新型曲轴振动时效装置的设计

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第 9期2013年 9月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 19新型曲轴振动时效装置的设计李岩舟1’2，蔡敢为 ，陈 渊。，黄院星 ，粱秋练。

(1．广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004)摘 要：曲轴作为内燃机核心部件，质量的好坏将决定内燃机的性能的高低。而曲轴加工过程中产生的残余应力会直接影响到曲轴的质量。目前常用的曲轴消除残余应力的方式热时效方式的处理时问长、能耗高的缺点一直无法有效解决，特别有些曲轴还无法运用热时效的方式消除残余应力。而振动时效是消除工件残余应力的一种有效手段，避免了热时效的缺点。依据工件 内部的残余应力和振动产生的动应力的叠加达到或超过材料屈服 强度的 “Wozney＆Crawmer”准则，求出在激振器以轴弯曲振动固有频率激励下轴类零件产生弯曲振型的主共振，解决现有装置产生动应力达不到消减残余应力要求的难题，且轴两端变形量也有很大提高，同时轴的动应力分布更加均匀，从而能有效地消减轴类零件的残余应力。

关键词 ：振动时效装置；残余应力；曲轴中图分类号：THI6；U464．133+．3 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)09—0019—03Crankshaft Vibration Ageing Device DesignLI Yan—zhou 一，CAI Gan—wei ，CHEN Yuan ，HUANG Yuan—xing2，LIANG Qiu-lian(1．Colege of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China；2．ChinaCollege ofMechanical Engineering，Guan~i Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China)Abstract：Internal combmtion engine crankshaft is seen∞ core components，and quality wil decide the pe】如r a ce ofinternal combustion en~ne．While the crankshaft machining residual stress generated in the process will directly qCy~ct thequality ofcrankshaft The crankshaft is currently used to eliminate residual stress thermal aging oflongprocessing time，andthe shortcoming ofhigh energy consumption has been unable to efectivety so e．especialy SODIe crankshaft also cannot useheat treatment way ofeliminating residual stress，while the vibration ngofresidual stress ofworkpiece is an efective way toavoid the disadvantages of thermal aging．On the basis of the workpiece internal stress and vibration dynamic stresssuperposition reaches or exceeds the strength ofthe materia1．Accordingto Wozney＆Crawmer guidelines，it calculatedthe vibration exciter to shaft bending vibrationfrequency under the sh bending vibration mode ofthe main resonance，andsolves the problem that the existing device which produces vivid stress to reduce residual stress requirements ofthe problem，and the two ends ofthe sh deformation is also greatly improved，at the 5anl~time axis ofthe dynamic stress distribution ismore unifo ，thereby efectivety reducingthe residual stress ofsh parts.

Key W ords：VSR：Device Residual Stress；Crankshaft1引言内燃机广泛应用于工业、农业 、交通运输和国防建设 ，它是汽车、拖拉机、各种农业机械、工程机械、船舶、机车、军用车辆、移动和备用电站等装置的主要动力，对当代社会的物质文明乃至精神文明都有着重要影响。而作为内燃机关键零部件的曲轴，大负荷工作状态下其工作的可靠性对内燃机以及汽车有着重大的影响，曲轴的性能直接决定内燃机的可靠性及使用寿命。且目前内燃机不断地朝高速、轻型、大功率发展，对曲轴的要求也逐步上升。在曲轴制造与使用过程中，其危险部位产生的应力、残余应力的大小，直接影响到曲轴的强度，如何消除曲轴制造过程中产生的残余应力，关系到曲轴直至整车的使用可靠性。现有的曲轴残余应力的消除方法主要为热时效处理方式，热时效处理虽然效果较好，但是热时效需要消耗大量的能源，成本高，污染环境，而且存在一些缺陷。例如氮化处理的曲轴，在粗加工后进行热时效处理，然后再进行精加工和氮化，热时效处理只能消除铸造和粗加工过程中产生的残余应力，而无法消除之后精加工乃至氮化处理过程中产生的残余应力。但振动时效由于其在常温下进行可以放置在精加工进行，能放置在其他工序完成后进行，从而消除更多的残余应力。而等温淬火加工的曲轴，等温淬火后，由于热时效处理温度高于等温淬火温度，所以没法进行热时效，只能采用机械来稿日期：2012一ll一27基金项目：国家自然科学基金(51075077)；广西理 学实验中心重点项目(LGzx2O12O1)；广西大学科研基金(X081032)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室(主任基金)项目(12-071—1 IS02)作者简介：李岩舟，(1979一)，男，河北易县人，讲师，主要研究方向：农业机械，机械动力学、精确农业等方向研究试制项目(201102091G)；20 李岩舟等：新型曲轴振动时效装置的设计 第9期校正的方式保证曲轴质量。而且由于残余应力未能很好的释放，T作过程中容易出现故障，限制了其大规模的使用。而振动时效不需要加温的特点恰好可以运用于消除等温淬火后生成的残余应力。但是由于，工程上一些人由于缺乏机械振动学常识 ，以至产生采取一些不正确的认识和一些不恰当的方法。导致现行针对轴类零件的振动时效装置很多不能使工件产生有效的弯曲变形。对于曲轴来说没没有产生理想的振型，产生的动应力远低于要求，致使无法很好的消除残余应力，使振动时效的效果没法很好的表现出来，也就限制了振动时效技术的推广运用。为了解决这一问题从分析曲轴在不同支撑条件下进行振动产生的弯曲振型，设计出一套用于内燃机曲轴的振动时效装置，能有效地消减曲轴的残余应力。

2振动时效原理及设计目标早在 20世纪初期，美国著名物理学家 Stratt J．w．就提出了振动时效消除残余应力的想法并在美国取得专利l】1。但直到2O世纪 50年代，在能源紧张的情况下，人们才开始加强振动时效的机理与应用研究，该技术也成为了公认有效的消减残余应力方法，并开始逐步有振动时效装置投放到市场上。国外科研人员详细研究了钢的振动时效机理以及产生应力松弛的条件口，并得出至今最为重要的振动时效条件“要减小残余应力，加载的动应力与残余应力的叠加要大于材料的屈服极限”。从上述条件来看，要达到振动时效要求的效果，所要施加的动应力的大小主要受工件的残余应力 、工件屈服应力以及工件的疲劳极限的影响。激振力若过小时，动应力和T件的残余应力小于工件的屈服极限，达不到降低残余应力的要求。要获取足够的动应力，降低工件残余应力的必要参数是施加的动应力，静载、冲击、振动荷载都可以起到调整残余应力的作用，但工件在共振时同样的激振力能激起更大的振动量日，所以在共振时工件进行振动时效可以说是最经济的 。在共振区附近运转所需激振力较小。如图 1所示。

‰ Ⅲ图 1所需激振力幅值与频率比的关系Fig．1 The Relation Between Exciting Force and Frequency Ratio在激振器确定的情况下，采用何种加持方式，能使曲轴振动时效获得最低频率，最大变形成为振动时效装置设计的关键。使用 Pro／E软件对装置进行三维建模，在Ansys中进行分析。根据曲轴是形状不规则的长轴类零件，具有轴线不连续、长径比大、结构复杂等特点，建立相应简化模型。并根据曲轴残余应力分布情况，选取Y方向为径向，z方向为轴向，在保持加载的激振力不变的情况下，对曲轴做了五种不同装夹的约束方式，即全部约束、约束 三个方向、约束xy方向、约束yz方向、约束Y方向，对这五种不同装夹方式的约束进行了分析，分别算出各种不同装夹方式的固有频率和振型，然后进行比较，得出最佳的装夹设计方案。

3装夹方式的选择3．1模态分析一 般来说，工件在高阶固有频率振动时，处理效果比较均匀，但由于高阶振动时对设备要求比低阶高、处理时噪声较大。因此_T程上采用的一般是较低频率、较高峰值共振对工件进行时效。所以采用ANSYS软件的模态分析，分析曲轴在不同加持方式下固有频率，从中选取较小的引起曲轴共振的，主要是较低的阶次频率。因此，在利用ANSYS求解时，只需扩展并提取曲轴的前十阶谐次的模态。利用 ANSYS中的 Block Lanczos法计算了曲轴的十阶谐次的模态，并提取前曲轴十阶模态的固有频率和振型。

由于随着阶次的上升，频率也随之增加，对于振动时效而言，频率越高设备成本也随之上升，而且对环境影响较大，所以5种约束方式皆选取频率较小的为佳。通过曲轴的振型显示可以找出每一种装夹方式的在 y方向上变形的最小固有频率，如表 1所示表 1每种装夹方式在 Y方向发生变形的频率Tab．1 Each Clamping Mode in the YDirection Deformation Frequency3．2谐响应分析振动时效的实现关键点就是要求 件变形量足够大。在保持激振力不变，为了查看曲轴在每种装夹方式在固有频率激振的条件下，曲轴在 Y方向上变形量的情况，于是进行谐响应分析(，，方向为径向，z方向为轴向)，分别对曲轴进行不同的约束，即全部约束、约束xyz三个方向、约束xy方向、约束 方向、约束y方向。通过模态分析得到了每种装夹方式下曲轴在Y方向上变形的固有频率和振型，根据得到的频率，进行谐响应分析，查看各个装夹方式的谐响应分析结果 ，找到最大的变形量 ，从而得到最佳的装夹方式。其结果，如表 2所示。

表 2对曲轴不同加持情况下，谐响应分析数据处理Tab．2 The Diferent Holding Case，HarmonicResponse Analysis Data Processing而通过对比我们发现，当对曲轴约束 y方向时 ，其频率较小，变形最大，所以约束 ，方式能得到最好的应变，即约束 y两个方向的装夹方式是最好的。

4新型曲轴振动时效装置的设计如图2所示，为本次设计所述的轴类零件的振动时效装置，由激振器、激励器底座、夹撑块以及支撑机构组成。激励器底座包括上底盖 1和下底板 2，上底盖 1与下底板通过螺栓 3固定在曲轴 4上上底板还有两块垫片 4，每个垫片内有四个螺孔 5，通过垫片4和螺孔 5，就可以将激振器固定在上底盖 l上，此时，激振器位于两根轴类零件的中间，振动时效时，激振器带动激振器底座一 并振动。显然，此激振器底座的位置可在轴向进行移动，通过松No．9Sept．201 3 机械 设 计 与制 造 21开螺栓 3，即可将上底盖 1与下底板2分开，再通过螺栓 3将上底盖 1和下底板 2连接在一起，很简单地调整了激振器底座在轴类零件上的位置，即同时也改变了激振器对轴类零件的激励位置，便能使轴类零件产生不同振型的弯曲振动，改变弯曲振动应力的分布，达到消减轴类零件不同部位的残余应力。夹撑块开有V字形的上夹撑口 6和下支撑口7，用于夹撑轴类零件，以实现和轴端较好的接触，将力更好的传递过去。夹撑面应该夹撑到轴类零件的两端面，增加简支梁两支撑点之间的距离 ，将系统的弯曲振动固有频率降低，使振动时效效果更好，该夹撑块中间呈三段圆柱体 8，并沿其轴向开有贯通的销孑L，支撑机构包括左支撑架 、右支撑架、连接销 9、支撑底座 11及螺栓 1O，通过连接销，即可将三段圆柱体 8连接起来，支撑底座 1 1和三段圆柱体 8和下支撑口7都通过焊接的方式将他们固定，而通过螺栓 10将上支撑口6和下支撑口7连接起来，并加以固定。

图2新型曲轴振动时效装置的线图及实物图Fig．2 The New Crankshaft Vibration AgeingDevice Line Map and Physical Map5实验使用南宁神华振动研究所的SHX21 12振动时效仪对设备进行振动时效，对曲轴进行振动时效实验。实际测量所得的共振频率在 15IHz左右，基本和设计相符。

表 3 SHX2112振动时效仪参数Tab．3 SHX21 1 2 Vibration Aging Instrument Parameters6结论运用工件内部的残余应力和振动产生的动应力的叠加达到或超过材料屈服强度的“Wozney&Crawmer”准则，设计出玉柴 6缸内燃机曲轴的振动时效装置。使用ANSYS对设计方案进行动力学分析，获取能够在较低的频率下让曲轴产生共振，并获得较大的变形的装夹方案，从而降低装置使用的激振器的激振频率和功率，并在实验中得到初步验证。

参考文献[1]宋东阳．振动时效消除焊接应力的可行性[J]．水利电力机械，2005，27(3)：41—42.

(Song Dong-yang．Feasibility of the welding stress relieve by vibrationageingmethod[J]．WaterConservancy＆ElectricPowerMachinery，2005，27(3)：41—42．)[2]刘峰．振动时效工艺在焊接结构件生产中的应用 [J]．能源技术与管理 。2005(2)：37—38.

(Liu Feng．Vibration aging proces in welding structure used inproduction[Jj．EnergyTechnologyandManagement，2005(2)：37—38．)[3]陈永岭，花成刚撒 振频率对振动时效效果影响的试验研究[J]．机械设计与制造，2011(1)：132—134.

(Cheng Yong-ling，Hua Cheng-gang．Experimental study on theInfluence of exciting frequency on the result of VSR [J]．MachineryDesign＆Manufacture，2011(1)：132一】34．)[4]刘扬．振动时效消除残余应力机理的研究[J]．中南林学院学报，1996，l6(2)：81—85.

(Liu Yang．How to eliminate residual stress with vibrational ageing[J]lJournal ofcentral—southforestryuniversity，1996。16(2)：81—85．)[5]陈永岭 ，尹忠俊．振动时效动应力参数选取的探讨[J]．机械设计 与制造，2006(4)：102—103.

(Cheng Yong-ling Yi Zhong-jun．Discussion on the selection of dynamicstress for VSR [J]．Machinery Design＆Manufacture，2006(4)：102—103．)[6]米谷茂．残余应力的产生和对策[M]．机械工业出版社，1983.

(Mi Gu～mao．Residual Stress and Countermeasures[M]．China machinePress，1983．)[7]芦亚萍．节能新技术—振动时效[J]_宁波高等专科学校学报，2001，13(2)：38-41.

(Lu Ya-ping．New energy-saving technology：vibratory stress relief[J].

Journal ofNangbo Colege，2001，13(2)：38-41．)[8]饶德林 ，陈立功 ，倪纯珍．振动时效技术的研究状况[J]_焊接，2004(11)：4—7.

(Rao De-lin，Chen Li—gong，Ni Chun—zheng，etc．Research state ofvibratory stress relief[J]．Welding＆Joining，2004(1 1)：4-7．)[9]王秀兰．振动时效工艺的应用[J]．金属热处理，1990(5)：45—47.

(Wang Xiu—lan．Application of vibration aging process lJ J．HeatTreatmentofMetals，1990(5)：45—47．)[10]沈立人．浅谈振动时效及其应用[n 衡器，1997(6)：8-10.

(Sheng Li—ten．Discussion on vibration aging and its application[J].

WeighingApparatus，1997(6)：8-10．)[1 1]张德芬，尹成江，陈孝文．振动时效的效果及机理综述[J]．抚顺石油学院学报，2000，20(1)：48—52.

(Zhang De-fen，Yin Cheng-jiang，Chen Xiao—wen，etc．Overview onefect and mechanism of vibration aging[J]．Journal of Fushun PetroleumInstitute，2000，20(1)：48—52．)