内燃机曲轴扭转疲劳强度试验研究与分析

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.006

摘要/Abstract

摘要： 通过对内燃机曲轴进行扭转疲劳试验研究，分析了影响曲轴扭转疲劳强度的因素以及导致曲轴扭转失效的原因，并提出了相应的改进措施。分析指出，随内燃机爆发压力的提高，曲轴所承受的扭矩会相应增大，由此导致的曲轴扭转疲劳失效不断增加。曲轴扭转失效位置主要在连杆颈油孔、曲柄臂和连杆颈下止点，失效原因涉及结构设计、原材料、机加工、热处理等多个因素。连杆颈油孔是扭转疲劳失效最常见部位，裂纹源一般在油孔内壁距轴颈表面约8～10 mm位置，轴颈表面感应淬火对扭转疲劳强度影响较大，表面感应淬火使曲轴的扭转疲劳强度降低约30%，油孔内壁抛磨可使轴颈表面淬火曲轴的扭转疲劳强度提高25%以上。

关键词: 曲轴, 扭转疲劳强度, 失效形式, 感应淬火

Abstract: The factors of affecting crankshaft torsional fatigue strength and the causes of various torsional failure were analyzed by torsional fatigures test of crankshafts， and the corresponding improvement measures were put forward. It was pointed out that with the increase of engine explosion pressure， the torque of crankshafts increases accordingly， which leads to the increase of crankshaft torsional fatigue failures. The main torsional failure locations include pin journal oil hole， crank arm and pin journal bottom center of the crankshafts. The causes of failure are related to structural design， raw materials， machining， heat treatment and so on. The oil holes of pin journal are the most common part of torsional fatigue failures， and the crack sources are generally about 8～10 mm from the inner walls of oil holes to the journal surfaces. The torsional fatigue strength of crankshafts is more affected by induction hardening on the journal surfaces. The torsional fatigue strength of crankshaft reduces about 30% by surface induction hardening. The torsional fatigue strength of surface hardening crankshafts is increased more than 25% by polishing the internal surfaces of the oil holes.

Key words: , crankshaft, torsional fatigue strength, failure model, induction hardening

中图分类号:

TK427

丛建臣, 倪培相, 孙军, 吕世杰. 内燃机曲轴扭转疲劳强度试验研究与分析[J]. 中国机械工程, 2022, 33(18): 2197-2204.

CONG Jianchen, NI Peixiang, SUN Jun, LYU Shijie. Experimental Research and Analysis on Torsional Fatigue Strength of Engine Crankshafts[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(18): 2197-2204.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.006

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2022/V33/I18/2197

参考文献

［1］杨连生. 内燃机设计［M］. 北京：中国农业机械出版社， 1981.
YANG Liansheng. Internal Combustion Engine Design［M］. Beijing：China Agricultural Machinery Press， 1981.
［2］赵阳，吕梦国，姜全会，等. 一种调质型汽车发动机曲轴的断裂失效分析［J］. 金属热处理， 2013， 38，（4）：109-111.
ZHAO Yang， LYU Mengguo， JIANG Quanhui， et al. Fracture Failure Analysis of a Vehicle Engine Crankshaft Heat Treated by Quenching and High Temperature Tempering［J］. Heat Treatment of Metals， 2013， 38（4）：109-111.
［3］HOU X， LI Y， JIANG T. Fracture Failure Analysis of Ductile Cast Iron Crankshaft in a Vehicle Engine［J］. Journal of Failure Analysis and Prevention， 2011， 11（1）：10-16.
［4］QIN W， DONG C， LI X. Assessment of Bending Fatigue Strength of Crankshaft Sections with Consideration of Quenching Residual Stress［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2016， 25（3）：938-947.
［5］陈渊博，郝志勇，张焕宇. 基于弯曲疲劳试验的柴油机曲轴疲劳寿命分析及改进［J］. 内燃机工程， 2011， 32（1）：75-84.
CHEN Yuanbo， HAO Zhiyong， ZHANG Huanyu. Fatigue Life Analysis and Improvement of Diesel Engine Crankshaft Based on Bending Fatigue Test［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2011， 32（1）：75-84.
［6］CEVIK G， RIZA G. Evaluation of Fatigue Performance of a Fillet Rolled Diesel Engine Crankshaft［J］. Engineering Failure Analysis， 2013， 27（1）：250-261.
［7］丛建臣，孙军，倪培相，等. 曲轴弯曲疲劳试验裂纹研究与失效判定［J］. 材料开发与应用， 2014， 29（6）：104-109.
CONG Jianchen， SUN Jun， NI Peixiang， et al. Crack Study and Failure Criterion in Bending Fatigue Test of Crankshaft［J］. Development and Application of Materials， 2014， 29（6）：104-109.
［8］DESAVALE R G， PATIL A M. Theoretical and Experimental Analysis of Torsional and Bending Effect on Four Cylinders Engine Crankshafts by Using Finite Element Approach［J］. International Journal of Engineering Research， 2013， 2（6）：379-385.
［9］MANOJ U， RAJESH M， GIRISH S. Optimization of Crankshaft Torsional Rigidity for Fatigue Strength Improvement Using CAE［C］∥ SAE Technical Paper. Bharat Forge Ltd. Pune， 2012：2012-01-0404.
［10］刘红福，周先忠，于秋明，等. 汽车发动机曲轴扭转疲劳失效形式与原因分析［J］. 失效分析与预防， 2005， 10（1）：57-61.
LIU Hongfu， ZHOU Xianzhong， YU Qiuming， et al. Modes and Causes of Torsion Fatigue Failure of Automobile Engine Crankshafts［J］. Failure Analysis and Prevention， 2005， 10（1）：57-61.
［11］冯美斌，付斌，黄德锐. 发动机球铁曲轴扭转疲劳强度的试验研究［J］. 汽车工艺与材料， 2003（7）：12-14.
FENG Meibin， FU Bin， HUANG Derui. Torsion Fatigue Strength Test for Nodular Cast Iron Crankshaft of Engine［J］. Automobile Technology and Material， 2003（7）：12-14.
［12］ALDERTON R W， PURCELL J J， SAXBY S J. Method for Increasing Torsional Fatigue Strength in Crankshafts：US20100107808 A1［P］. 2010-05-06.
［13］张艺宝，孙梅云，华春蓉，等. 内燃发电机组联轴器新匹配策略［J］. 内燃机学报， 2019， 37（2）：171-178.
ZHANG Yibao， SUN Meiyun， HUA Chunrong， et al. A New Matching Strategy of Couplings for Internal Combustion Generating Set［J］. Transactions of CSICE， 2019， 37（2）：171-178.
［14］田俊龙. 发动机曲柄连杆机构的扭振及疲劳分析［D］. 太原：太原理工大学， 2016.
TIAN Junlong. Torsional Vibration and Fatigue Analysis of Engine Crankshaft and Con-rod Mechanism［D］. Taiyuan：Taiyuan University of Technology， 2016.
［15］成有，黄海波，汪建忠. 柴油机曲轴疲劳强度影响因素研究分析［J］. 西华大学学报， 2007， 26（1）：12-14.
CHENG You， HUANG Haibo， WANG Jianzhong. The Study on the Influencing Factor for Fatigue Strength of Crankshaft in Diesel Engine［J］. Journal of Xihua University， 2007， 26（1）：12-14.
［16］邵诗波，李雪琴. 曲轴扭转疲劳断裂分析［J］. 内燃机与动力装置， 2010， 119（5）：52-54.
SHAO Shibo， LI Xueqin. Analysis of Crankshaft Torsion Fatigue Failure［J］. I. C. E＆ Powerplant， 2010， 119（5）：52-54.
［17］周迅，俞小莉. 曲轴疲劳裂纹扩展规律测试及形成机理分析［J］. 机械工程学报， 2008， 44（1）：238-242.
ZHOU Xun， YU Xiaoli. Fatigue Crack Growth Regular Tests for Engine Crankshaft and Analysis on the Mechanism［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2008， 44（1）：238-242.
［18］叶阳. 非调质钢曲轴模锻成形工艺研究［D］. 重庆：重庆理工大学， 2012.
YE Yang. Research on Die Forging Forming Technology of Non-quenched and Tempered Steel Crankshaft［D］. Chongqing：Chongqing University of Technology， 2012.
［19］丛建臣，孙军，倪培相，等. 曲轴磨削工艺与残余应力关系［J］. 内燃机学报， 2019， 37（2）：186-191.
CONG Jianchen， SUN Jun， NI Peixiang， et al. Relationship between Crankshaft Grinding Process and Residual Stress［J］. Transactions of CSICE， 2019， 37（2）：186-191.

[1]	张登永, 李聪波, 吴少卿, 张友, 李承远. 考虑同轴度的汽车发动机曲轴孔镗削工艺参数节能优化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1280-1289.
[2]	刘怀举, 卢泽华, 朱才朝. 塑料齿轮传动高承载技术发展与应用[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 2-17.
[3]	万步炎1, 2, 彭奋飞1, 2, 3, 金永平1, 2 , 刘德顺1, 2 , 彭佑多1, 2. 海洋探测装备收放缆力学性能研究综述[J]. 中国机械工程, 2024, 35(09): 1521-1533.
[4]	顾亭亭, 楼佩煌, 钱晓明. 基于非等间隔采样的曲轴连杆颈测量技术研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(24): 3016-3023.
[5]	卢泽华, 刘怀举, 朱才朝, 余国达, 钟兵兵. 润滑和载荷状态对聚甲醛齿轮服役性能的影响[J]. 中国机械工程, 2021, 32(17): 2047-2054.
[6]	孙嵩松;万茂松;徐晓美;张营. 不同强度理论在曲轴疲劳研究中的对比应用[J]. 中国机械工程, 2019, 30(23): 2784-2789.
[7]	黄海鸿, 汤杰, 钱正春, . [机械装备再制造]曲轴再制造耐磨熔覆层工艺参数优化[J]. 中国机械工程, 2018, 29(21): 2606-2614.
[8]	孟蓉歌1,2张春化1梁继超1. 改进粒子群优化-Elman算法在发动机曲轴脉宽预测中的应用[J]. 中国机械工程, 2018, 29(07): 766-770.
[9]	王玉琳;胡锦强;柯庆镝;宋守许. 基于轴心轨迹特征的发动机曲轴再制造性分析方法[J]. 中国机械工程, 2017, 28(13): 1601-1607.
[10]	俞红祥, 张昱, 潘旭华. 基于双砂轮水平对置的曲轴随动磨削方法研究[J]. 中国机械工程, 2013, 24(6): 816-821,825.
[11]	徐志扬, 黄兴红. 基于三轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法研究 [J]. 中国机械工程, 2011, 22(5): 518-521.
[12]	沈南燕, 方明伦, 何永义, 李静, 姚俊. 曲轴随动磨削加工误差的模糊自学习补偿 [J]. 中国机械工程, 2011, 22(3): 269-273.
[13]	翟华1, 张宏梅2, 钟华勇1, 赵韩1. 自重挠度对大型曲轴校直机在线检测系统的影响 [J]. 中国机械工程, 2011, 22(19): 2278-2282.
[14]	梁兴雨;舒歌群;张宝欢;王养军;陈达亮. 基于瑞利法的内燃机曲轴纵向振动研究[J]. J4, 2008, 19(6): 0-644.
[15]	于正林;曹国华;姜涛. 采用激振法的曲轴疲劳试验[J]. J4, 2008, 19(5): 0-589.