曲軸的疲勞強度不僅僅取決于制造曲軸的材料，同時還受到毛坯加工方法，曲軸機械加工精度、熱處理工藝、表面處理方法等諸多因素影響，檢驗舊零件再制造其剩余壽命是否足夠，最直接和最有效的方法是曲軸實物的疲勞強度試驗，這也可以驗證理論分析的正確性。本文正航儀器工作者采用圖6-8所示試驗流程，即先對新曲軸分別進行500、1000和3000小時發(fā)動機臺架強化試驗，然后對強化試驗后的曲軸截成單拐，進行單拐疲勞試驗，最后對試驗結果進行分析。
發(fā)動機臺架試驗一般按照國家標準進行，可靠性循環(huán)試驗連續(xù)做數(shù)百小時或1000小時，可靠性循環(huán)試驗中發(fā)動機的使用強度遠遠大于汽車的日常使用，因此1000小時可靠性循環(huán)試驗后的發(fā)動機運轉實際相當于汽車行駛了30萬公里。選取經(jīng)過500、1000和3000小時發(fā)動機臺架試驗后的曲軸作為疲勞試驗樣品，得到曲軸極限彎矩和安全系數(shù)，用來判斷曲軸退役后是否可以用來再制造。
一、新發(fā)動機曲軸疲勞強度試驗
1、疲勞試驗方法
疲勞強度試驗采用電動諧振式試驗裝置，為汽車行業(yè)標準試驗設備。試件是曲軸的單拐。兩相同的慣性擺臂對稱地固定在曲軸試件兩側主軸頸上，與試件共同構成一個諧振系統(tǒng)。電動激振器通過推桿與其中一擺臂相連，當它以一定的頻率（等于系統(tǒng)的共振頻率）和幅度激勵系統(tǒng)振動時，擺臂的慣性力所產(chǎn)生的力矩就施加到試件上。反映載荷大小的響應信號由放置在另一擺臂上的加速度計給出，經(jīng)電荷放大器后送至振動控制器，以形成加速度的模擬閉環(huán)控制回路，使載荷幅度在試驗中保持恒定。當系統(tǒng)的共振頻率因試件的約束條件改變或開裂等原因而發(fā)生變化時，回路還能自動修正指令信號頻率，使之與系統(tǒng)當前的共振頻率相等，確保系統(tǒng)始終處于共振狀態(tài)，使穩(wěn)幅的環(huán)路在任何情況下都能正常工作。當系統(tǒng)的共振頻率下降到預定值時（該值與某一裂紋長度相對應），或當試件完成預定的循環(huán)數(shù)，或當載荷幅度超過規(guī)定的限度時，控制單元將自動終止試驗。新發(fā)動機曲軸的材料為48MnV非調質鋼，曲軸為鍛造毛坯，軸頸及圓角感應淬火。試件為從成品曲軸上截取的單拐，取其第2、4、6曲拐進行試驗，相應編號為“-2”、“-4”和“-6”，共計14個單拐。在若干試件連桿軸頸兩側圓角最大應力處各貼有一個小的應變片，貼片的方向平行于曲軸軸線，以測定試件在動載下的彎曲應力。應變信號經(jīng)一臺靜動態(tài)應變儀放大后，用一塊分辨率為0，1mV的數(shù)字電壓表讀取。
曲軸彎曲疲勞試驗在一臺電動諧振式疲勞試驗裝置上進行，載荷為對稱的正弦波，加載頻率約90Hz。試驗前對系統(tǒng)的載荷進行了標定，標定后在所使用的載荷范圍內，彎矩的相對誤差不大于1，5%。用升降法測定試件的疲勞極限彎矩。試驗的循環(huán)基數(shù)為107周次。定義系統(tǒng)的共振頻率下降1Hz為試件失效，相應的裂紋長度約20mm。
二、發(fā)動機500小時和1000小時試驗后曲軸的疲勞強度試驗
測定發(fā)動機500小時冷熱沖擊可靠性試驗后的曲軸彎曲疲勞強度。試件為經(jīng)500小時和1000小時試驗后回收的曲軸，材料為48MnV非調質鋼，軸頸及圓角感應淬火，取其第2、4、6曲拐進行試驗，相應編號為“-2”、“-4”和“-6”，共計3個單拐。曲軸彎曲疲勞試驗的載荷為對稱的正弦波，加載頻率約為60Hz。試驗前對系統(tǒng)的載荷進行了標定，標定后使其在所使用的載荷范圍內，彎矩的相對誤差小于1，5%。試驗的循環(huán)基數(shù)為107周次。當試件出現(xiàn)的裂紋長度約20mm，系統(tǒng)的共振頻率下降0，8Hz時即試件失效。經(jīng)過發(fā)動機500小時試驗后的曲軸彎曲疲勞強度試驗結果見表6-6：
三、曲軸疲勞試驗結果與討論
經(jīng)500小時冷熱沖擊可靠性試驗后和1000小時和3000小時可靠性循環(huán)試驗后的試樣較少，試驗結果可能會有偏差，但是其變化趨勢很清楚。極限彎矩隨曲軸臺架強化試驗的時間有所減小，即臺架試驗時間越長，單拐試驗得到的極限彎矩越小，但變化量很小。因為1000小時曲軸臺架強化試驗相當于曲軸的一個生命周期，所以本文試驗的結果表明，曲軸疲勞壽命最少可以維持三個生命周期，即理論上可以再制造三次以上。這和理論計算的結果相吻合，表明再制造疲勞壽命模型和壽命預測的正確性。
本文對發(fā)動機曲軸再制造前后的壽命進行了估算。只要已知材料特性、載荷、局部應力，再選擇相應的疲勞損傷模型，便可以預測、估算疲勞壽命。（本文來源：正航儀器網(wǎng)路部）http://qftd.net
