维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第５期 南京林业大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．２９，Ｎｏ．５ ２００５年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｓｅｐｔ・，２００５ 高强度连杆螺栓的疲劳寿命分析 田 杰 ，商高高 ，周建兵。，朱云明。 （１．南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 ２１００３７；２．江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０１３； ３．南京跃进汽车集团，江苏 南京 ２１１１００） 摘 要：针对ＳＯＦＩＭ发动机连杆螺栓出现的早期疲劳断裂现象，建立了连杆螺栓的有限元模型，利用有限元 方法进行了该连杆螺栓的疲劳寿命分析，并与疲劳试验进行了对比。结果表明，该连杆螺栓杆部与头部的过 渡圆弧处容易产生应力集中，造成其疲劳断裂。为此，提出了局部滚压的改进方法，经有限元分析，该改进措 施可有效提高连杆螺栓的疲劳寿命。 关键词：高强度连杆螺栓；疲劳寿命；有限元分析 中图分类号：ＴＨ１３３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—２００６（２００５）０５—００７７—０３ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｌｉｆｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ Ｒｏｄ Ｂｏｌｔ ＴＩＡＮ Ｊｉｅ ～，ＳＨＡＮＧ Ｇａｏ—ｇａｏ。，ＺＨＯＵ Ｊｉａｎ—ｂｉｎ ，ＺＨＵ Ｙｕｎ—ｍｉｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１ ００３７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐ０ｒｔａｔｉ０ｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｙｕｅｊｉｎ Ｍｏｔｏｒ Ｇｒｏｕｐ Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅａｒｌｉｅｒ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ＳＯＦＩＭ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ ｉｓ ｃｏｎｃｅｎ— ｔｒｅｄ．Ａｆｔｅｒ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ。ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｒｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｄ ａｎｄ ｈｅａｄ ｗａｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ’Ｓ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｅａｎｓ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ；Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 连杆螺栓是发动机乃至整个汽车中最重要、强度要求最高的螺栓之一，而其工作环境恶劣，承受交 变载荷的作用，一直处于疲劳应力状态。由于其尺寸受到限制，若设计或加工处理不好，极易产生严重 的应力集中，导致出现疲劳裂纹乃至断裂。因此，除一般的机械性能要求，还对其抗疲劳性能有较高的 要求。事实上，在对ＳＯＦＩＭ连杆螺栓进行疲劳试验时，就出现了仅循环近１０。次就断裂的现象，而其疲 劳寿命要求的循环次数为５×１０。次。笔者针对该连杆螺栓出现的早期疲劳断裂问题，利用有限元分析 软件ＡＮＳＹＳ进行疲劳分析，并在此基础上，提出改进方法，以期能解决实际生产问题，切实有效地提高 连杆螺栓的疲劳强度。 疲劳强度试验方法 试验按ＥＱＹ一２６１—９７《汽车螺纹紧固件轴向载荷疲劳试验方法》在ＰＬＧ一２００ Ｂ高频拉压疲劳试 验机上进行。试件为ＳＯＦＩＭ连杆螺栓实物。试验的平均载荷为１１．５５ ｋＮ；交变载荷是幅值为９．４５ ｋＮ， 频率为２００ Ｈｚ的正弦波。当试件达到破坏极限或试验循环次数达到要求的５×１０。次时停止试验。 收稿日期：２００４—０９—０１ 修回日期：２００５—０６—２０ 作者简介：田杰（１９７１一），女，讲师，江苏大学车辆工程专业博士生，主要从事汽车设计ＣＡＤ／ＣＡＥ的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 南京林业大学学报（自然科学版） 第２９卷第５期 ２结果与分析 ２．１ 疲劳试验 １２．９级ＳＯＦＩＭ连杆螺栓的疲劳试验结果如表１所示。从表１可见，在２Ｏ个试件中，合格的仅 ２个，断裂的有１８个，断裂部位均发生在连杆螺栓杆部与头部的过渡圆弧处。 表１疲劳试验结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ 序号 １ ２ 疲劳寿命／次 ０．９８×１０ １．Ｏ４×１Ｏ 断裂位置 头下 头下 合格情况 不合格 不合格 序号 ｌ１ １２ 疲劳寿命／次 ５．Ｏ０×１０ １．Ｏ４×１Ｏ 断裂位置 未断裂 头下 合格情况 合格 不合格 ３ ４ ５ １．４Ｏ×１０ ５．Ｏ０×１０ １．Ｏ９×１０ 头下 未断裂 头下 不合格 合格 不合格 １３ １４ １５ １．４Ｏ×１Ｏ。 １．１２×１０ ３．５０×１０。 头下 头下 头下 不合格 不合格 不合格 ６ ７ ８ ９ １Ｏ １．１０×１０ １．Ｏ３×１Ｏ １．Ｏ２×１０ １．１０×１０ １．Ｏ６×１Ｏ 头下 头下 头下 头下 头下 不合格 不合格 不合格 不合格 不合格 １６ １７ １８ １９ ２０ １．６Ｏ×１Ｏ １．１Ｏ×１Ｏ １．Ｏ６×１０ １．Ｏ５×１Ｏ ０．９５×１０ 头下 头下 头下 头下 头下 不合格 不合格 不合格 不合格 不合格 ＳＯＦＩＭ连杆螺栓的滚丝工艺是在热处理工艺之后进行的。在螺纹处容易形成压应力，使螺纹得到 了强化，提高了螺纹处的疲劳寿命口］。但其颈部形状复杂，由三段圆弧组成，如图１所示，三段圆弧的半 径各不相同，圆弧的过渡连接处理在实际生产中较难完全达到图纸的要求，有可能导致在连杆螺栓杆部 与头部的过渡圆弧处出现应力集中，疲劳寿命下降。 ２．２疲劳寿命 ２．２．１ 有限元模型的建立 由于连杆螺栓的疲劳寿命分析需要已知各点的应力分布数据 ］，利用ＡＮＳＹＳ软件对连杆螺栓承 受最大载荷、平均载荷和最小载荷时各点的应力分布情况分别进行分析。 考虑到高强度螺栓的滚丝工艺是在热处理工艺之后完成的，使得螺纹处得以强化，且疲劳试验的结 果也表明早期疲劳断裂的确发生在杆部与头部的过渡圆弧处，故可完全忽略螺纹的影响ｎ］。为了更好 地模拟螺栓的实际工作情况，在螺栓上装配了螺母，并忽略螺纹的影响，将螺栓和螺母视为一个整体来 建立几何模型，有限元分析模型如图２所示。 图１ 连杆螺栓的颈部形状 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｎｅｃｋ ｏｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ 图２连杆螺栓有限元模型 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ ２．２．２载荷和约束 在螺栓与螺母的紧合面上，允许有平行于紧合面方向的位移。但由于在此次分析中是把螺栓与螺 母作为一个整体来考虑的，因此约束施加在靠近颈部的螺栓头部端面上。假设连杆螺栓所承受的载荷 沿螺母上表面均匀分布，视为分布在螺母上表面的面载荷，方向为轴向。分析时，对该连杆螺栓施加了 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００５年 总第１１ ９期 田 杰等：高强度连杆螺栓的疲劳寿命分析 ３种载荷，最大载荷１６７ ＭＰａ，平均载荷９２ ＭＰａ和最 小载荷１６．７ ＭＰａ。对应于最大载荷的连杆螺栓应 力分布如图３所示。由图３可知，应力集中最严重 的地方出现在螺栓杆部与头部的过渡处，这与试验 结果完全相吻合，证明所建立的模型是正确的。 ２．２．３疲劳寿命计算 从连杆螺栓杆部与头部的过渡圆弧处提取应力 值较大的数点进行疲劳寿命计算。其中应力最大的 节点６个应力分量如表２所示。 完成Ｓ—Ｎ曲线、应力集中系数＿３ 的设定，并手 工输入不同载荷下的６个应力分量以及循环次数 后，系统可计算出耗用寿命系数。一般来说，如果寿 命系数小于１，则表明在经受给定的应力循环次数 图３应力分布图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ 后，该点不会发生疲劳破坏。计算结果表明，当目标循环次数为５×１０ 次时，其耗用寿命系数为５，即 实际可循环的次数为１Ｏ 次。由此可见，连杆螺栓的疲劳强度不够，所以在规定的循环次数内，连杆螺 栓颈部必将发生断裂，这与试验结果一致。 表２应力最大节点的６个应力分量 Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｉｘ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎ￣ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｎ ｓｔｒｅｓｓ ｎｏｄｅ 载荷／ＭＰａ １６７．０ ９２．０ Ｓｘ ４２７．３９０ ２３５．４５０ Ｓｙ １ ０２２．９０ ５６３．５３ Ｓｚ ３５９．９２０ １９８．２８０ ＳｘＹ —１９２．５２０ —１０６．０６０ Ｓｙｚ —４６２．７７０ —２５４．９４０ Ｓｘｚ —２４．９５９ ０ —１３．７５０ ０ １６．７ ４２．７３９ １０２．２９ ３５．９９２ —１９．２５２ —４６．２７７ —２．４９５ ９ 注：Ｓｘ、ＳＹ、Ｓｚ分别表示Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的正应力；Ｓｘｙ、Ｓｙｚ、Ｓｘｚ分别表示ＸＹ、ＹＺ、ＸＺ方向的剪应力。 ３ 改进措施 提高零件的疲劳寿命可通过以下方法：采用更高强度级别材料的方法；进行结构改进，即改进颈部 的结构，使过渡圆弧处的连接平角平滑以减少应力集中；改进生产工艺，对螺栓颈部进行强化处理，如局 部滚压等工艺，以达到强度要求 ］。 考虑到连杆螺栓的材料选择受工业发展水平和成本的限制，单纯追求高性能的材料来保证连杆螺 栓的疲劳强度是不现实的。对于一个不具备设计资格，单纯进行加工生产的企业来说，进行结构改进也 是行不通的。因此可从工艺改进方面来提高连杆螺栓的疲劳寿命。 （１）局部滚压位置的确定。根据对台阶过渡圆弧处应力集中现象的分析 ］，轮廓线上切向拉应力最 大的点与轴线的夹角 —５０。，在此角度前后一定范围内，应是重点强化区。初步拟定采用法向滚压的 方式。 （２）疲劳寿命分析。在连杆螺栓的有限元模型中，对应力集中区域施加法向滚压力，求解后，进行静 强度分析，确定不同载荷下各点的应力分布数据。然后进行疲劳寿命计算 。 通过试验和计算，得出当滚压力为２Ｏ ｋＮ时，连杆螺栓的耗用寿命系数为０．８。该值小于１，表明在 经受给定的应力循环次数５×１０ 次后，连杆螺栓不会发生疲劳破坏。 ［ 参 考 文 献 ］ ［１］霍福祥．螺栓头部过渡圆角应力状态的有限元分析［Ｊ］．汽车工艺与材料，１９９９（７）：４１—４２． ［２］龚曙光．ＡＮＳＹＳ工程应用实例解析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３． ［３］赵少汴，王忠保．抗疲劳设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９７． ［４］樊跃进．连杆螺栓设计方法的改进［Ｊ］．柴油机・Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ，１９９８（６）：２８－－３１． ［５］黄乃强．金属塑性变形应力一应变的有限元分析［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８１． ［６］叶先磊，史亚杰．工程分析软件应用实例［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３． （责任编辑李燕文） ７９—