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汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿失效分析 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 作 者 XXX 學(xué) 號(hào) XXXXXXXX 專業(yè)班級(jí) XXXXXXXX 小組成員 XXXXXXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師 XXXXXX 2013年12月  目錄 引言 3 一．基本知識(shí) 4 1. 連桿的結(jié)構(gòu) 4 2. 制造工藝 5 3. 鋼鍛連桿使用材料 5 4. 連桿受力分析及有限元法 6 二．?dāng)嗫诶砘瘷z驗(yàn) 8 1. 材料化學(xué)成分 8 2. 斷口外觀質(zhì)量和失效形貌 8 3. 微觀斷口夾雜物檢測(cè)分析 9 4. 斷口金相組織 9 5. 斷裂位置 10 三．失效原因（斷裂原因） 10 1. 失效原因總結(jié) 10 2. 連桿疲勞強(qiáng)度研究 11 3. 連桿疲勞壽命預(yù)測(cè) 14 四．總結(jié) 15 1. 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素 15 2. 對(duì)連桿生產(chǎn)的建議 16 五．參考文獻(xiàn) 17 引言 連桿是車用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，從對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的失效歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，連桿的失效概率非常高，而且其失效模式與失效原因具有多態(tài)性，其本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、制造工藝、熱處理工藝、工況的惡劣程度、使用頻率以及設(shè)備維護(hù)、維修等因素均可造成失效。 連桿的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把活塞上的力傳給曲軸。連桿小端做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大端做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，它承受活塞傳來(lái)的氣體壓力，往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力及本身?yè)u擺所產(chǎn)生的慣性力的作用，這些力的大小和方向周期性變化，易引起連桿失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，連桿的主要破壞形式是疲勞破壞。 摘要：連桿的主要破壞形式是疲勞破壞。本文主要對(duì)鋼鍛連桿進(jìn)行分析，并從連桿結(jié)構(gòu)、制造工藝、受力分析、所選材料以及斷口組織結(jié)構(gòu)等方面對(duì)失效原因和疲勞破壞進(jìn)行分析總結(jié)。 關(guān)鍵詞：汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、鋼鍛連桿、失效分析、疲勞 連桿作為傳遞力的主要部件廣泛地應(yīng)用于各類動(dòng)力機(jī)車上， 是各類柴油機(jī)或汽油機(jī)的重要部件。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的作用是將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的輸出。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿連接活塞和曲軸，將活塞承受氣體作用力傳給曲軸，使曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外輸出動(dòng)力，工作時(shí)承受很高的周期性沖擊壓力、彎曲力和慣性力，這就要求連桿應(yīng)具有高的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能，連桿體的幾何結(jié)構(gòu)有良好的結(jié)構(gòu)剛度。同時(shí)也因連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的運(yùn)動(dòng)部件，而高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力又要求結(jié)構(gòu)輕巧，所以要求連桿在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量精度。［1］ 一．基本知識(shí) 1. 連桿的結(jié)構(gòu) 連桿（connecting rod） 連桿機(jī)構(gòu)中兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接以傳遞運(yùn)動(dòng)和力的桿件。 連桿由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸瓦等零件組成，連桿體與連桿蓋分為連桿小頭、桿身和連桿大頭。 連桿小頭用來(lái)安裝活塞銷，以連接活塞。桿身通常做成“工”或“H”形斷面，以求在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下減少質(zhì)量。 連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連。一般做成分開(kāi)式，與桿身切開(kāi)的一半稱為連桿蓋，二者靠連桿螺栓連接為一體。 連桿軸瓦：安裝在連桿大頭孔座中，與曲軸上的連桿軸頸裝和在一起，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的配合副之一。 2. 制造工藝 鋼制連桿都用模鍛制造毛坯。它的鍛造工藝有兩種方案, 將連桿體和蓋分開(kāi)鍛造, 連桿體和蓋整體鍛造。鋼鍛連桿的一般制造工藝如下： 原材料→斷料→鍛造坯料→精模鍛→調(diào)質(zhì)處理→噴丸→硬度及表面檢查→矯正→精壓→探傷→精加工→成品。［2］ 按照連桿體和蓋的剖分方法，目前連桿制造工藝主要分為2種：（1）傳統(tǒng)連桿制造工藝。體、 蓋為整體鍛造結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)粗加工后，采用鋸斷法將體、蓋分離，精加工結(jié)合面后再組裝進(jìn)行其它精加工；（2）連桿裂解工藝。與傳統(tǒng)工藝的區(qū)別體現(xiàn)在斷裂面呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的自然斷裂表面，由此使其具有加工工序少、節(jié)省精加工設(shè)備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)。此外，裂解工藝還可使連桿承載能力、抗剪能力、桿和蓋的定位精度及裝配質(zhì)量大幅度。 傳統(tǒng)連桿的大批量生產(chǎn)較多采用專用機(jī)床，工序較多。加工過(guò)程中基準(zhǔn)需經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換，精度不易保證，適應(yīng)性較差?，F(xiàn)在連桿制造工藝，采用數(shù)控加工中心完成機(jī)加工，工序集中，基準(zhǔn)統(tǒng)一， 而且可以隨產(chǎn)量的增長(zhǎng)而靈活調(diào)整，是一種既經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性又強(qiáng)的先進(jìn)生產(chǎn)方式。 3. 鋼鍛連桿使用材料 ① 碳素鋼和合金鋼 國(guó)內(nèi)一般中、小型汽油機(jī)及柴油機(jī)連桿采用的傳統(tǒng)材料是碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼，通常小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳素調(diào)質(zhì)鋼，大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用合金調(diào)質(zhì)鋼。碳素鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：0.40%～0.55% ；合金鋼主要添加的合金元素是鉻、錳、鉬、硼等，可單獨(dú)添加或復(fù)合添加。［3］碳素鋼連桿的調(diào)質(zhì)硬度一般在229~269HBS，合金鋼連桿的調(diào)質(zhì)硬度可達(dá)到300HBS，但最高不超過(guò)330HBS，這主要是考慮后續(xù)的機(jī)械加工。調(diào)質(zhì)連桿具有足夠的強(qiáng)度和塑性，一般碳素鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到800 MPa以上，沖擊韌度在60 J/cm以上；合金鋼調(diào)質(zhì)鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)到900 MPa以上，沖擊韌度在80J/cm以上，可滿足連桿的可靠性要求。調(diào)質(zhì)鋼連桿的制造工序是，棒料經(jīng)過(guò)剪切，熱鍛成形，調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)力噴丸、機(jī)械加工，裝配和檢測(cè)。 ② 非調(diào)質(zhì)鋼 非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化機(jī)理是在中碳鋼的基礎(chǔ)上添加釩、鈦、鈮等微合金元素，通過(guò)控制軋制或控制鍛造過(guò)程的冷卻速度，使其在基體組織中彌散析出碳、氮的化合物使其得到強(qiáng)化。非調(diào)質(zhì)鋼省略了鍛后的熱處理，從而節(jié)省了能源，減少了生產(chǎn)工序，降低了成本。另外，由于省略了調(diào)質(zhì)工序，避免了零件在熱處理工序中產(chǎn)生的淬火裂紋和變形等一系列的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有一定的好處。非調(diào)質(zhì)鋼按其強(qiáng)韌可以分4類（如表1）其中基本型和高強(qiáng)度型適用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。 ③ 粉末燒結(jié) 粉末燒結(jié)鍛造工藝在20世紀(jì)60年代就已出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，美國(guó)、日本及歐洲的一些國(guó)家均進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。由于當(dāng)時(shí)金屬粉末的種類極少，又受到成本的限制，發(fā)展不快。隨著金屬粉末、合金粉末的開(kāi)發(fā)及相關(guān)工業(yè)的發(fā)展，粉末燒結(jié)鍛造工藝也相應(yīng)的得到發(fā)展，并且逐漸的應(yīng)用到汽車結(jié)構(gòu)件的制造之中。 4. 連桿受力分析及有限元法 對(duì)連桿高速運(yùn)動(dòng)中的受力狀況進(jìn)行理論分析，需結(jié)合有限元軟件ANSYS對(duì)活塞連桿進(jìn)行三維準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析研究，計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)、工作狀況相符；采用接觸算法，以理論分析為依據(jù)，模擬分析為手段，找出導(dǎo)致連桿失效的主要因素。 活塞連桿組的運(yùn)動(dòng)狀況如圖1所示。其中，小頭端隨活塞組做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，大頭端繞曲柄銷做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身部分為往復(fù)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)所合成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)；連桿的受力情況較為復(fù)雜，在其桿身的每一個(gè)截面上都會(huì)有彎矩、剪力和法向力，但彎矩和剪力都不大，桿身的主要載荷是交變的拉壓負(fù)荷。［4］ 圖1活塞連桿組的運(yùn)動(dòng) 柴油機(jī)活塞連桿組的運(yùn)動(dòng)極不均勻，伴隨著很大的加減速度，產(chǎn)生超重上千倍的慣性負(fù)荷，對(duì)連桿的強(qiáng)度和耐久性影響很大，并導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲。這些慣性負(fù)荷主要有：活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，曲軸不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，連桿運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力。［5］ 受計(jì)算機(jī)技術(shù)限制，以往的連桿有限元分析計(jì)算一般是將連桿計(jì)算模型簡(jiǎn)化成二維平面問(wèn)題來(lái)處理。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力越來(lái)越大，連桿計(jì)算越來(lái)越多采用三維有限元分析。三維有限元分析時(shí)因單元數(shù)量多，計(jì)算量龐大，資源占用嚴(yán)重，所以通常連桿分析模型一般不包括活塞銷和連桿軸頸，連桿受力是通過(guò)加在連桿大、小頭孔內(nèi)表面的載荷來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算分析。模型簡(jiǎn)化會(huì)給建立模型、劃分網(wǎng)格、分析計(jì)算等過(guò)程帶來(lái)方便，所需的計(jì)算資源減少，但同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是簡(jiǎn)化處理過(guò)多會(huì)影響計(jì)算結(jié)果精度。接觸問(wèn)題是有限元分析中的一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)檫B桿與活塞銷、曲軸等零件相互作用組成一個(gè)受力系統(tǒng)，每個(gè)零件間的接觸表面有力的相互作用。采用接觸分析法能最大限度地模擬連桿與活塞銷、曲軸間的關(guān)系。［6］因此，本文采用接觸法來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿進(jìn)行分析，分析過(guò)程中同時(shí)考慮到活塞銷和連桿軸頸，在連桿與活塞銷、連桿與連桿軸頸間分別建立彈性接觸對(duì)，用接觸對(duì)來(lái)模擬連桿與活塞銷、連桿與連桿軸頸間的連接關(guān)系，使連桿分析模型盡量與連桿工作的實(shí)際狀況相吻合，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分析的目的。 二．?dāng)嗫诶砘瘷z驗(yàn) 采用 QUANTA-400 型掃描電鏡對(duì)失效連桿斷口進(jìn)行形貌觀察分析。從連桿斷口附近切取試樣進(jìn)行拋光，經(jīng)4%HNO3酒精溶液腐蝕后，用 LEICA DMI5000M光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織。連桿的化學(xué)成分采用化學(xué)粉末法進(jìn)行分析。 1. 材料化學(xué)成分 碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼是連桿用鋼的傳統(tǒng)鋼種，如：40Cr 連桿，其化學(xué)成分如下： C Si Mn Cr S P 0.40—0.42 0.22—0.23 0.62—0.66 0.80—1.10 0.01—0.03 0.007—0.008 2. 斷口外觀質(zhì)量和失效形貌 具體取樣位置見(jiàn)示意圖2。連桿桿身斷裂成兩部分， 同時(shí)可以看出桿部有明顯的扭曲塑性變形（圖3、圖4）。 圖2 斷裂位置 圖3 裂紋源 圖4 宏觀斷口形貌 對(duì)斷口進(jìn)行除油、除銹處理后，在裂紋源的過(guò)渡圓弧表面未發(fā)現(xiàn)明顯的擦傷或腐蝕溝槽。斷口均呈明顯疲勞斷口， 均有清晰可見(jiàn)的疲勞貝紋（外凸）。可看出斷口分成兩個(gè)區(qū)， 裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)。在擴(kuò)展區(qū)的某些區(qū)域可觀察到類似疲勞的花樣。由弧線的彎曲方向，可知裂紋源的位置。［2］ 3. 微觀斷口夾雜物檢測(cè)分析 在斷裂部位進(jìn)行掃描電鏡觀察， 如圖5 所示，在裂紋源區(qū)斷面的主要形貌由韌窩和夾雜物組成。 圖5 裂紋源區(qū)的夾雜物分布 對(duì)斷口處進(jìn)行試樣元素檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)S、Mn、Si、Al等元素含量很高， 雜質(zhì)多為A 類或B 類夾雜物，還有少量爐渣。 4. 斷口金相組織 從圖6 可以看出，組織主要為細(xì)片狀的屈氏體和沿晶分布的網(wǎng)狀鐵素體，顯然，這種組織是在調(diào)質(zhì)淬火過(guò)程中由于冷卻不足所造成的，連桿中調(diào)質(zhì)組織的片狀屈氏體，和邊緣處的貧碳層為連桿過(guò)早的發(fā)生塑性變形提供了組織上的有利條件；邊界上的夾雜物阻止塑性變形，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積形成應(yīng)力集中區(qū)，為顯微裂紋的形成提供了有利條件。裂紋顯微形貌見(jiàn)圖7。 100 μm 50μm 圖6斷口下側(cè)金相組織圖 圖7裂紋顯微形貌 5. 斷裂位置 對(duì)不同類型的連桿的破壞進(jìn)行深入研究，綜合起來(lái)可以得出，連桿的破壞可能出現(xiàn)在以下幾個(gè)部位：桿身斷裂；連桿小頭斷裂；連桿大頭斷裂；連桿蓋斷裂；連桿螺栓斷裂；“直角臺(tái)階”處的疲勞斷裂。從以上的破壞部位可以看出，幾乎連桿所有部位都有可能出現(xiàn)斷裂。但是從連桿破壞的大量實(shí)例來(lái)看，無(wú)論是主副連桿，還是并列連桿，以其桿部的疲勞斷裂居多。疲勞破壞的主要形式有：磨損、腐蝕和斷裂。［7］ 三．失效原因（斷裂原因） 1. 失效原因總結(jié) 整個(gè)斷口分為斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及最后瞬斷區(qū)。從連桿破壞的大量實(shí)例來(lái)看，無(wú)論是主副連桿，還是并列連桿，以其桿部的疲勞斷裂居多。疲勞破壞的主要形式有：磨損、腐蝕和斷裂。裂紋源區(qū)在軸頸圓角面的小曲面上，斷口邊緣較為鋒利，擴(kuò)展區(qū)較大，呈現(xiàn)貝殼狀擴(kuò)展花樣，瞬斷區(qū)域較小并呈纖維狀斷口形貌（如圖2—圖4），整個(gè)斷口表現(xiàn)為低應(yīng)力作用下的彎曲疲勞斷裂。裂紋萌生后的亞穩(wěn)擴(kuò)展較慢，擴(kuò)展區(qū)也較大，從裂紋的形成到裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展經(jīng)歷了一定的時(shí)間，這與汽車的實(shí)際運(yùn)行里程也比較吻合。導(dǎo)致疲勞失效的原因總結(jié)如下： （1）當(dāng)材料中有大量的夾雜物時(shí)，由于夾雜物本身與基體材料差異，在夾雜物周圍集中了較大應(yīng)力，循環(huán)加載初期，集中的應(yīng)力得以釋放而導(dǎo)致裂紋的萌生，并在夾雜物的尖角處集中，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生不均勻塑性變形。隨著損傷的不斷積累，開(kāi)始形成微裂紋，裂紋沿一定的滑移系不斷擴(kuò)展，最終成為導(dǎo)致基體材料斷裂的主裂紋。 （2）材料組織為片狀的屈氏體和沿晶分布的網(wǎng)狀鐵素體以及邊緣處不同程度的貧碳，因貧碳層的強(qiáng)度下降，在外力的作用下首先發(fā)生塑性變形，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到障礙物受阻時(shí)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。位錯(cuò)塞積形成高應(yīng)力區(qū)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí)，則形成微裂紋。［2］ （3）熱處理時(shí)連桿表面形成粗大的針狀馬氏體組織，使連桿具有較大脆性，易發(fā)生脆性斷裂。 2. 連桿疲勞強(qiáng)度研究 連桿的主要破壞形式是疲勞破壞。 （1） 疲勞現(xiàn)象 強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是對(duì)工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械使用的三個(gè)基本要求, 其中疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一, 引起疲勞失效的主要原因是重復(fù)載荷。 疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)或機(jī)械直至破壞所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時(shí)間。 疲勞特征零件、構(gòu)件的疲勞破壞可分為3 個(gè)階段: ①微觀裂紋階段。在循環(huán)加載下, 由于物體的最高應(yīng)力通常產(chǎn)生于表面或近表面區(qū), 該區(qū)存在的駐留滑移帶晶界和夾雜, 發(fā)展成為嚴(yán)重的應(yīng)力集中點(diǎn)并首先形成微觀裂紋。此后, 裂紋沿著與主應(yīng)力約成45角的最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展, 裂紋長(zhǎng)度大致在0.005mm以內(nèi), 發(fā)展成為宏觀裂紋。 ②宏觀裂紋擴(kuò)展階段。裂紋基本上沿著與主應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展。 ③瞬時(shí)斷裂階段。當(dāng)裂紋擴(kuò)大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時(shí), 物體就會(huì)在某一次加載下突然斷裂，對(duì)應(yīng)于疲勞破壞的3 個(gè)階段,在疲勞宏觀斷口上出現(xiàn)有疲勞源疲勞裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂3個(gè)區(qū)。 （2） 疲勞力學(xué)性能指標(biāo) 金屬的疲勞力學(xué)性能指標(biāo)有：疲勞缺口敏感度、應(yīng)力比、疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子范圍、最大載荷、最小載荷、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅、保持時(shí)間、疲勞壽命、疲勞極限、理論應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞缺口系數(shù)、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、累積循環(huán)次數(shù) （3） 疲勞強(qiáng)度測(cè)試 ①試驗(yàn)設(shè)備 連桿疲勞試驗(yàn)在液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)采用液壓方式加載，加載過(guò)程中對(duì)試樣無(wú)沖擊，也允許試樣裝夾時(shí)存在間隙，但是試驗(yàn)頻率較低，一般不高于30Hz，因而試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。 ②裝夾方式 在工況下，連桿小頭孔與活塞銷之間一般為間隙配合且有潤(rùn)滑油并帶有襯套。在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，連桿的裝夾方式應(yīng)盡量模擬連桿實(shí)際工作中的受載環(huán)境，并加注潤(rùn)滑油。在使用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)設(shè)備要求連桿小頭孔與銷之間必須采用過(guò)盈配合，所以連桿小頭孔與活塞銷之間不能加注潤(rùn)滑油，連桿孔在試驗(yàn)過(guò)程中的受載情況與實(shí)際工況有較大差別，影響了試驗(yàn)結(jié)果。 圖8液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上連桿裝夾方式 在使用液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，用連桿夾具固定連桿大頭和小頭（如圖8），大頭用尺寸與曲軸連桿軸頸相同的大頭銷替代，小頭孔與活塞銷可采用間隙配合方式連接。［8］ ③試驗(yàn)方法 目前，連桿疲勞試驗(yàn)規(guī)范一般執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。按加載方式不同來(lái)分，常見(jiàn)的試驗(yàn)加載方式有如下兩種。 1） 恒定負(fù)荷比法 恒定負(fù)荷比法是在試驗(yàn)加載時(shí)，保持負(fù)荷比Rf不變，用名義負(fù)荷中的最大壓力和最大拉力乘以一個(gè)安全系數(shù)來(lái)確定試驗(yàn)載荷。 2） 恒定最大壓力法 恒定最大壓力法是在試驗(yàn)加載時(shí)，用發(fā)動(dòng)機(jī)的最大超轉(zhuǎn)速乘以一個(gè)系數(shù)，然后由此確定出試驗(yàn)過(guò)程中的最大壓力，而試驗(yàn)載荷中的拉力用連桿名義負(fù)荷中的最大拉力乘以一個(gè)安全系數(shù)來(lái)確定。 ④疲勞試驗(yàn)流程 1） 確定加載方式 根據(jù)連桿設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)連桿的要求，確定適當(dāng)?shù)募虞d方式。 2）確定試驗(yàn)樣品 試驗(yàn)樣品必須是完整的連桿總成，包括連桿、連桿蓋、連桿螺栓、連桿軸瓦以及襯套。 根據(jù)試驗(yàn)方法確定所需樣品數(shù)量。用成組法確定連桿的S-N曲線時(shí)，為了保證疲勞試驗(yàn)的可靠性，同時(shí)考慮試驗(yàn)周期不能太長(zhǎng)，需要在4—5個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)應(yīng)力水平試驗(yàn)4—6個(gè)試樣，一般需要25—30個(gè)試樣。用升降法確定連桿的疲勞極限，一般需要10個(gè)試樣。 在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前，需要對(duì)試驗(yàn)連桿進(jìn)行常規(guī)檢驗(yàn)，以確定試驗(yàn)連桿負(fù)荷技術(shù)條件要求。試驗(yàn)樣品必須明確其在設(shè)計(jì)過(guò)程或生產(chǎn)過(guò)程中所處的具體環(huán)節(jié)。 3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理 通過(guò)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，可以得出試驗(yàn)連桿在一系列載荷下的疲勞壽命，并可以確定出在各個(gè)載荷下的破壞情況。 利用P-S-N曲線法估算疲勞極限時(shí)，可分別求出存活率(P)為99.9%、95%和50%的P-S-N曲線。以某型連桿為例進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。 根據(jù)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，以載荷對(duì)數(shù)值lgS為縱坐標(biāo)、壽命對(duì)數(shù)值lgN為橫坐標(biāo)，在不同的存活率下按直線擬合出對(duì)數(shù)P-S-N曲線（如圖9），通過(guò)P-S-N曲線，可以求得不同存活率下的疲勞極限載荷值Sr和安全系數(shù)Ks（如表2）。 圖9某連桿的P-S-N曲線 表2 某連桿的疲勞極限載荷值Sr和安全系數(shù)Ks P/% 99.9 95.0 90 50 Sr/kN 66 69 70 73 Ks 1.80 1.84 1.85 1.89 4）試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià) 通過(guò)對(duì)連桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，可以確定出連桿的薄弱部位，同時(shí)可以確定出試驗(yàn)連桿的安全系數(shù)。 3. 連桿疲勞壽命預(yù)測(cè) 根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式，用積分法算出疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np，也可以算出帶裂紋或缺陷機(jī)件的剩余疲勞壽命。 對(duì)于機(jī)件疲勞壽命的估算，一般先用無(wú)損探傷的方法確定機(jī)件初始裂紋尺寸a0、形狀位置和取向，從而確定ΔK的表達(dá)式ΔK=YΔσ，再根據(jù)材料的斷裂韌度K1c及工作名義應(yīng)力，確定臨界裂紋尺寸，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式，最后用積分方法計(jì)算從到所需的循環(huán)周次，即使疲勞剩余壽命。［9］ 四．總結(jié) 1. 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素 疲勞斷裂一般是從機(jī)件表面應(yīng)力集中處或材料缺陷開(kāi)始的，或者是從二者結(jié)合處發(fā)生的。因此，材料和機(jī)件的疲勞強(qiáng)度不僅與材料成分、組織結(jié)構(gòu)及夾雜物有關(guān)，而且還受載荷條件、工作環(huán)境及表面處理?xiàng)l件的影響。影響疲勞強(qiáng)度的各種因素歸納于表3中。 表3 影響材料及機(jī)件疲勞強(qiáng)度的因素 工作條件 載荷條件（應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比、過(guò)載情況與次載情況、 平均應(yīng)力） 載荷頻率 環(huán)境溫度 環(huán)境介質(zhì) 表面狀態(tài)及尺寸因素 尺寸效應(yīng) 表面粗糙度 缺口效應(yīng) 表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力 表面噴丸及滾扎 表面熱處理 表面化學(xué)熱處理 表面涂層 材料因素 化學(xué)成分 組織結(jié)構(gòu) 纖維方向 內(nèi)部缺陷 2. 對(duì)連桿生產(chǎn)的建議 ①加工前對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格的金相檢驗(yàn)，采用超聲探傷，避免刀痕、擦傷、裂痕等表面缺陷，提高材質(zhì)表面質(zhì)量； ②選用夾雜物較少的鋼材，以減少夾雜物對(duì)零件力學(xué)性能的影響； ③制定正確的熱加工工藝，防止和減少連桿在鍛造和熱處理過(guò)程中的氧化脫碳； ④選用恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，避免形成粗大的晶粒? 五．參考文獻(xiàn) ［1］ 馬曉春等. 連桿鍛件的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策［J］．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（2）：156-160. ［2］ 張進(jìn)，趙曉博，陶世杰，姜江，張金芳，徐景峰．發(fā)動(dòng)機(jī)連桿失效分析（山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南；濰柴動(dòng)力股份公司，山東濰坊）．鑄造設(shè)備與工藝，2010，4(8)：39-42． ［3］ 曹正．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)．中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心． 汽車工藝與材料，2007(1) ：7-10． ［4］ 王金元，趙春婕．康明斯6 CT柴油機(jī)連桿運(yùn)動(dòng)受力分析. 陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院．農(nóng)機(jī)化研究，2010(5)：陜西漢中． ［5］ Firat M，Kocabicak U.Analytical durability modeling and evaluation-complementary techniques for physical testing of 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