陶前昭，蔚興建

（1.廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

QT800-6球墨鑄鐵曲軸材料是一種新型曲軸材料[1]。該材料的特點是在保證高強度的同時，也具有較高的延伸率，這是一般球墨鑄鐵材料所不具備的。采用QT800-6材料制造的曲軸輔以“軸頸淬火+圓角滾壓”強化工藝后，能夠獲得較高的疲勞彎矩性能，接近鍛鋼（軸頸+圓角淬火）曲軸水平。隨著柴油機爆壓的提高，曲軸作為發(fā)動機傳遞扭矩的核心部件，發(fā)動機工程規(guī)范規(guī)定QT800-6球墨鑄鐵曲軸的安全系數(shù)需達到1.8的要求[2]。目前發(fā)動機設計計算基本上采用CAE分析軟件進行，但由于計算軟件價格高，需采用軟件計算的零部件眾多，往往無法滿足曲軸應用計算分析需求；另一方面QT800-6球墨鑄鐵材料是一種新型材料，匹配滾壓工藝進行，CAE分析軟件的尚未能覆蓋QT800-6球墨鑄鐵材料性能參數(shù)和滾壓后的強度提升。因此，技術人員需要采用快速計算方法來評估曲軸的安全系數(shù)是否達到要求，以便后續(xù)進行系統(tǒng)的CAE分析提供選擇依據(jù)。曲軸形位系數(shù)與曲軸強度存關直接的對應關系，可用曲軸形位系數(shù)來評估曲軸強度。因此，本文提出用曲軸形位系數(shù)來快速評估QT800-6球墨鑄鐵曲軸安全系數(shù)，分析找出形位系數(shù)與強度的對應關系，建立快速評估安全系數(shù)的計算模型。

1 計算方法

1.1 常用曲軸計算方法

關于曲軸形位系數(shù)的常用計算方法有斯塔耳方法、壹岐·高垣方法、普芬德爾計算法（FVV公司）、戴勒姆-本茨（DB公司）和新井淳一方法[3]。因為各種計算方法均在一定結構曲軸上進行研究而得出的經(jīng)驗式，加上曲軸結構參數(shù)差別大，這幾種曲軸計算方法都有一定的適用范圍，尤其是各種方法所設定的工況、發(fā)動機結構，曲軸支撐情況、強化處理工藝等都有區(qū)別，計算結果差異較大，無法確定一種統(tǒng)一、公認的計算方法。因此，如何選用上述方法進行初步計算評估，同時通過試驗進行驗證是目前各廠家最普遍和有效的方法。

計算方法所采用的計算公式基本上都是參照材料的疲勞極限、結合材料的強化工藝和結構尺寸等相關影響因素進行，并按曲軸危險截面部位的最小強度要求進行評估，并在此基礎上用曲軸形位系數(shù)來評估曲軸的安全系數(shù)，計算方法均采用無因次參數(shù)法，主要采用如下4個參數(shù)進行為曲軸連桿徑直徑，R為連桿徑圓角半徑，H為曲柄臂厚度，B為曲柄臂寬度和S為軸頸重疊度（危險截面處重疊度）。

1.2 5種曲軸計算方法所用公式

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

連桿頸圓角沉割深度與圓角比值）

1.2.5 普芬德爾計算法（FVV公司）

2 計算結果

2.1 曲軸參數(shù)

為了對比結果有代表性，選取已生產(chǎn)并進行過系統(tǒng)彎曲疲勞試驗的43種曲軸進行對比分析（一種曲軸進行系統(tǒng)彎曲疲勞試驗需歷時近1個月，43種曲軸已是多年的數(shù)據(jù)積累，有一定的參考價值）。其中，所選定的O#曲軸是生產(chǎn)量超過30萬根，并在不同時期進行過系統(tǒng)的彎曲疲勞試驗（包括內(nèi)部定型試驗和過程抽檢試驗、客戶進貨試驗以及第三方試驗），并統(tǒng)一用升降法進行安全系數(shù)的評估，所得到的疲勞試驗結果穩(wěn)定，基本一致，可作為參照物進行對比，所列出的43種曲軸見表1。應用范圍覆蓋乘用車發(fā)動機曲軸、商用車輕中重型發(fā)動機曲軸、船用發(fā)動機曲軸，工程機械曲軸、發(fā)電機組曲軸，從曲軸軸徑尺寸、氣缸直徑以及中心距尺寸已涵蓋國內(nèi)主流機型，對同一系列軸徑的曲軸，也有不同曲柄臂寬B值和不同的中心距，范圍具有一定的代表性。

表1 曲軸結構參數(shù)

續(xù)表

2.2 計算結果

將上述所列出的42款曲軸，分別按前面所說的5種計算方法進行計算，為避免不同的圓徑比（連桿徑圓角尺寸與軸徑尺寸比值）對計算結果的影響，在此次計算過程均按同一參數(shù)進行，即值固定，R隨D的大小變化；計算得出各曲軸的形位系數(shù)值。

如前面所述，曲軸形位系與曲軸強度有直接對應關系，而工程規(guī)范上描述曲軸強度基本上用曲軸安全系數(shù)進行；將上述計算所得的各曲軸形位系數(shù)與0#曲軸形位系數(shù)進行對比，進一步轉(zhuǎn)化為曲軸安全系數(shù)進行描述，即曲軸安全系數(shù)=×0#曲軸實測安全系數(shù)，對應得到各曲軸安全系數(shù)見表2，曲軸安全系數(shù)越高，表明曲軸的強度越好，一般情況下，球墨鑄鐵曲軸裝機首要條件是安全系數(shù)不低1.8。

表2 安全系數(shù)結果

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 安全系數(shù)偏差

根據(jù)43款曲軸計算所得安全系數(shù)與筆者采用升降法[4]實際測量所得安全系數(shù)的偏差（數(shù)值為正值對應計算結果大于實測結果，負值對應計算結果小于實測結果），偏差值見表3。偏差值越小，表明計算結果越接近實測結果，這是本文所需尋找到的。從計算結果的安全性來說，負值越多表明如應用計算結果，代表曲軸的安全性越高，換句通俗點的說法，就是計算結果有一定的富余。

表3 安全系數(shù)偏差

續(xù)表

為更為直觀，在列出數(shù)據(jù)后，也通過圖表折線圖進行對比，對比曲線如圖1。

圖1 各計算方法轉(zhuǎn)化后安全系數(shù)與實測安全系數(shù)對比

2.3.2 偏差分析

按偏差結果進行整理匯總數(shù)據(jù)見表4。

表4 匯總結果

從上面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可得出如下結果：

（1）偏差在±30%內(nèi)，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過88.1%，普芬德爾、戴勒姆-本茨、新井淳一3種計算方法得到的偏差一樣，均達到97.62%，均有一款曲軸計算結果偏差超過30%，且集中在14#曲軸，經(jīng)核對，發(fā)現(xiàn)此款曲軸為國外設計，設計采用鍛鋼材料，球墨鑄鐵材料不適用此結構，因此計算出的結果偏差出現(xiàn)超30%以上。

（2）偏差在±20%內(nèi)，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過69.05%，普芬德爾、壹岐.高垣和新井淳一3種計算法所對應的偏差均達到92.86%，其中普芬德爾稍為好些。

（3）偏差在±15%內(nèi)，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過50%，普芬德爾和新井淳一兩種計算法所對應的偏差均達到85.71%，其他3種計算方法均不超過70%，相符率最差的是戴勒姆-本茨，僅過到50%。

（4）偏差在±10%內(nèi)，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過33.33%，普芬德爾和新井淳一2種計算法所對應的偏差均達到76.19%，其他3種計算方法均不超過50%。

（5）偏差在±5%內(nèi)，5種計算方法計算結果與實測結果相符率超過21.43%，普芬德爾計算法最好，所對應的偏差達到42.86%，其它3種計算方法均不超過30%。

（6）計算安全性上，普芬德爾計算法所對應的負值占比達到61.9%，其次是戴勒姆-本茨和新井淳一2種計算法，負值占比達到54.76%，最不好的是壹岐.高垣法，負值占比僅為30.95%

2.3.3 計算結果應用

（1）上述對比結果也進一步說明，計算所得的曲軸形位系數(shù)越小，所對應的曲軸安全系數(shù)越高[5]，曲軸技術人員可采用曲軸形位系數(shù)的計算來評估曲軸強度。

（2）前面所列的5種曲軸計算方法所對應的計算公式，均是相關專家通過自身經(jīng)驗積累，通過大量試驗數(shù)據(jù)進行修正，才逐步形成的計算公式（計算方法以個人名字命名），在一定的范圍內(nèi)，其計算結果與實測結果相符性較高，如16#～24#九款曲軸，所得計算結果就比較一致。因此，與這9款曲軸結構參數(shù)接近的曲軸，均可應用這5種計算方法進行形位系數(shù)的計算來評估曲軸強度，雖有一定的偏差，但是這些偏差在可接受范圍。

（3）5種曲軸計算方法均有一部分計算結果大幅超出實際測量結果，進一步分析可發(fā)現(xiàn)這些曲軸均是結構性較差，即設計時的曲軸安全系數(shù)就偏小，估計與對應發(fā)動機所應用的領域有關，本研究均從車機工況進行對比分析，也有一定的局限性，如從曲軸技術人員需掌握曲軸強度的初始計算分析來說，有一定的參考價值。

（4）對于QT800-6球墨鑄鐵曲軸來說，5種計算方法優(yōu)先權順序是普芬德爾計算法、新井淳一方法、斯塔爾計算法、戴勒姆-本茨法、壹岐.高垣法。

3 結語

由于各發(fā)動機結構尺寸、使用工況、材料一致性、曲軸強化工藝的不同，確實無法確定一種統(tǒng)一的方法來計算曲軸安全系數(shù)，本文通過常用的斯塔耳方法、壹岐.高垣方法、普芬德爾計算法（FVV公司）、戴勒姆-本茨（DB公司）和新井淳一方法計算方法進行對比，從結果看，對于QT800-6球墨鑄鐵曲軸來說，采用普芬德爾計算法計算出來的安全系數(shù)與實際結果符合度較高，滿足快速分析評估的需求，在后續(xù)曲軸技術人員進行曲軸強度初始計算分析時，可優(yōu)先采用普芬德爾方法作為快速評估方法。當然，也可以用普芬德爾計算法和新井淳一方法同時進行評估。本研究建立的用普芬德爾計算法和新井淳一方法結合Excel計算模型，可以實現(xiàn)加快評估。