曲轴疲劳试验机激振推杆的研究与改进
2016-04-11尹东升严丽丽方立辉辛海霞刘华军
尹东升，严丽丽，方立辉，辛海霞，刘华军
（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）
曲轴疲劳试验机激振推杆的研究与改进
尹东升，严丽丽，方立辉，辛海霞，刘华军
（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）
摘 要：公司曲轴弯曲疲劳试验机的激振推杆，在试验过程中经常出现断裂故障，文章通过有限元分析方法获得激振推杆产生断裂的原因，对激振推杆的结构进行优化设计，提出两种优化方案，并对两种优化结构进行寿命分析，结合物理试验，验证分析结果的正确性，获得最优的激振推杆结构形式。
关键词：曲轴弯曲试验；激振推杆；优化设计
10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.042
CLC NO.: U467.3 Document Code:A Article ID: 1671-7988(2016)02-114-03
引言
随着中国经济和社会的发展与进步，中国的汽车工业也获得了飞速的发展，中国的乘用车产销量已经迈进2000万/年的行列，成为名副其实的汽车大国。作为汽车动力总成核心的发动机，在产品研发和提升质量的过程中，需要在试验机上对曲轴的弯曲疲劳强度进行评估，曲轴试验机就是此种试验的专用设备。
曲轴弯曲疲劳试验机主要由电控系统和机械谐振两大部分组成。机械谐振系统主要由激振器、激振推杆、龙门架等组成。机械谐振系统的结构简图如图1所示。然而在试验过程中经常发生击振推杆断裂故障，本文通过对击振推杆进行有限元分析，优化结构，提高击振推杆的使用寿命。
图1 曲轴弯曲疲劳试验机机械谐振系统简图
1、激振推杆工作过程分析
激振推杆作的主要作用是将激振器产生的激振载荷传递给曲轴试件。激振推杆的可靠性直接影响到曲轴弯曲疲劳试验的连续性和完整性，因此有必要对激振推杆的工作进行分析，以提高其使用寿命。传统的激振推杆可以简化成一根具有固定长度的等径圆截面金属杆。材料为常见的45#钢，激振推杆所受载荷可近似简化成正弦输入载荷。本文采用ANSYS软件对激振推杆寿命分析。
1.1 ANSYS激振推杆分析过程
激振推杆的工作过程可以简化成图2所示的结构。图中绿色零件表示激振推杆，橙色部件表示挡板。
图2 激振推杆工作过程简化
在激振推杆的最右侧端面，增加一个2000N的力，计算激振推杆在幅值为2000N频率为50Hz的正弦载荷作用下的寿命。其寿命如图3所示。由图3可知，激振推杆的寿命约为5600万次，断裂部位出现在推杆与挡板的接触处，这于实际工程情况相同。激振推杆的最大应力点位于激振推杆与挡板接触的位置，激振推杆的最大应力随时间的变化曲线如图4所示，其最大应力值为315.22MPa，此结果同疲劳分析的结果相一致。
图4 激振推杆最大应力随时间变化曲线
2、激振推杆结构优化及分析
原激振推杆在实际使用中，易出现断裂导致失效，影响弯曲试验的连续性和完整性。拟对激振推杆进行结构优化，以提高激振推杆的寿命。优化后的激振推杆的形状如图5所示，称其为A型结构激振推杆，A型结构的激振推杆，分别在距离两端面30mm处增加一个颈缩，颈缩部分的主要作用是释放残余应力，同时，颈缩部分与杆体结合处存在过渡圆角，避免应力集中。
图5 A型激振推杆结构
对A型结构激振推杆进行寿命计算，施加的载荷与原激振推杆相同，A型结构激振推杆的寿命达到8511万次，较原结构的激振推杆寿命增加了将近2000万次，寿命提高幅度51.9%。由图6可以看出，A型结构激振推杆的断裂处发生在颈缩部分，与挡板的接触部分的寿命明显提高。激振推杆的最大应力点位于激振推杆的颈缩位置，激振推杆的最大应力随时间的变化曲线如图7所示，其最大应力值为260.41MPa，此结果同疲劳分析的结果相一致。
图6 A型结构激振推杆寿命图
图7 A型结构激振推杆最大应力随时间变化曲线
对A型结构激振推杆结构进行改进，形成B型结构激振推杆，B型结构激振推杆的结构如图8所示，B型激振推杆与A型激振推杆的区别在于，分别在推杆的两个圆形端面上增设了一个直径为3mm，深为5mm的同心圆孔。
图8 B型激振推杆结构图
对B型结构激振推杆进行寿命计算，施加的载荷与原激振推杆相同，B型结构激振推杆的寿命达到9899.7，同A型结构激振推杆相比，寿命提升了16.3%，与原激振推杆相比，寿命提升了76.8%。由图9可以看出，B型结构激振推杆的断裂处发生在颈缩部分。激振推杆的最大应力点位于激振推杆的颈缩位置，激振推杆的最大应力随时间的变化曲线如图10所示，其最大 应力值为244.82MPa，此结果同疲劳分析的结果相一致。
图9 B型结构激振推杆寿命图
图10 B型结构激振推杆最大应力随时间变化曲线
