GME 8793-2003 Determination of Test Forces for Bending Fatigue Test on Crankshafts (English German).pdf

1、Test ProcedureLaboratoryGME8793Determination of Test Forcesfor Bending Fatigue Test onCrankshaftsErmittlung von Prfkrften zurBiegeschwingprfung vonKurbelwellen1 Introduction 1 Einleitung1.1 Purpose. Principles of calculations for determin-ing of test forces according to paragraph 1.3.1.1 Zweck. Bere

2、chnungsgrundlagen zur Ermittlungvon Prfkrften nach Abschnitt 1.3.1.2 Foreword. Not applicable. 1.2 Vorwort. Nicht anwendbar.1.3 Applicability. Fatigue test on crankshafts andcrankshaft throws according to GME L-6C-1.1.3 Anwendbarkeit. Dauerschwingversuch mit Kur-belwellen und -Krpfungen nach GME L-6

3、C-1.Stepped stage test after Dixon and Mood accordingto GMI L-0-8.Treppenstufenversuch nach Dixon und Mood nachGMI L-0-8.1.4 Definitions. Formulae, indices and abbrevia-tions used:1.4 Definitionen. Verwendete Formelzeichen,Indizes und Abkrzungen:A Utilization of load capacity A AuslastungsgradD Cyli

4、nder diameter, inner D Zylinderdurchmesser, innend Step distance d StufenabstanddmaxMaximum step distance dmaxmaximaler StufenabstandF Bearing force (crank pin) F Lagerkraft (Kurbellager)f Test frequency f PrffrequenzFE(M) Finite-Element(-Method) FE(M) Finite-Elemente(-Methode)FGGas force FGGaskraft

5、F1/2Bearing forces (crankshaft main bearing) F1/2Lagerkrfte (Hauptlager)FtestTest force FtestPrfkraftFtest,maxMaximum test force Ftest,maxmaximale PrfkraftFtest,minMinimum test force Ftest,minminimale Prfkraftk Pitch of S/N curve k Steigung der Whler-Liniel Length dimension l LngenmalHLength: Cranks

6、haft main bearing - concave fillet lHLnge: Hauptlager - HohlkehlelVLength: Force application - concave fillet lVLnge: Krafteinleitung - Hohlkehlel1Length dimension l1Lngenmal2Length dimension l2LngenmaMbBending moment in the concave fillet of crankpinMbBiegemoment in der Hohlkehle des Kurbella-gersM

7、b,max= MboMb,max= Mbo Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedPublication Department: GME Specification CenterOctober 2003 Page1of11GME8793 GM EUROPE ENGINEERING STANDARDSMb,min= MbuMb,min= MbuMboMoment of oscillation in the concave fillet ofcrank pin, upper peak valueMboSchwing

8、moment in der Hohlkehle des Kurbel-lagers, oberer ScheitelwertMbo-EVMboin single step test Mbo-EVMboim EinstufenversuchMbo,MotMboin engine operation Mbo,MotMboim MotorbetriebMbo10% Statistical value of MboMbo10% statistischer Wert von MboMbo90% Statistical value of MboMbo90% statistischer Wert von M

9、boMbuMoment of oscillation in the concave fillet ofcrank pin, lower peak valueMbuSchwingmoment in der Hohlkehle des Kurbel-lagers, unterer ScheitelwertMbu-EVMbuin single step test Mbu-EVMbuim EinstufenversuchnmaxMaximum engine speed nmaxmaximale MotordrehzahlN Number of cycles N Anzahl der Schwingsp

10、ieleNLimitLimit on the number of cycles NLimitGrenzschwingspielzahlN10% Statistical value of N N10% statistischer Wert von NN90% Statistical value of N N90% statistischer Wert von NpGasIgnition pressure (maximum gas pressure) pGasZnddruck (maximaler Gasdruck)R Moment ratio, force ratio R Momentverhl

11、tnis, KraftverhltnisNote: Nothing in the specification supersedes appli-cable laws and regulations.Hinweis: Die Vorschrift darf keine anzuwendendenGesetze und Regelungen auer Kraft setzen.Note: In the event of a conflict between the GermanandtheEnglishlanguage,theGermanlanguageshalltake precedence.H

12、inweis: Im Falle von Unstimmigkeiten zwischendem deutschen und dem englischen Text ist derdeutsche Text ausschlaggebend.2 References 2 ReferenzenNote: Only the latest approved standards are appli-cable unless otherwise specified.Hinweis: Wenn nicht anders angegeben, ist jeweilsdie neueste Fassung de

13、r angegebenenReferenz gl-tig.2.1 External Standards/Specifications. None. 2.1 Externe Normen/Vorschriften. Keine.2.2 GM Group Standards/Specifications. 2.2 GM Gruppe Normen/Vorschriften.GME L-6C-1 GMI L-0-83 Resources 3 Gerte und EinrichtungenSubparagraphs were not applicable. Unterabschnitte waren

14、nicht anwendbar.4 Procedure 4 Durchfhrung4.1 Preparation. Provision of the following charac-teristics (minimum requirement):4.1 Vorbereitung. Bereitstellung folgender Kenn-werte (Mindestanforderung): Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedPage2of11 October 2003GM EUROPE ENGINEE

15、RING STANDARDS GME8793 Data for the strength of the used material e.g.modulus of elasticity and permissible tensionunder vibration loading Daten zur Festigkeit des verwendeten Werkstoffeswie z.B. E-Modul und zulssige Spannung unterSchwingbeanspruchung Dimensions and clearances of the crank pins Mae

16、und Abstnde der Kurbelwellenlager Ignition pressure (maximum gas pressure in thecylinder) pGas Znddruck (maximaler Gasdruck im Zylinder) pGas Cylinder diameter, inner DZylinderdurchmesser, innen D4.2 Conditions. 4.2 Bedingungen.4.2.1 Environmental Conditions. Not applicable. 4.2.1 Umgebungsbedingung

17、en. Nicht anwendbar.4.2.2 Test Conditions. Deviations from the require-ments of this Test Procedure shall have been agreedupon. Such requirements shall be specified on com-ponent drawings, test certificates, reports etc.4.2.2 Prfbedingungen. Abweichungen vonden Bedingungen dieser Test Procedure msse

18、nvereinbart werden. Diese Bedingungen sind aufTeilezeichnungen vorgeschrieben bzw. mssen aufPrfzeugnissen, Berichten u. dergl. angegebenwerden.4.3 Instructions. Not applicable. 4.3 Prfanleitung. Nicht anwendbar.5 Data 5 Ergebnisse5.1 Calculations. The following calculation demon-strates the procedur

19、e in principle on an extremelysimplified model (for accurate calculation, numericalsimulation procedures, e.g. FEM, should be used):5.1 Berechnungen. Die folgende Berechnung zeigtdie prinzipielle Vorgehensweise am stark vereinfach-ten Modell (zur genauen Rechnung sind numerischeSimulationsverfahren

20、- z.B. FEM - anzuwenden):The force F exerted by the con-rod on the crank pinproduces a bending moment Mbin the concave fil-lets of the crank pin which are at risk of fracture. It isassumed thatthe leftside ofthe bearingwhich is pen-etrated by the oil duct, is weaker and therefore has agreatertendenc

21、ytofracture. Thestrengthteststhere-fore concentrate on this critical area.Die von der Pleuelstange auf das Kurbellager ber-tragene Kraft F fhrt zu einem Biegemoment Mbinden bruchgefhrdeten Hohlkehlen des Kurbellagers.Es wird angenommen, dass die vom lkanal durch-drungene linke Seite des Lagers schwc

22、her ist unddamit eher zum Bruch neigt. Die Festigkeitsunter-suchungen konzentrieren sich daher auf diesen kri-tischen Bereich. Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedOctober 2003 Page3of11GME8793 GM EUROPE ENGINEERING STANDARDSFigure 1: Forces in the crank pins Abbildung 1: Krf

23、te in den Lagern der Kurbel-welleTo determine the test load, the most unfavourableloading case for the concave fillet of the crank pinshall be selected, i.e. the surface of the concavefillet is subjected to a tensile force. This case occursat low engine speeds when the gas force FGisdominant and the

24、 inertia forces are negligible:Zur Bestimmung einer Prfbeanspruchung ist der frdie Hohlkehle des Kurbellagers ungnstigste Bean-spruchungsfall zu whlen, d.h. die Oberflche derHohlkehle wird auf Zug beansprucht. Dieser Fall trittbei niedriger Motordrehzahl ein, wenn die GaskraftFGberwiegt und die Mass

25、enkrfte vernachlssigbarsind:The cylinder diameter is designated D andpGasis themaximum gas pressure.Der Zylinderdurchmesser ist mit D bezeichnet undpGasist der maximale Gasdruck.From the geometry of the crankshaft with Aus der Geometrie der Kurbelwelle mitcan be calculated the upper value for bendin

26、gmoment that can be expected to occur during engineoperation:ergibt sich daraus der im Motorbetrieb zu erwartendeobere Wert fr das Biegemoment: Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedPage4of11 October 2003GM EUROPE ENGINEERING STANDARDS GME8793Because of the negligible inertia

27、forces, the followingapplies fortheminimum bendingmomentor thelowerload value Mbu:Aufgrund der vernachlssigten Massenkrfte gilt frdas minimale Biegemoment bzw. den unteren Bean-spruchungswert Mbu:The ratio of the lower or minimum bending momentto the upper or maximum bending moment producesthe momen

28、t ratio R, which at low engine speeds isapproximately constant:DasVerhltnisdesunterenbzw. minimalenBiegemo-mentes zum oberen bzw. maximalen BiegemomentergibtdasMomentverhltnis R,welches bei niedrigenMotordrehzahlen nherungsweise konstant ist:The crankshaft shall withstand the vibration loadingsbetwe

29、en (2a) and (2b) in the long term. To achievethis with sufficient statistical certainty, the crankshaftmay only be exposed to a certain degree of its loadcapacity in engine operation. This circumstance isexpressed by the utilization of load capacity A:Die Kurbelwelle muss Schwingbeanspruchungenzwisc

30、hen (2a) und (2b) dauerhaft ertragen. Um diesmit einer hinreichenden statistischen Sicherheit zuerreichen, darf die Kurbelwelle im Motorbetrieb nurbis zu einem bestimmten Grad ausgelastet werden.Dieser Sachverhalt kommt durch den Auslastungs-grad A zum Ausdruck:A =(Mbo,Mot) / (endurable Mbo90%), wit

31、h A =(Mbo,Mot) / (ertragbares Mbo90%), mitThat means, the upper peak value Mbo,Motoccurringin the engine for the bending moment is smaller thanthe value Mbo90% which can be withstood in thelong term (with a limit on the number of cycles ofNLimit 2 000 000). For this see Figure 4.Das heit, der obere

32、Scheitelwert Mbo,Motdes imMotor auftretenden Biegemomentes ist kleiner alsder dauerhaft (mit einer GrenzschwingspielzahlNLimit 2 000 000) ertragbare Wert Mbo90%.Siehehierzu Abbildung 4.This produces the requirement: Daraus resultiert die Forderung:Taking account of the material data currently avail-

33、able, the following values apply to A:Unter Bercksichtigung der momentan vorhandenenMaterialdaten gelten fr A folgende Werte:A = 0.65 for crankshafts made of cast iron A = 0.65 fr Kurbelwellen aus GussA = 0.75 for crankshafts made of forged steel A = 0.75 fr Kurbelwellen aus SchmiedestahlFinish mach

34、ining the material, e.g. roll hardeningof the concave fillets, will have a favourable effecton fatigue strength. Therefore, A is permitted to beabove the stated values.Die Nachbearbeitung des Werkstoffes, wie z.B. dasVerfestigungsrollen der Hohlkehlen, hat einen gnsti-gen Einfluss auf die Dauerfesti

35、gkeit. Daher kann Aauch ber den genannten Werten liegen. Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedOctober 2003 Page5of11GME8793 GM EUROPE ENGINEERING STANDARDSFigure 2: Application of a Test Force Abbildung 2: Einleitung einer PrfkraftIf the bending force is generated in the conc

36、ave filletusing a device with a lever length lV, then, like with(2a), (2b) and (3) the following limits apply for therequired test force:Wenn man das Biegemoment in der Hohlkehle miteiner Vorrichtung mit der Hebellnge lVerzeugt, danngeltenanalogzu(2a),(2b)und(3)frdieerforderlichePrfkraft folgende Gr

37、enzen:with the force ratio mit dem Kraftverhltnis Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedPage6of11 October 2003GM EUROPE ENGINEERING STANDARDS GME8793AscanbeseeninFigure1andFigure2,thetestforce Ftestshall be applied in a negative direction inorder to generate the damaging posit

38、ive moment orthe tensile load in the concave fillet.Wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 zu erkennenist, muss die Einleitung der Prfkraft Ftestin Minus-Richtung erfolgen, um in der Hohlkehle das schdi-gende positive Moment bzw. die Zugbeanspruchungzu erzeugen.5.1.1 Example for Determination ofaTestSpe

39、cifi-cation. IntheFEsimulation,acrankshaftofcaststeelwas shaped and optimised so that the roll hardenedconcave fillets of the crank pins were, with regard tothe permissible material stresses, subjected to 70 %loading (A = 0.7) during engine operation. For thisload, the simulation model (see Figure 3

40、) providedthe bending moment or required test moment whichcan be withstood in the long term, in accordance with(4):5.1.1 Beispiel zur Bestimmung einer Prfvor-schrift. In der FE-Simulation wurde eine Kurbelwelleaus Stahlguss so gestaltet und optimiert, dass dieverfestigungsgerollten Hohlkehlen der Ku

41、rbellager imHinblick auf die zulssigen Materialspannungen zu70 % im Motorbetrieb ausgelastet werden (A = 0.7).Das Simulationsmodell (siehe Abbildung 3) liefertezu dieser Beanspruchung das dauerhaft ertragbareBiegemoment bzw. das geforderte Prfmomentgem (4):withR=0 mitR=0Figure 3 shows an example of

42、an FE structure foran individual crankshaft throw. The sub-structure ofcritical areas, such as the concave fillet, is modelledin greater detail so that the load can be simulated torepresent approximate actual conditions.Abbildung 3 zeigt ein Beispiel einer FE-Struktur freine einzelne Kurbelwellenkrp

43、fung. Die Substrukturkritischer Bereiche, wie z.B. der Hohlkehle, ist feinermodelliert, um die Beanspruchung realittsnah abbil-den zu knnen. Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedOctober 2003 Page7of11GME8793 GM EUROPE ENGINEERING STANDARDSFigure 3: ExampleofaFEStructureofanIn

44、divid-ual Crankshaft ThrowAbbildung 3: Beispiel einer FE-Struktur fr eineeinzelne KurbelwellenkrpfungThe limit on the number of cycles NLimitrepresentsthe assumed fatigue strength limit:Die Grenzschwingspielzahl NLimitstelltdie angenom-mene Grenze zum Dauerfestigkeitsgebiet dar:To the step distance

45、is applied as reference value Fr den Stufenabstand gilt als RichtwertTaking account of the pitch k of S/N curve, the testmoment Mbo90% calculated for the stepped stagetest producesDas fr den Treppenstufenversuch berechnete Prf-moment Mbo90% liefert unter Bercksichtigung derSteigung k der Whlerliniet

46、he test moment required in the single step testMbo-EV(see Figure 4):das geforderte Prfmoment im EinstufenversuchMbo-EV(siehe Abbildung 4): Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedPage8of11 October 2003GM EUROPE ENGINEERING STANDARDS GME8793With k=12(determined from S/N curve tes

47、ts) and atime stability required of N90% = 200 000 cycles, thevalue isMit k=12(ermittelt aus Whler-Versuchen) undeiner geforderten Zeitfestigkeit von N90% = 200 000Schwingspiele betrgt der WertThe bending moment ratio R = 0 remains unchangedso that even in a single step test the lower peak valueof t

48、he test moment Mbu-EVis zero.DasBiegemomentverhltnisR =0bleibtunverndert,so dass auch im Einstufenversuch der untere Schei-telwert des Prfmomentes Mbu-EVNull ist.Figure 4: Test Specification Plan Abbildung 4: Schema der Prfvorschrift Copyright 2003 General Motors Corporation All Rights ReservedOctob

49、er 2003 Page9of11GME8793 GM EUROPE ENGINEERING STANDARDSFigure 5: Test Specification Abbildung 5: PrfvorschriftThe test frequency is based on the maximum enginespeed and isDie Prffrequenz orientiert sich an der maximalenMotordrehzahl und betrgtThe ranges of scatter of 4.0 and 1.2 are empirical val-ues.Die Streuspannen von 4.0 und 1.2 sind Erfahrungs-werte.In Figure 5 is to be seen the test specification result-ing from the calculations.In Abbildung 5 ist die aus den Berechnunge