作為內(nèi)燃機械重要的零配件，曲軸強度體現(xiàn)在抗疲勞和抗斷裂兩個方面，如果曲軸強度水平不足，可能會引起內(nèi)燃機其他零配件的損壞。本文將通過對當(dāng)前內(nèi)燃機械曲軸強度現(xiàn)狀的分析，深入研討內(nèi)燃機械加工制造時的曲軸強度控制方法。
    1.內(nèi)燃機械曲軸強度現(xiàn)狀分析
    1.1.結(jié)構(gòu)復(fù)雜
    內(nèi)燃機械的曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工時，一方面要求具有較為可觀的承受荷載能力，而且要兼顧機械的功率需求，因此在加工制造時，要求保證曲軸強度達(dá)到既定的水平。曲軸在內(nèi)燃機械中的作用是承受氣缸內(nèi)砌體作用力，并以旋轉(zhuǎn)、往復(fù)等運動方式，為內(nèi)燃機械運行提供慣性力。但由于內(nèi)燃機械運行時產(chǎn)生的荷載在周期內(nèi)不斷變化，以致曲軸持續(xù)承受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，尤其是過渡圓角位置，應(yīng)力過于集中，最終導(dǎo)致曲軸的疲勞失效。
    1.2.永久性性能變化
    在內(nèi)燃機械實際應(yīng)用時，隨著使用時間的加長，曲軸局部某點可能會出現(xiàn)永久性的性能變化，反復(fù)循環(huán)載荷作用下，逐漸形成裂紋，甚至擴展至斷裂破裂，即我們常說的疲勞斷裂。疲勞斷裂具有低應(yīng)力性、突然性、時間性、敏感性等特征，國內(nèi)內(nèi)燃機械的加工制造，大約有80%以上內(nèi)燃機械結(jié)構(gòu)強度破壞，就是因為曲軸的疲勞破壞引起，大約占其他強度破壞故障率的95%左右。
    2.內(nèi)燃機械加工制造時曲軸強度控制方法
    2.1.建立曲軸系統(tǒng)動力學(xué)模型
    鑒于內(nèi)燃機械的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工制造曲軸時，應(yīng)該建立曲軸系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并借助各類動力學(xué)仿真軟件和專業(yè)模塊，以形成包括模板、子系統(tǒng)、裝配等在內(nèi)的模型結(jié)構(gòu)。模型的建立，一方面更改了模板的子系統(tǒng)，使得模型參數(shù)化，另一方面是按照一定的幾何體約束比例，設(shè)定模板的參數(shù)，然后集合多個子系統(tǒng)，為子系統(tǒng)的信息傳遞和求解提供渠道。在建立曲軸系統(tǒng)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中所涉及的數(shù)據(jù)涵蓋了內(nèi)燃機械的汽缸數(shù)、沖程數(shù)、缸心距、連桿尺寸和軸承布置等，而子系統(tǒng)的建立，要求對曲軸部件的尺寸、密度和轉(zhuǎn)動慣量等進(jìn)行調(diào)整。
    2.2.分析曲軸系統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果
    曲軸系統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果的分析，是通過對曲軸系統(tǒng)動力學(xué)模型的應(yīng)用，全方位調(diào)整曲軸強度設(shè)計的差異性。首先是減振器的參數(shù)調(diào)試，系統(tǒng)測量布置是在曲軸上方設(shè)置發(fā)動機，其左右側(cè)分別為位移傳感器、信號齒輪和飛輪，其中位移傳感器由采集卡和PC機組成，在進(jìn)行減振器參數(shù)調(diào)整之后，通過扭振響應(yīng)曲線，可以看出振幅軸向基本一致，其數(shù)據(jù)誤差對曲軸強度設(shè)計精度影響不大。其次是活塞加速度比較分析，通過對曲軸轉(zhuǎn)角、連桿擺角、曲柄半徑、曲柄連桿比、連桿中心距等參數(shù)的確定，借助倍角余弦函數(shù)，表示活塞的位移，這樣所計算出來的內(nèi)燃機械曲軸加速度，在實際曲軸強度設(shè)計中就能夠避免相對誤差的影響。再次是活塞側(cè)擊力比較分析，即曲軸在爆發(fā)壓力作用下的精度誤差，鑒于所有曲柄銷載荷曲線的一致性，可利用現(xiàn)代算法取值曲柄銷徑向和切向的峰值，以此檢驗連桿的質(zhì)量等效。
    2.3.曲軸應(yīng)力計算
    曲軸強度的控制，需要準(zhǔn)確分析曲軸的應(yīng)力分布，因此需要通過曲軸應(yīng)力計算，以改善有效應(yīng)力集中系數(shù)的精度。在此筆者建議應(yīng)用有限元分析法，對曲軸應(yīng)力展開計算，并得出曲軸的疲勞安全系數(shù)。在計算之前，還需要評估曲軸高應(yīng)力位置的疲勞安全，期間假定曲柄銷圓角和主軸頸圓角為高應(yīng)力區(qū)域，然后將曲拐相互獨立的主軸頸，簡化成截斷簡支梁模型，這樣就能夠判斷出彎曲應(yīng)力對曲軸的破壞程度。至于曲軸改進(jìn)后常規(guī)強度，一方面是根據(jù)計算的結(jié)果，判斷曲軸強度是否合格，進(jìn)而確定安全系數(shù)，并進(jìn)行扭振修正、屈服極限分析、表面處理、尺寸影響消除等，另一方面是利用截斷簡支梁模型，分析工作彎矩和計算截面模量，進(jìn)而確定曲軸應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。
    2.4.曲軸彎曲疲勞試驗
    曲軸彎曲疲勞試驗，常見的試驗方法有成組試驗法、配對升降法、疲勞極限統(tǒng)計分析法三種，其中成組試驗法適用于曲軸過載時的疲勞強度，可相對合理估算出曲軸安全壽命；配對升降法是按照國家標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范，選取隨機出現(xiàn)的成對數(shù)據(jù)，但只適用于分散性較小的試件；疲勞極限統(tǒng)計分析法，主要通過應(yīng)力—壽命雙對數(shù)坐標(biāo)，找出循環(huán)斷裂點，根據(jù)數(shù)值選取真實的斷裂強度。在此筆者推薦使用疲勞極限統(tǒng)計分析法，這種分析方法要求控制好試驗臺應(yīng)變片的電阻值，以及柵長、柵寬、靈敏系數(shù)、精度等級等，并標(biāo)定載荷，即在“靜標(biāo)動測”原理范圍內(nèi)，分析試件某個部位的靜態(tài)應(yīng)變和動態(tài)應(yīng)變，然后得出靜標(biāo)曲線的應(yīng)變值和確定在該應(yīng)變值下的激振轉(zhuǎn)速大小。至于系統(tǒng)誤差的分析，則要歸結(jié)為人為或者系統(tǒng)的誤差，前者只需要提高試驗人員的技術(shù)水平，并規(guī)范技術(shù)操作規(guī)范即可，后者則需要考量應(yīng)變片在系統(tǒng)中的動載荷測量情況，調(diào)節(jié)各點應(yīng)變量的真實值，使得更加接近測量目標(biāo)點。

    文章通過研究，基本明確了內(nèi)燃機械曲軸強度現(xiàn)狀及發(fā)展情況，其中所涉及到的曲軸強度控制方法，是基于實際曲軸強度控制工作的經(jīng)驗總結(jié)，但鑒于內(nèi)燃機械加工制造時曲軸控制在技術(shù)要求方面具有差異性，這些方法的應(yīng)用，有必要結(jié)合實際條件，對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、補充和完善。