CN103339487A - 用于确定发动机部件的疲劳强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定发动机部件的疲劳强度的方法，包括以下步骤：提供发动机部件，加载部件的至少一部分至低于其拉伸强度的水平，并且测量其产生的变形，基于所施加的载荷和被测量到的变形确定至少一个量度，提供受测发动机部件疲劳强度与基于施加到所述发动机部件的载荷和其变形之间比率确定的前述至少一个量度之间的预定关系，基于所确定的至少一个量度和预定关系确定所提供的发动机部件的疲劳强度。

Description

用于确定发动机部件的疲劳强度的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于确定发动机部件的疲劳强度的方法。
背景技术
发动机部件（诸如发动机缸体和汽缸盖）目前通过循环疲劳测试保证质量，所述循环疲劳测试使所述发动机部件经受反复的载荷直到其解体。这种方法（例如参见US4090401）是耗时的，这意味着仅小比例的部件能够被测试。所述测试方法还将功能完好的部件毁坏。
在另一种用于保证发动机部件的质量的方法中，拉伸测试在与发动机部件共同铸造的测试杆上进行。每个测试杆的破坏应力则用作基础，用于得出关于相应的发动机部件的疲劳强度的结论。然而，对比测试已示出测试杆的拉伸强度和发动机部件的疲劳强度之间的匹配关系不完全可靠。
因此，本发明的目的是提出一种方法，发动机部件的疲劳强度能够通过所述方法在高测试率下被更可靠地确定。
发明内容
根据本发明，这个目的通过用于确定发动机部件的疲劳强度的方法实现，所述方法的特征在于包括以下步骤：
-提供发动机部件，
-将所述部件的至少一部分加载至低于其拉伸强度的程度并且测量其产生的变形，
-基于施加的载荷和被测量到的变形确定至少一个量度，
-提供发动机部件的受测疲劳强度与基于施加到所述发动机部件的载荷和其变形之间比率确定的前述至少一个量度之间的预定关系，
-基于所确定的至少一个量度和预定关系确定所提供的发动机部件的疲劳强度。
所述方法实现发动机部件的估算的和实际的疲劳强度之间的大体非常好的匹配。
由于用于确定发动机部件的疲劳强度的量度自身在低载荷时确定，即一般低于部件的拉伸强度或低于疲劳极限，因此部件没有被毁坏的风险。这使得可以使将在实际操作中使用的发动机部件以较高的测试频度经受快速的质量检测。对于所述发动机部件的疲劳强度的估算能够以极佳的准确性完成，原因在于是以在实际部件上而非在与相应部件共同制成的参考组件（诸如测试杆）上测量的量度为基础。
发动机部件优选采用重型车辆、优选地为卡车的汽缸盖或发动机缸体的形式。
根据替代方案，整个部件被加载。
根据替代方案，所述部件被加载至低于其疲劳极限的程度。
根据实施方式，所述部件通过由作用在部件上的传力构件施加至其的力加载。
有利地，通过使传力构件相对于所述部件移动而将力施加至所述部件，并且所述部件产生的变形被测量为传力构件行进的距离。
根据替代方案，旨在用于拉伸测试的测试杆与所述部件共同铸造，或取自所述部件，并且测试杆的拉伸强度被确定并且其自身被用于确定所提供的部件的疲劳强度。
定义
“疲劳强度”在此的含义是，部件在代表形成在其中的裂纹的量或长度的预定值被超过之前所能够承受的循环载荷量。
“疲劳极限”在此的含义是，部件或部件的一部分能够受到反复无限多次应力而不在其中产生裂纹的最大应力。
词组“强度参数”在此的含义是能够从所谓的表示测试杆中的应力和应变之间的比率的拉伸测试曲线中推导出的参数。强度参数的示例是最大应力[Rm]、在0.1%总应变[Rt(0.1)]处的应力、在0.2%总应变[Rt(0.2)]处的应力、在0.4%总应变[Rt(0.4)]处的应力、在0.1%塑性应变[Rp(0.1)]处的应力、在0.2%塑性应变[Rp(0.2)]处的应力、应力-应变曲线在0MPa[E0]处的斜率、应力-应变曲线在20MPa[E20]处的斜率、应力-应变曲线在50MPa[E50]处的斜率、应力-应变曲线在100MPa[E100]处的斜率、应力-应变曲线在150MPa[E150]处的斜率、和在最大应力[Agt]处的总伸长量。
附图说明
图1a和1b：用于钢和灰口铁的拉伸测试模式的示意图。
图2：汽缸盖的疲劳强度和测试杆的拉伸强度之间的关系的图表。
图3：汽缸盖的疲劳强度和测试杆的E100之间的关系的图表。
图4：汽缸盖的疲劳强度与测试杆的拉伸强度和E100之间的关系的图表。
图5：根据本发明的方法的实施方式的用于变形测量的装置的示意图。
具体实施方式
通过介绍，本发明的理论背景将参照图1a和1b描述。
金属材料的强度例如可以通过以测试杆的拉伸测试为基础的应力-应变图表表示。图1a示意性地描绘了用于多种金属工程材料（例如钢）的应力-应变图表的模式。图1b展示了用于灰口铁的应力-应变图表的模式。
图1a大体上描绘了第一区域I，在所述第一区域中，较小的力作用在测试杆上。在所述区域中，材料中的原子之间的距离在不影响它们的相互排布的情况下增加。如果力被移除，那么测试杆恢复为其原始尺寸。测试杆因此是弹性变形。所述区域通常被称作线性弹性区域。如果更大的力被施加至测试杆，那么材料中的应力增加。当应力超过所谓的弹性极限II处时，原子平面开始相对于彼此滑动，并且材料经受永久变形。如果力进一步增加，那么材料继续在图1a中的指定为III的区域中塑性变形。在已知为拉伸强度IV的特定应力处，缩颈开始在测试杆中形成。如果更大的力被施加至测试杆，那么其最终将图1a中的V处断裂。
图1b示意性地展示了用于灰口铁类型的铸铁的应力-应变图表，其中使用与图1a中相同的标记。用于灰口铁应力-应变图表的模式与图1a中的一般应力-应变图表的区别在于，灰口铁在应力-应变曲线的起始处没有线性弹性区域。此外，灰口铁在断裂之前的伸长（大约1%）明显小于例如钢的伸长（通常大约20%）。图1b示出了灰口铁只要被施加任何载荷就开始塑性变形。这种变形特性的原因被认为是灰口铁中的石墨片充当了应力集中部。灰口铁的珠光体基质在石墨片的梢端周围变为局部塑性，并且逐渐增加的载荷导致石墨片之间形成裂纹。与例如钢不同的是，灰口铁因此不具有线性弹性特征的区域。对灰口铁测试杆的进一步加载会导致材料超过其拉伸强度IV，测试杆在所述拉伸强度处断裂。
由于灰口铁即使在小载荷的情况下也出现塑性变形，因此几个强度参数能够从其拉伸曲线的下部计算出。这是因为曲线的初始斜率以及塑性变形量紧密相关于灰口铁的石墨结构和珠光体基质的性质。
如在介绍中提到的，拉伸测试通常在与灰口铁部件共同铸造的测试杆上进行，以便确保铸造部件的质量。在已知的方法中，测试杆的拉伸强度通过拉伸测试确定。测试杆的拉伸强度、以及在被测量到的测试杆的这种拉伸强度和铸造部件的受测疲劳强度之间的预定关系继而用作估算部件的疲劳强度的基础。
然而，已发现的是，实际灰口铁部件的所期望的疲劳强度并不总是令人满意地对应于基于测试杆的拉伸强度所预测的疲劳强度。
研究表明，以同一方式并且由同一类型的灰口铁制成的灰口铁测试杆当然表现出大致相同的拉伸强度，但是应力-应变曲线的模式可能不同。这种现象的原因被认为是例如由于灰口铁成分的差异或制作测试杆的过程的差异，例如铁原料的成核势能、变质类型或变质方法。
还有研究表明，不仅拉伸强度，而且能够从应力-应变曲线推导出的各种强度参数在预测灰口铁部件的疲劳强度方面也是重要的。应力-应变曲线的模式极大地影响这些参数的量度，因此曲线的模式中的差异极大地影响部件的疲劳强度如何基于强度参数进行准确预测。
在前述研究时所做的实验表明，如果在疲劳强度的估算基于在拉伸测试曲线的初始部分中（即在灰口铁测试杆上的载荷低于其拉伸强度的区域中）确定的强度参数，那么可以实现完成的灰口铁部件的估算的和实际的疲劳强度之间的非常好的匹配。在所述区域中例如可以确定以下强度参数：
Rt（0.1），即在0.1%总应变处的应力。
E（0），即应力-应变曲线在0MPa应力处的斜率。
E（50），即应力-应变曲线在50MPa应力处的斜率。
E（100），即应力-应变曲线在100MPa应力处的斜率。
作为实验的第一步骤，每组十个的七组汽缸盖均由市售的灰口铁合金制成。汽缸盖通过旨在用于批量生产的方法制成。
具有8mm耗费直径的测试杆从每个汽缸盖取得。测试杆通过MTS制造的100kN伺服液压拉伸机受到拉伸测试。测试在室温下以0.05mm/s的受控移动进行。数据采集涉及使用MTS类型634.11F-24的伸长计。测量长度为25mm并且数据采集率为10Hz。
汽缸盖被放置在试验台上，并且受到循环疲劳测试，直到在其中能够检测到裂纹。
基于所采集的数据，对于每个测试杆的拉伸强度Rm和E100被确定。
被确定的拉伸强度随后与在每组汽缸盖上测量的疲劳强度比较。图2展示了拉伸强度和疲劳强度之间的匹配情况。在测试杆的被测量到的拉伸强度Rm和汽缸盖的疲劳强度之间推导出线性关系。R2值从所述关系计算出。R2值可以处于0和1之间的范围中，表示如何良好地与现实对应的关系，其中1意味着所述关系与现实完美地匹配。对于所述关系而言的R2值在图3中为0.83。
图3绘出对于相应的各组汽缸盖/测试杆而言的E100和疲劳强度。在此，再次在各E100值和疲劳强度之间计算线性关系。所述关系的R2值为0.92，表示借助于所述关系所达到的在E100和疲劳强度之间的非常好的匹配情况。图3因此示出，当预测值基于低于拉伸强度的强度参数时比当所述预测值仅基于拉伸强度时，实现了实际的和预测的疲劳强度之间的更佳的匹配。
图4绘出受测疲劳强度相对于预测的疲劳强度的关系。预测的疲劳强度基于E100和根据以下关系的拉伸强度确定：
预测的疲劳强度=0.2129+3.473·10-3·E（100）+1.759·10-3·Rm
在图4中绘出的线示出受测和预测的疲劳强度之间的良好匹配。
如0.95的R2值所示出的，在更多强度参数被加入所述关系的情况下匹配更佳。
与以上研究类似的是，本发明基于从一曲线推导出适当的量度的可能性，所述曲线表示直接施加到发动机部件的小载荷和被测量到的部件材料的变形之间的比率。这些量度随后可以被用于以极高的准确性预测发动机部件的疲劳强度。
根据本发明的方法涉及首先确定发动机部件的疲劳强度和量度之间的预定关系，所述量度在小载荷下从施加至发动机部件材料的载荷和发动机部件材料产生的变形之间的比率确定。
这通过以下方式完成：首先，制成几组发动机部件，例如每组十个的三组部件。每组中的序列编号和部件编号可以改变。每组均在单独的铸造过程中制成，以便实现充分的差异化。每个部件或每个部件的一部分随后受到小载荷。载荷、例如施加到部件的力可以是如此小，以使得部件中产生的应力不超过相应的部件应当能够应付的拉伸强度或疲劳极限。专业人员例如基于经验可以相对容易地评估这种部件能够承受的载荷。
为确保部件在被置于载荷下时不会解体，适当的是将其加载至例如不超过拉伸强度的50%。
如果仅部件的一部分被加载并且在操作期间将不会受到载荷，那么更大的载荷也可以被用于测试。
加载部件并且测量其产生的变形可以如以下描述地完成，参见图5。
图5描绘了发动机部件1，在这种情况下是具有用于汽缸的腔2的发动机缸体。两个传力构件3（例如两个杆）被向下插入相应的汽缸腔2中。相应的传力构件3被连接至液力装置4，所述液力装置适于使所述力转递构件彼此远离地侧向移动。力F随后通过液力装置4被施加到传力构件，使得其沿发动机缸体的中线侧向移动。传力构件的移动使得部件变形，即部件的材料变形。力F继续增加至预定值，例如直到发动机缸体中的应力达到其推测拉伸强度的15%。在力F每次提高之后，传力构件产生的移动被测量。所述移动可以例如作为每个传力构件在加载开始时从其开始点运行（或移动）的距离d（由图5中的虚线表示）被测量。距离d用作测量部件通过所施加的力而变形的程度大小。所施加的力和产生的移动随后被绘制，并且各种量度能够从图表的斜率计算。适当量度的实施例是力/移动曲线在所施加的力处的斜率，所述所施加的力在部件中产生不超过发动机缸体的推测疲劳强度的50%的应力。
每个发动机部件的实际疲劳强度随后通过循环疲劳测试确定，直到代表裂纹的预定值被超过或部件解体。这种测试可以通过标准化的方法完成。
随后在部件的疲劳强度和量度之间确定一关系，所述量度在小载荷下从施加至部件的力和部件的变形之间的比率确定。
所述关系的表示形式可以例如是发动机部件的受测疲劳强度和量度之间的表格、公式或图表，所述量度从被测量到的施加到发动机部件的力和发动机部件的变形之间的比率确定。所述关系可以例如从施加到被测量到的值的线性回归而达到。所述关系被存储在例如计算机中的非易失电子存储器中，在需要时，所述关系能够从所述非易失电子存储器中取回。
发动机部件的受测疲劳强度和量度之间的关系的准确性可以通过进行进一步疲劳测试而改进，所述量度从被测量到的施加到发动机部件的力和发动机部件的变形之间的比率确定。还可以通过将来自本领域中的实际成果的观察和经验而进一步改进所述关系的准确性。
以上所达到的关系随后被用在根据本发明的方法中，以便估算例如在正在进行的工业生产中制成的其它发动机部件的疲劳强度。这种估算可以通过以下步骤完成：
在第一步骤处，发动机部件通过从灰口铁材料铸造的方式制成。
作为第二步骤，至少一个量度在低载荷下从施加到部件或所述部件的一部分的力和部件或所述部件的一部分的变形之间的比率确定。所述量度因此是与预定关系所基于的量度相同的类型。如以上所述，所述量度的确定通过受到低于其推测的拉伸强度或疲劳极限的载荷的部件而完成。在部件的加载期间，部件的变形被测量，并且量度从所施加的力和变形之间的比率确定。
作为第三步骤，提供如上的所达到的预定关系。
作为第四步骤，所制成的部件的疲劳强度基于由施加到部件的力和部件的变形之间的比率所确定的量度和预定关系估算。这种估算可以通过各种不同的方式完成。
如果预定关系是被调节成所观察的发动机部件的疲劳强度和被测量到的量度的线性曲线，那么所制造的部件的疲劳强度能够从线性曲线读出，其中所述被测量到的量度从施加到发动机部件的力和发动机部件的变形之间的比率确定。
所述关系还可以从表格或非易失存储器中得到。在所描述的实施方式中，发动机部件可以例如采取用于重型车辆（例如卡车）的发动机缸体或汽缸盖的形式，但应当注意到的是，预定关系必须基于与待估算的疲劳强度的部件相同类型的部件。
本发明的特定实施方式如上详细描述。这种描述是用于展示目的，并且无意于限制本发明。显而易见的是，各种修改和改型可以在所附权利要求的保护范围内作用于本发明。例如，测试杆可以与发动机部件共同铸造随后断开。还可以直接从所制造的部件获取，例如通过铣削的方式。拉伸测试继而可以在测试杆上进行，并且其结果（例如拉伸强度）可以被用在根据本发明的方法中，以预测部件的疲劳强度。然而，为此预定关系必须包括来自测试杆的测量数据。

Claims (7)

1.一种用于确定由灰口铁制成的发动机部件的疲劳强度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-提供发动机部件，
-加载发动机部件的至少一部分至低于其拉伸强度的水平，并且测量其产生的变形，
-基于所施加的载荷和被测量到的变形确定至少一个量度，
-提供受测发动机部件疲劳强度与基于施加到所述发动机部件的载荷和其变形之间比率确定的前述至少一个量度之间的预定关系，
-基于所确定的至少一个量度和预定关系确定所提供的发动机部件的疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发动机部件采取用于重型车辆、优选用于卡车的汽缸盖或发动机缸体的形式。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，整个所述发动机部件都被加载。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述发动机部件被加载至低于其疲劳极限的水平。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，通过由作用在发动机部件上的传力构件施加到发动机部件的力来加载所述发动机部件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过相对于发动机部件移动传力构件而施加所述力，并且所述发动机部件的变形以传力构件运行距离的形式被测量。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，旨在用于拉伸测试的测试杆与发动机部件共同铸造、或从发动机部件上获取，并且所述测试杆的拉伸强度被确定并且其自身用于确定所提供的发动机部件的疲劳强度。
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