲劳损伤模型,在设计阶段对曲轴的疲劳强度进行准确的预测,对于曲轴的结构抗疲劳设计有着重要的意义。
针对上述的这些问题,本文主要展开了以下工作:(1)曲轴应力应变状态有限元分析及验证。
基于曲轴自身的结构特点,分析各个曲拐的受力历程,在此基础上对曲轴的整轴模型进行合理的简化,利用有限元建立相应的简化模型并以此代替整轴进行疲劳研究,并对分析结果进行试验验证。
同时针对现有的曲轴疲劳试验系统,对比分析了不同试验方法的结果及其合理性,为后续的相关研究奠定基础。
(2)疲劳缺口系数模型在曲轴疲劳极限载荷预测中的应用研究。
将曲轴作缺口件处理,基于曲轴的疲劳破坏类型,选择相应的疲劳缺口系数模型对其进行疲劳极限载荷预测研究。
通过对某款已有试验数据的曲轴在其疲劳极限载荷作用下的应力状态进行分析,并基于不同的抗弯截面定义方式和应力集中系数计算方法,对曲轴在相应的定义下的应力集中系数及缺口疲劳系数进行推算,在此基础上对材料属性一致,但是圆角半径不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行试验验证以及应力计算结果误差影响分析。
(3)多轴疲劳理论在曲轴疲劳极限载荷预测中的应用研究。
基于多轴疲劳理论,通过对曲轴在外载作用下的应力状态进行分析,确定曲轴在该载荷工况下的损伤类型,在此基础上选择合适的多轴疲劳模型,对材料属性一致,但是圆角半径不同的曲轴的疲劳极限载荷进行预测,并对预测结果进行试验验证以及模型相关应力应变参数计算结果误差影响分析。
Journal o f Mechanical Strength2010, 32( 6) : 1018- 1021p 研究简报 p曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算XANALYSIS OF STRUCTURAL STRENGTH AND PRED ICTION OF FATIGUE LIFEFOR CRANKSHAFT AND LINK MEC HANISM朱永梅X X 王明强 刘艳梨( 江苏科技大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212003)ZHU YongMei WANG MingQiang LIU YanLi( School o f Mechanical Enginee ring , Jiangsu Unive rsity o f Scie nce and Tec hnology , Zhenjiang Jiangsu 212003, China )摘要 将多柔体动力学方法引入到曲轴计算中, 建立发动机曲轴轴系的动力学仿真模型, 对曲轴轴 系进行刚柔耦 合 多体运动学和动力学仿真, 为下一步疲劳寿命计 算提供可靠的载荷条 件; 然 后, 从曲 轴所受的 载荷中找 出三个 载荷比 较 大的 时刻, 计算得到其相应时刻的应力和应变分布规律, 找出曲轴受力的危险部位, 为曲轴的动态强度分析提 供数据; 最 后, 结合 Ansys 有限元分析软件和柯顿- 多兰( Certon - Dolan) 理论, 估算 连杆疲 劳寿命, 同 时分析多 级载荷 加载次 序对疲 劳 寿命的影响, 为零部件的主动寿命设计提供参考 数据和理论判据。
关键词 强度 疲劳寿命 动力学 曲轴轴系 中图分类号 TH123. 3 AbstractIntroducing mult-i flexib1e body dynamics to crankshaft computing, a dynamics simulation model of crank and linkmechanism of an engine is built. Based on the rigid and flex coupled model, ADAMS( automatic dynamic analysis of mechanical sys - tems) is used to do a kinematics and dynamic simulation to get dynamic loads. It also provides a reliable characteristic for the body v-i bration noise of next step. Then the bigger loads of three moments are identified from all loads. The distribution law of the stress and strain of correspondi n g moment are achieved and its dangerous parts are found to offer date of dynamic strength analysis. At las t, com - bining the Ansys and the theory of Certon -Dolan, the fatigue life of the link is calculated and the affection of loading order of multilevel loads to fatigue life is analyzed in detail, which have provided the referenced data and the theory of criterion for reliability desi g n.Key words Strength; Fatigue life; Dynamics; Crankshaft and link mechanismCor res pon ding autho r : Z H U Yong Mei , E -mail : zymtt @ 163. com , Tel : + 86- 511- 84401198, Fa x : + 86-511- 84402269 The project supported by the Shipbuilding Industry Defense Technology Pre - research Foundation of China ( No . 07J2. 3. 2) . Manuscript received 20090722, in revi s ed form 20090908.引言曲轴轴系是发动机的主要组件之一, 其动力学特 性对发动机的工作可靠性、振动、噪声等有较大影响。
其受周期性变化的气缸压力和惯性力的共同作用, 并 对外输出转矩, 工作负荷非常 大, 容易发 生断裂等破 坏, 因此有必要对曲轴进行强度、模态和疲劳寿命等校 核。
虽然目前很多疲劳可靠性估算模型己经很成熟, 并有效地应用于很多领域, 但对于柴油机关键零部件, 如曲轴、活塞、连杆以及活塞销等, 在随机疲劳行为模 型及可靠性估算模型的理论研究和应用方面还是有欠 缺的。
例如文献[ 1] 在实测应力累积频数分布图时忽 略应力的先后次序对疲劳的影响。
文献[ 2] 提出基于联合仿真的疲劳寿命预测方法预测部件的疲劳寿命, 其研究对象为单缸, 而实际应用中多缸发动机较多, 实 际情况复杂, 这样确定危险工况存在一定的误差。
文 献[ 3] 针对某单缸发动机曲轴断裂问题, 通过材料的改 变计算最大载荷工况下的变形和应力, 但是在进行强 度分析之前没有考虑动力学特性的影响。
本文以某台四冲 程 V 型八缸发动机曲轴轴系为 研究对象, 建立动力学仿真分析模型, 其中曲轴作为柔 性体处理, 应用有限元分析 软件 Ansys 对其进行模态 分析, 生成 M NF ( modal neutral file) , 利用 ADAMS( auto - matic dynamic analysis of mechanical systems )P Vie w 模块, 将柔性体模态变形融入到多体系统的动力学仿真中。
通过 Ansys 分析找出曲轴、连杆等工作时的危险部位, 将应力值取出分别用 Miner 方 法和 Certon -Dolan 方法X 20090722 收到初稿, 20090908 收到修改稿。
船舶工业国防科技预研基金( 07J2. 3. 2) 。
XX 朱永梅, 女, 1969 年 9 月生, 江苏镇江人, 汉族。
江苏科技大学机械工程学院副教授, 硕士, 从事机械设 计理论、机械强度、可靠性等研 究。
发表论文十余篇。
第 32 卷第 6 期 朱永梅等: 曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算 1019估算疲劳寿命, 比较二者的优劣, 为零部件的主动寿命 设计和保证实际应用的安全性提供依据。
1 曲轴轴系动力学模型建立和结构强度分析1. 1 曲轴系的多体动力学建模 首先采用三维实体建模软件 UG( unigraphic s ) 完成 柴油机曲轴轴系各零件的实体建模。
该四冲程八缸 V 型柴油机曲轴轴系由曲轴、连杆、活塞、活塞销、飞轮、 轴瓦、衬套、机架、平衡块等组成。
由气缸内气体爆发 压力通过活塞、连杆驱动曲轴。
根据图纸尺寸和装配 要求, 建立的柴油机曲轴轴系总体装配体如图 1 所示。
图 1 曲轴轴系总体装配图 F i g. 1 Whole assembly of crankshaft将在 UG 中建好的曲轴三维实体模型导入到 An -sys 中, 进行几何模型的离散化、材料特性定义等有限 元模型处理和计算分析。
柔性体曲轴由 Ansys 通过模 态计算导出曲轴的模态中性文件 MNF, 曲轴的模态中 性文件MNF 包含 20 000 Hz 以内的 152 个自由模态, 在 ADAMS P Vie w 中读入生成的曲轴 模态中性 文件 MNF, 创建曲轴柔性体模型。
发动机曲轴轴系的基本作用力有三个, 一是气缸 内的气体爆发压力, 这是主动力; 二是由于曲轴轴系运 动产生的惯性力; 三是曲轴轴系运行时的约束力和摩 擦力。
模型中各构件的几何位置参数、质量参数通过 UG 实体模型直接传入到 ADAMS 中, 由 ADAMS 自动计 算出。
活塞( 1~ 8) 上作用的各缸气体爆发压力特性根 据已知参数计算数据, 并使用 ADAMS 建立气体压力样 条曲线。
在具体施加缸内气体爆发压力边界条件时, 应根据多缸发动机的发火顺序调整各活塞表面的气体 爆发压力相位。
调整爆发压力和控制曲轴转速后, 生 成曲轴轴系刚柔耦合多体动力学模型, 并以此为基础 分析曲轴在柔体动力学计算中的机械响应特性。
在生成曲轴轴系柔性多体动力学模型过程中, 需 要注意下面两个问题:( 1) 将 模 态 中性 文 件 输 入 ADAMS P V i ew 后, AD - AMS P Vie w 会将其原点放在整体惯性坐标系的原点上, 并且与模型中其他零件没有任何关系。
运用 ADAMS P Vie w 提供的运动副约束或 柔性连接可将它与其他零 件连接起来。
( 2) 在 ADAMS P Vie w 中输入柔性体后, 可以在其上施加作用力, 因为柔性曲轴是被动( 被加载) 物体, 可以 通过在柔性体上附加一个无质量连接物体, 将作用力 加在该无质量连接物体上。
1. 2 曲轴系的动力学分析和结构强度分析在此多体动力学仿真模型基础上, 通过 ADAMS 对 曲轴轴系进行转速 1 500 r P m in 时的动力学仿真预测 分析, 可以获得一系列的位移、速度、加速度和力、力矩 的数据曲线。
如图 2 为连杆大、小头的受力曲线, 从图 中可以发现, 气缸气体燃烧压力在一个周期内变化时, 连杆大头受力大于小头受力, 此可为后面进行连杆疲 劳寿命估算提供载荷。
图 2 连杆大小头受力 F i g. 2 Infliction force of link根据 A DAMS 对曲轴连杆机构的仿真结果, 找出曲 轴受力较大的时刻分别为 0. 025 6 s 、0. 032 s 和 0. 072 s 的时候, 利用由 ADAMS P Vie w 对曲轴轴系柔性多体动 力学模型进行动力学仿真获得的相应时刻动态载荷文 件( loads. lod) , 通过 ADAMS 与 Ansys 的双向数据接口, 导入 Ansys 中, 同时恢复曲轴柔体模型, 将相应时刻的 载荷文件导入 Ansys, 对柔性体进行应力应变分析。
