曲轴电磁感应淬火残余应力模拟及对圆角应力影响的分析.pdf

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1、内燃机与配件2014年第6期曲轴电磁感应淬火残余应力模拟及对圆角应力影响的分析TheStressImpactOnFilletForElectromagneticInductionHardenedCrankshaftResiduaIStressSimulation杜永辰龚玉霞张淑婷赵锦(中国汽车工程研究院股份有限公司)[摘要]过渡圆角处应力集中现象是曲轴疲劳断裂的主要原因之一，利用局部表面强化工艺产生残余应力的方法可有效提高曲轴疲劳强度。针对上述问题，本文使用有限元方法模拟了曲轴感应加热、快速冷却、产生残余应力的整个淬火过程。通过对某曲轴单拐淬火前后圆角处的应力状态进行模拟，定量比较了残余

2、应力对过渡圆角处应力的影响，为曲轴的抗疲劳设计提供参考。[关键词]曲轴电磁感应淬火残余应力圆角应力Abstract：Thephenomenonofstressconcentrationfortransitionfilletisthemaincause0fcrank—shaftfatiguefracture，Usingportionsurfacehardeningprocessproduceresidualstressthatcaneffectivelysolvetheproblem．Inresponsetotheseproblems，BasedonFEMsimulationtoobtai

3、nthefinalquenchofresidualstressfield．Bysimulatedasingleabductionofcrankshaftiswhetherquenchingfilletstress．Byquantitativecomparisonwiththestressimpactoftheresidualontransitionfilletstress，toprovidearefer—eneeontheanti—fatiguedesignofthecrankshaft．Keywords：CrankshaftElectromagneticinductionhardenR

4、esidualstressFilletstressU刖吾曲轴是发动机中最重要和核心的传递动力的零部件之一，当它处于工作状态时，受到的燃气压力、各零部件的惯性力和惯性力矩会让曲轴承受弯曲和扭转交变载荷⋯，载荷会让曲轴处于交变应力的状态，这样就会使曲轴的应力集中现象非常的严重，尤其是在油孔附近、曲柄到轴颈的过渡圆角处的部位都是曲轴最常见的失效部位旧。5。。曲轴电磁感应淬火的表面强化工艺在其淬火后圆角和轴颈表面产生残余压应力，会抵消一部分曲轴在工作时受的拉应力¨j，这样就可以提高曲轴的疲劳强度，且使轴颈有良好耐磨性，提高曲轴的疲劳寿命，因此淬火后产生的残余应力的分布对曲轴的寿命有很大的影响¨J

5、。本文通过有限元法获得最终的残余应力场，通过对某曲轴单拐是否淬火的圆角应力进行模拟，定量比较了，残余应力对过渡圆角处应力的影响，为曲轴的抗疲劳设计提供参考。1有限元理论1．1电磁感应淬火有限元理论为了得到感应淬火过程中工件内部涡流形成的内热源，我们必须先求解交流电流流经线圈时所在工件中产生的磁势∽。93。这就要求在合理的边界条件下来求解电磁场微分方程组，如下：fi·五=几(了+iOD)·矗(安培环路定律)正面·五=一正面OB)·蠢(法拉第电磁感应定律)+JD·dS=dv(高斯电通定律)“占·丞=o(高斯磁通定律)杜永辰龚玉霞张淑婷赵锦：曲轴电磁感应淬火残余应力模拟及对圆角应力影响的分析4

6、51．2电磁感应加热温度场和冷却温度场有限元理论本文研究的直角坐标系下的Fourier导热微分方程如下：d2Ta2Td2Tq，pcOT—Ox2+矿+孑+i2i面常用的边界条件如下：n边界上的温度：T=以戈，y，彳，t)；17r1b给定边界上的热流输入：一彪譬=q：；口，￡37rc对流边界上：一芸=h(T∥一丁，)口n。2曲轴电磁感应淬火残余应力的模拟2．1曲轴电磁感应温度场模拟在本文中取曲轴连杆轴颈的轴向截面，考虑到漏磁现象，本文中把电磁感应器周围的部分空气进行建模，在感应器上所施加的载荷是电流密度载荷，把空心铝管的电磁感应器建成实心的电磁感应器，便于施加载荷。电磁场的计算模型有曲轴连杆

7、轴颈轴向截面、实心感应器和周围的部分空气。图1(a)为简化后的曲轴感应加热淬火的模型示意图，图1(b)为曲轴感应加热电磁场的有限元划分。图t(a)模型示意图图1(b)有限元模型电磁感应加热淬火用感应器线圈对曲轴轴颈的平直段和过渡圆角进行快速加热，感应加热的时间为6s，感应加热淬火的电磁场为2D谐波磁场分析，图2为电磁感应淬火的电磁场磁力线分布情况。图2电磁场磁力线分布图3(a)为电磁感应加热淬火过程6s的温度场分布。图3(b)为曲轴