引擎大端轴承设计及损坏案例分析

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1、引擎大端轴承设计 及 损坏案例解析 薛立宇 立多禄工业股份有限公司 大端轴承的运动 自轉 公轉 大端轴承的运动 50% 連桿軌道面 引導 保持架運動 連桿軌道面承受保持架之離心力 離心力 = m r 2 KT30x38x17.8S/CG125 8000 rpm23 kg 9000 rpm28 kg 10000 rpm35 kg 保持架不斷 摩擦 連桿軌道面 間隙約 0.15mm 滾針軸承保持架 與連桿 摩擦所致之損壞 引擎大端軸承設計 /選用 一 、 各種負核條件下 ( Pmax, Vmax, .) 計算滾針與軌道面之壽命 (滾針 /軌道面疲勞壽命 ) 二、避免連桿軌道面的磨耗 選用適當的滾針

2、軸承保持架及保持架表面處理方式 (連桿磨耗壽命 ) 引擎大端軸承設計 /選用步驟 步驟 1: 計算大端軸承 /軌道面所承受之負荷 引擎模擬分析 引擎爆發力 活塞 / 連桿組之慣性力 連桿小端受力分析 連桿小端軸承受力 Fres (S.end) (爆發力 +小端慣性力 )/cos = 連桿軸向力 連桿小端 連桿大端 爆發力 小端慣性力 連桿軸向力 缸壁反作用力 連桿大端受力分析 連桿大端軸承受力 Fres (B.end) (爆發力 +小端慣性力 )/cos +大端離心力 連桿大端 軸承等效負荷 Fequ (B.end) 小端質量 ： 活塞 +活塞梢 +小端軸承 + 1/3連桿 大端質量 ： 大端

3、軸承 + 2/3連桿 3.0403.3.41 dF E N DBRES連桿軸向力 大端離心力 連桿小端 連桿大端 引擎爆發力 1. 決定最大氣缸壓力 2. 發生最大氣缸壓力之 crank angle = 1520 3. 絕熱膨脹 ( PVk=C, K=1.3) (若不知最大氣缸壓力 由 穩態 Brake Power 反推 , 假設 =75 % ) 發動机 參數 Input 排氣量 ( cc ) 2 衝程 或 4 衝程 活塞直徑 ( mm ) 活塞運動衝程 (mm) 曲軸 /活塞梢 偏距 (mm ) 連桿大 /小端孔中心距 (mm) 壓縮比 活塞 (含環 )質量 (g) 小端軸承質量 (g) 活

4、塞梢質量 (g) 連桿質量 (g) 大端軸承質量 (g) 曲軸梢質量 (g) Powermax(KW)/ rpm Torquemax(N.M)/rpm Power (KW)/max.- rpm 註：曲軸 / 活塞梢 偏距 : 曲軸輸出軸與 活塞梢上下運動軌跡之 偏移量 “ e” (一般 引擎 e= 0 ) 耐久強化試驗規範 : 目標測試時間 ( Hr) 引擎測試轉數 (rpm) 測試功率 (Kw) 發動机 代號 : 發動机 用途 ： (使用於騎式車或踏板車或賽車或三輪車 或ATV ; 氣冷或水冷 ) 引擎模擬分析結果 Lo a d o n C r a n k S h a f t & P is

5、to n B e a r in g- 3 0 0 0 0 . 0 0- 2 5 0 0 0 . 0 0- 2 0 0 0 0 . 0 0- 1 5 0 0 0 . 0 0- 1 0 0 0 0 . 0 0- 5 0 0 0 . 0 00 . 0 05 0 0 0 . 0 01 0 0 0 0 . 0 01 5 0 0 0 . 0 02 0 0 0 0 . 0 0-102-82-62-42-22-2 18 38 58 78 98118 138 158 178 198 218 238 258 278 298 318 338 358 378 398 418 438 458 478 498 518 5

6、38 558 578 598Newtonr o d / s ma l l e n d l o a d f r o m c o mb u s t i o n r o d / s ma l l e n d l o a d f r o m s ma l l e n d i n e r t i a t o t a l r o d / s ma l l e n d l o a d r e s u l t c r a n k p i n l o a d ( r a d i a l + t a n g e n t )7000RPM/300CC 連桿大端軸承等效負荷 Fequ (B.end) 3.040 3.

7、3 .41 dF E N DBRES引擎模擬分析結果 OUTPUT DATA ( assume 75% mechanical efficiency ) Case 1 Case 2 Case 3 Engine Speed (rpm ) 7000 5500 8000 Max crank end load near T.D.C. (Kgf ) 1791.5 2256.5 1230.9 Max crank end load near B.D.C. (Kgf ) 942.4 775.0 1078.4 Max piston end load near T.D.C. (Kgf ) 624.0 366.7 8

8、29.9 Max piston end load near B.D.C.(Kgf ) -736.4 -691.6 -734.3 Equivalent load for crank end bearing-big end (Kgf ) 713.4 737.4 771.0 Equivalent load piston end bearing -small end (Kgf ) 678.3 775.5 545.2 Balancer on crank shaft (g-mm ) ( for vertical engine only ) 20673.7 20673.7 20673.7 Output to

9、rque ( Kgf-M ) 2.31 2.42 1.81 Brake power (KW ) 16.62 13.64 14.89 BMEP (Kpa ) 992.84 1037.23 777.97 軸承壽命 (hours) Cdynamic : 軸承額定動態負荷 Peq : 軸承所受之等效負荷 S.F (Safety Factor) : 1.21.5 步驟 2: 決定軸承基本規格 S.F60xRPMX10PeqC 63.3dynamic步驟 3 : 檢驗滚針 /曲軸梢所承受之 最大應力 (Pmax時的峯值應力 ) ( 正應力 or Hertz 應力 ) 3.5 mm needle rolle

10、r 1.33)並運轉側偏檢測。 二、配合件不良致 曲軸 /連桿組損壞 1.機油不足 2. 素材不良 3. 滲碳 /熱處理不良 4.不當深冷處理 5. 曲軸梢研磨不當 6. 連桿大、小端平行度不良 7.汽缸体歪斜 8.曲軸左右兩側平衡質量不均 9. 機油不潔 10. 出油孔附近之高應力 謝謝 ！ 請指教 ！ 立多祿之滾針金相 (心部 ) 0.01mm 軸承鋼之材質檢驗報告 滾針 高潔淨度軸承鋼 0. 2mm 保持架強化設計 (槽孔 R角比較 ) X廠產品 立多祿產品 會引起疲勞破壞的素材缺陷 約 0.15mm 深 之材料缺陷 0.2mm 會引起疲勞破壞的素材缺陷 0.2mm 0.2mm 0.2m

11、m 會引起疲勞破壞的焊接缺陷 0.1mm HV 636 HV 621 HV 630 HV 629 HV 629 滾針表面疲勞裂紋 机油不足致多處發熱 曲軸梢 /連桿 /滾針界面之 最大應力達 250Kg/mm2 曲軸梢 /連桿 /滾針素材 -高潔淨度鋼 (日本本田公司 規定曲軸梢需用 ESR鋼 ) 高潔淨度鋼 (ESR) 0.2mm潔淨度 不良 鋼 0.2mm 0. 2mm 素材不良導致曲軸銷磨損案例 SCM 420滲碳 表面硬度 HRc 62 硬化深度 1.0 mm Pmax 耐久測試 30 Hr 損壞 0.1mm 0.02mm原素材不良所致破壞 0.05mm素材不良導致連桿磨損案例 (42

12、小時台試連桿耗損 0.25mm) 0.1mm0.1mmAdhesive Wear SCM 420滲碳 表面硬度 HRc 61 63 硬化深度 0.8 mm 素材不良導致曲軸銷磨損案例 正常使用 3000公里曲軸銷磨損 0.07mm 素材不良導致 曲軸銷磨損 淬火裂縫 0.0125mm1. 馬氏體粗大 (含碳量太高 ) 2. 淬火前奧氏體晶粒粗大 (滲碳溫度過高 ) 常伴隨多量殘留奧氏體 淬火裂縫的形成 Common Request :Prior Austenitic grain size finer than ASTM # 6 ( or 7) Light Microscopy of Carbo

13、n Steel By Leonard E.Samuels 理想的滲碳處理 1. 表面硬度 / 心部硬度 2. 加工後硬化深度 ( Effective Case Depth) 3. 不可有網狀碳化物析出 4. 殘留奧氏体含量 1mm 表面硬度 HRc 6062 Pmax耐久強化測試 110 小時曲軸梢疲勞損壞 曲軸梢研磨不當 距表面 0.02mm硬度HV523 距表面 0.08mm硬度HV623 研磨加工不当，而致曲轴梢表面受到较高的温度，而被回火软化。 0.05mm( 未與滾針接觸區 ) 曲軸梢研磨不當產生高熱 /高温 奧氏体 初生馬氏体 ( 白層 /脆性組織 ) 疲勞裂縫起始點 0.01mm

14、( 未與滾針接觸區 ) 磨耗機構 (Abrasive Wear ) 磨耗量增加 方向 大小 硬度 韌性 剛性 含碳量 Vs殘留奧氏体量 ( 碳鋼淬火至室溫的水 ) 鐵碳平衡圖 例 :淬火前奧氏體晶粒 Crank Pin : Prior Austenitic grain size ASTM #6 0.1mm疲勞強度 v.s.硬度 小端軸承之強化設計 強化設計 一般設計 Clearance = 0 Clearance 0 Qmax Qmax = K*Fr/Z Qm= K1*Fr/Z Qmax : max load on roller( for crownning design) Qm: mean load on roller( for fatigue life ) Fr : applied load on bearing Z: number of roller per bearing C : bearings elastic const