发动机曲轴材料强化

发动机曲轴材料强化（精选8篇）

发动机曲轴材料强化 第1篇

先进的曲轴材料：

发动机曲轴材料的综合介绍。根据它的发展历史以及对各种材料的化学成分、组织、性能、加工工艺、成本价格的比较分析,说明其发展趋势是以球铁曲轴替代锻钢曲轴,以铸态珠光体球铁曲轴替代热处理曲轴。球铁代钢的关键是提高韧性,自行研制的QT740—3铸态珠光体球铁曲轴表明,铸态球铁性能达到了一个新高度。另外对几种曲轴新材料进行了分析。曲轴在工作中受到不断变化的燃气压力、惯性力及力矩作用,从而在各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。曲轴的重要性及其工作状况的复杂性,要求曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨性,同时心部要有一定的韧性。另外,应当顺应当今世界汽车材料的发展趋势,即采用轻量化材料以减轻汽车自重,减少汽车的燃油消耗,节约石油资源,降低环境污染;选用和开发

替代材料简化零件生产工艺,降低生产成本。目前,国内普遍使用的曲轴材料主要有锻钢和球墨铸铁2类。锻钢材料一般为中碳钢和中碳低合金钢,如45钢、53钢、35CrMo、40Cr等。球铁曲轴牌号有QT6002、QT800-

2、QT900-

2、QT900-5。工业强国的球铁生产比重较大。尽管我国的铸铁产量居世界第二位,但其中球铁产量所占比重(17.8%)远低于法国(48.3%)、日本(40.0%)、美国(39.4%)、英国(36.7%)、德国(35.1%)、意大利(21.6%),也低于世界平均水平(28.2%)。因此,我国有待于加强球铁生产技术的研究,进一步拓宽球铁的应用领域。特别是在国有汽车工业的开发中,显得尤为重要。总的说来,曲轴用材料的发展趋势是,以球铁曲轴替代锻钢曲轴,以铸态珠光体球铁曲轴替代热处理曲轴。1 锻钢曲轴 1.1 热处理锻钢曲轴 这类曲轴多采用精锻中碳钢或中碳合金钢,需要采用调质(或正火)热处理来提高强度并改善加工性能。锻造曲轴由于需要热处理,工艺较复杂,需要时间多,而且能源消耗较大。另外,国外采用45钢经锻造余热淬火后,增加淬透性,以提高硬度、抗拉强度、冲击韧性和延伸率,从而降低毛坯成本。

1.2 微合金非调质钢曲轴

微合金非调质钢曲轴是近年来发展起来的新钢种,通过添加V、Nb、Ti等合金元素细化晶粒,强化钢的基体,提高钢的强度。其优点是可省去调质(或正火)处理工艺,具有明显的简化工艺、节时节能效果。同时可改善切削加工性能,提高劳动生产率。微合金钢与调质碳钢相比可降低成本7%～11%,与调质合金钢相比可降低成本11%～19%。传统的调质钢需通过热处理工艺来提高强度,而且需加入昂贵的Ni、Cr、Mo等元素。自从联邦德国于1972年研制出牌号为49MnVS3的中碳微合金钢后,英国、法国、意大利、日本、前苏联、美国等也相继研制出不同牌号的微合金非调质钢以代替调质钢。例如,英国研制的VANARD系列低碳[w(C)=0.3%～0.5%]高锰[w(Mn)=1.0%～1.5%]微合金钢与49MnVS3[w(C)=0.48%～0.56%,w(Mn)=0.6%～1.0%,U型缺口冲击能大于15 J]相比,在相同强度时可提高冲击能33%。瑞典金属学院发现将w(Si)从0.3%提高到0.6%时,在对强度无影响的情况下可将冲击能提高25%。Nomura等人[2]发现,将用V处理过的钢中的w(S)提升至大约0.05%时,可有效提高韧性。Nippon Steel[2]发现向0.42C-0.79Mn-0.26Si-0.11V钢中加入0.021%(指质量分数,下同)的Ti,在1250℃锻造,然后空淬,可将室温下U型缺口单位面积冲击能由34 J/cm2提升至50J/cm2。国外汽车应用微合金非调质钢曲轴已十分广泛,德国的Benz、意大利的Fiat、美国的Ford、日本的三菱和丰田汽车公司都有部分汽车发动机曲轴采用非调质钢。我国非调质钢的研究起步较晚,经过努力已研制出十几种非调质钢,如为解决康明斯发动机锻造曲轴用钢,东风汽车公司研制出一种新型曲轴用非调质钢50MnV[w(C)=0.44%～0.56%,w(Mn)=0.80%～1.3%,w(Si)=0.17%～0.37%,w(S)≤0.035%,w(P)≤0.035%,微量V]。2 球墨铸铁曲轴 2.1 球墨铸铁代钢

球墨铸铁比钢轻约10%,无残留应力,加工时产生的缺陷少,而且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比,可使连杆轴径中空,减轻回转质量,且可减少轴拐角处的应力集中。球墨铸铁曲轴,尤其是铸态球墨铸铁曲轴,具有生产工艺简单、能源消耗少、生产成本低、生产效率高等优点。锻钢曲轴价格是球墨铸铁曲轴的4～5倍,因此球墨铸铁成本优势很大,在激烈的市场竞争中极具潜力。在欧洲,球墨铸铁曲轴的使用率大于80%,锻钢曲轴小于20%;在日本,两者的比例为80∶20;美国3家大汽车厂(General Motors、Ford、Chrysler)生产的轿车和轻型车约99%使用铸造曲轴。而轿车用量最大的直列四缸曲轴,全世界多已用铸铁代替了锻钢。对于六缸柴油机曲轴,国外多沿用锻钢件,而我国由于缺乏大型锻造设备,在重型柴油机的设计和制造中,早已采用球铁曲轴。例如重型汽车公司设计的6120、6130等发动机;东风汽车公司在原6100汽油机的基础上改造成6102柴油机时,开发曲轴圆角滚压工艺和其专用设备,实现了六缸柴油机曲轴的球铁化。球铁取代锻钢用于重要零件时,先进工业国家考核σ0.2和σ0.2/σb指标。球铁要取代锻钢,重点是提高韧性,尤其是动态韧性,可采用如下方法:细化晶粒和显微组织;尽量降低有害杂质含量;球化或钝化、分散弱相(如石墨)以减小应力集中系数;生成或引入韧性好的不连续组织(如ADI球铁中的残余奥氏体)来提高性能。目前,球铁取代锻钢的最大障碍就是强度和韧性有限。但是随着高强度、高韧性球铁,尤其是奥氏体等温淬火球铁(ADI)技术的日趋成熟,凭借其高强度、高韧性、成形性能好、成本低、综合机械性能优良等诸多优点,必将在更大范围内取代锻钢。2.2 铸造热处理曲轴 2.2.1 GH90-5球铁

意大利Fiat汽车公司开发的高强韧性球铁系列的综合性能指标为同类材料中最高,反映了当今国际先进水平。牌号GH90-5的球铁用于发动机曲轴,需经正火处理。南京汽车厂从该公司引进的IVECO轻型系列卡车的发动机曲轴材料为GH90-5球铁。南汽采用高温低硫原铁水,通过严格控制Mn和P的含量,加入0.5%～0.8%的Cu,用含Ca和低镁低稀土球化剂处理及硅铁随流孕育,再经过正火和高温回火处理,得到细片状珠光体+破碎状牛眼铁素体组织。在实验室条件下,Y型试块性能可接近QT90-5的要求,曲轴本体解剖后,经测试达到QT85-4性能指标,基本满足生产的要求。

2.2.2 奥氏体等温淬火球铁(ADI)ADI是近年来在铸铁冶金中的重大发现之一。将球铁加热到897℃附近,奥氏体化溶解碳,然后进入247℃～397℃盐浴中急冷,以防止出现珠光体,并保温1 h～2 h,最后急冷到室温,获得基体为奥氏体加贝氏体混合组织的ADI材料。通常在其中加入少量Ni、Mo或Cu来提高硬度。富含碳的残余奥氏体比较稳定,韧性好且不连续,这极大地提高了材料的性能。它的另外一个突出特点是加工感应相变形成马氏体,且仅是加工部分产生硬化,提高了强度和耐磨性,此种硬化效果具有持续性。高强度ADI材料抗拉强度为1274MPa～1470 MPa,延伸率为1%～3%,主要用作钢质零件的代用材料;高韧性ADI材料抗拉强度为882 MPa～1078 MPa,延伸率为6%～12%,主要用作铸铁零件的代用材料。ADI材料可被用来制造承受高负载的曲轴,通常条件下,普通球铁材料是达不到这么高的要求的。ADI材料的开发提高了球墨铸铁类材料的机械性能,拓展了球铁材料的应用空间。由于其价格低廉,设计自由度大,经不同温度等温淬火处理后,具有高强度、高韧性、耐疲劳和耐磨性能,因此是一种非常有发展前途的材料。ADI的生产对铸件质量要求高,需要严格控制等温淬火热处理工艺参数,为此要采用机械化、自动化程度较高的专用等温淬火热处理设备。在国,ADI已从理论及工艺研究进入到实际应用阶段,ADI球铁曲轴已有一定的产量。而我国尚处于试验研究阶段,在单缸发动机上有所采用,另外有少数关于在四缸发动机上的应用报道。2.3 铸态珠光体球铁曲轴

球铁材料过去一直采用正火来提高强度,随着生产技术的成熟,铸态珠光体球墨铸铁曲轴逐步代替了正火球墨铸铁曲轴。由于石墨球数增加,基体组织全为珠光体,因而铸态下就能获得较高的机械性能。铸态曲轴不须正火热处理,这样不仅简化生产工序、降低能源消耗和生产成本,还避免了人为因素产生的内应力,从而减少了曲轴在切削加工后进行表面淬火强化处理时的变形倾向。以EQ1092汽车曲轴的生产为例,只要铸态基体组织珠光体含量不少于75%,轴颈表面淬火硬度就高于46HRC,变形量小于0.3 mm,而原来采用正火球墨铸铁曲轴,表面淬火后,曲轴变形很大且不稳定,平均为1.5 mm,最大达到3.5 mm。球铁向铸态发展是大势所趋,同时也是技术进步的表现。为保证铸态曲轴的质量,需严格控制化学成分及球化、孕育、凝固等关键工序,以获得要求的金相织。在原材料、熔炼设备、工艺、化学成分检验、金相组织分析、球化率检验、缺陷检验等一系列生产环节上,要采取切实可行的技术措施,并制定严格的生产管理制度。铸态珠光体球铁与铸态混合基体球铁相比前者难于生成。其基体组织是通过调整原铁水化学成分来保证的,一般需通过调整终硅量,加入Cu、Sn等合金元素改善铸态组织,提高强度。铸态珠光体基体球铁在生产时应该注意合金元素的简化和少量化,这样既可保证冲击韧性,又可降低成本。铸态珠光体球铁终硅量一般在2.1%～2.7%,并保证碳当量在4.3%～4.7%。Mn元素在球铁中有稳定珠光体的作用,对提高强度和硬度有益,但易形成碳化物偏析于晶界,因此Mn不宜超过0.7%。P与S是球铁中的有害元素,铸态球铁应控制w(P)≤0.08%,w(S)≤0.08%。Mg与Re对石墨球化有积极的促进作用,但过高的Mg残会发生石墨畸变,过高的Re残会增加白口倾向,要求控制w(Mg残)=0.025%～0.045%,w(Re残)=0.015%～0.035%,并保证w(Mg残)/w(Re残)≥1。Cu和Sn均可稳定珠光体,Cu对球铁铸态性能σb、σs、HB影响较大,适当增加Cu含量,可提高球铁强度。在铸态珠光体球铁中,当w(Cu)=0.25%～0.55%时,适当提高Sn的含量,可以提高延伸率,但Sn极易偏析,其含量不宜过高。例如,在w(C)=3.6%～3.8%、w(Si)=1.8%～2.2%、w(Mn)≤0.3%、w(P)≤0.04%、w(S)≤0.02%、w(Cu)=0.8%～1.0%、w(Sn)=0.03%～0.04%的铁水成分范围内,采用冲入法球化处理及随流孕育工艺,可获得QT800-2铸态珠光体球铁,其断裂韧性KIC为1210 MPa·mm～1350 MPa·mm,这种材质具有较高的抗断裂能力。由武汉理工大学及东风汽车公司铸造一厂共同承担的国家“九五”重点科技攻关项目“富康轿车QT740-3曲轴的研制及产业化开发”研究了一种新牌号的铸态珠光体球铁。铸态下抗拉强度不小于740 MPa,延伸率不小于3%,石墨达到法国标准VI级,球状石墨AB型不小于85%,轴颈处珠光体含量大于75%,其评定水平远远高于国家标准。通过控制化学成分,并采取其它工艺措施,获得所需的特定组织和性能。球铁代钢,主要是提高韧性,对于铸铁材料,要在较高强度下同时具有较好的韧性实属不易。QT740-3这一新牌号的出现表明铸态球墨铸铁的性能达到了一个新的高度。3 新型曲轴用材料展望

3.1 AGS—奥氏体等温淬火球状石墨钢

据文献[5]报道,日本工业技术院采用奥氏体等温淬火热处理法成功地开发了一种杨氏模量高(与钢差不多,约为200GPa)、强度及韧性(摆锤冲击值比ADI材料大2倍左右)均极理想的新材料AGS—奥氏体等温淬火球状石墨钢。这种材料是通过把w(C)=1.0%～1.5%、w(Si)=1.5%的钢加热到900℃左右,然后急冷到300℃～400℃,保持0.5 h～3 h,最后在空气中进行奥氏体等温淬火处理得到的。它可用于对强度、韧性有较高要求的领域,如曲轴、齿轮等零部件。3.2 新型铝合金复合材料

90年代以来国外广泛采用高强度铝合金来代替传统材料,以实现轻量化。据报道,Honda、Nissan、BMW和奥迪等公司都生产了全铝发动机,其曲轴采用了压力铸造纤维和颗粒增强铝合金复合材料。纤维增强和颗粒增强复合材料技术在工业化大生产中的应用未见报道,主要是复合材料生产工艺复杂,目前仅停留在实验室单件小批量生产

阶段,不易推广到大批量机械化生产当中。另外,它还面临着回收再利用等难题。

4材料选择的原则首先是要能满足使用性能,然后再考虑成本、轻量化、环保等一系列要求。在以上所列举的材料中,钢的力学性能最优,球铁的其次,铝合金复合材料在后。但是并非所有的情况下都选择性能最优的钢,而应该从各方面综合考虑,我们平常所讲的性能价格比就是从这个意义上提出来的。对于功率要求较高的曲轴,一般的球铁不能满足要求,多选用性能优良的锻钢。奥氏体等温淬火工艺的出现极大地提高了球铁的力学性能,使其接近于锻钢,再加上其低成本和优良的工艺特性,在满足力学性能的前提下,一部分锻钢曲轴逐渐被ADI替代。但是,ADI需要严格控制等温淬火热处理工艺参数,对生产厂家提出了较高的技术和管理等方面的要求,导致其生产还不普及。另外,在锻钢中又以微合金非调质钢取代调质碳钢和调质合金钢来降低成本。对于中低功率的曲轴,由于球铁优良的性能、低成本和工艺的日臻完善,已几乎完全取代了锻钢。而在球铁中,又趋向于以铸态球铁取代热处理球铁。同时,高强度铝合金复合材料的出现,已可部分替代球铁曲轴。但是目前工艺尚不成熟,还不能满足大规模工业化生产的要求。

在曲轴的选材上,以上几种材料按其特点各有应用范围和发展前景。锻钢的力学性能最优球铁的适用范围广、成本低;铝合金是未来的方向,最具发展潜力。其中铸态QT740-3在轻型车、轿车曲轴市场中,适用范围广,性能价格比最优,最具竞争力。

发动机曲轴材料强化 第2篇

北京博睿通达了解汽车曲轴断裂困扰着许多车主，其中大部分车主不清楚为什么汽车会发生曲轴断裂。路虎曲轴断裂的原因，不仅仅是汽车本身的曲轴有问题，还跟车主日常行车的习惯有着一定的关系。为了能够让车主们对曲轴断裂有个更深的认识，下面将为车主们解析导致汽车曲轴断裂的原因以及预防措施。

（北京博睿通达大型二类维修企业,比4S店便宜30%-50% ,原厂配件质量保证）众所周知曲轴是发动机重要回转零件，发动机功率要靠曲轴输出，有机器的“主心骨。之称。曲轴在工作中承受不断变化的气体压力、惯性力和扭矩的作用。为了保证发动机正常工作，曲轴必须具有高的强度和刚度，各工作表面耐磨。曲轴制造工艺复杂，所需材质较好，尺寸精度与光洁度要求较高。曲轴材料主要是球墨铸铁和中碳钢，国外进口机型上则有采用合金钢的。

曲轴在设计中虽有较大的安全系数，但由于制造或修理的质量问题及使用中疲劳或故障，出现裂纹导致断裂，主要原因有：

（1）使用尺寸超限，包括经喷涂修复的曲轴，虽恢复了尺寸，但由于在工艺上采用了拉毛、车螺纹等表面粗糙处理，引起疲劳寿命降低，强度并未增加。

（2）各缸工作不平衡，活塞连杆组组合重量偏差过大，飞轮偏摆过大等，都能引起曲轴受力不均。

（3）工作超负荷及事故性损坏，如飞车、捣缸、烧瓦、顶气门等。

（4）曲轴制造中的金相组织缺陷、重皮、裂纹等，制造或修理后的曲轴过渡圆角半径过小，引起过大的应力集中。

（5）机体主轴瓦座不同心度过大或轴瓦间隙过大，使曲轴受过大的交变载荷。

曲轴断裂的预防措施

（1）避免发动机在超负荷条件下工作，并防止突爆的发生；机车重载时，应平稳起步，不可抬脚过快，遇到障碍物时，不要加大油门猛松离合器硬冲；机车行驶中，一般应先踏离合器脱档后制动；正确控制油门，切勿忽大忽小。

（2）保持发动机润滑系统中油路畅通。润滑油充足，使润滑良好，以免造成轴瓦与轴颈发生干摩擦。

（3）在安装曲轴之前对其主要技术要求进行严格检验，应符合标准规定。

（4）按规定的顺序和扭力矩紧固飞轮与曲轴的连按螺栓，并加以锁紧，以防松动。

发动机曲轴的表面强化 第3篇

气体氮化过程能使被氮化工件尺寸发生膨胀, 所以曲轴在氮化时, 事先预留了膨胀量, 膨胀量大小需要工艺试验后, 最终确定并固化到工艺中。

WD615.68C曲轴材料为42CrMoA, 制造工艺流程为下料锻造正火调质校直去应力金属切削加工去应力气体软氮化抛光入库。在金属切削加工过程中有时会发生某个轴颈磨削超差 (超公差下限) 报废, 由于曲轴价值高, 损失很大。

工艺试验

利用气体氮化尺寸膨胀这个特点, 经过工艺参数调整, 找到合适的工艺, 使尺寸超下限曲轴尺寸涨到合格范围内。

(1) WD615.68C曲轴正常氮化指标要求见表1, 气体氮化工艺参数见表2。

(2) 试验用氮化设备型号TQF-26。

(3) 试验挽救气体氮化工艺见表3。

(4) 记录气体氮化工艺挽救试验曲轴轴颈涨量测量结果。

试验结果分析

发动机曲轴加工工艺分析 第4篇

关键词：曲轴;加工工艺;发动机

引言

现阶段，随着发动机性能的不断提升，曲轴作为重要零件，对其质量要求也越来越严格，曲轴的结构参数、加工工艺等都会对整个发动机的可靠性和寿命产生严重的影响。但是因曲轴在工作时处于较为恶劣的环境条件中，其每一环节的加工质量无法达到设计要求，都会影响曲轴的工作质量和使用寿命。由此可见，不断加强曲轴加工工艺的研究，对促进企业发展有着重要的意义。

1. 发动机曲轴加工工艺的介绍

1.1 曲轴加工工艺的发展现状

曲轴是发动机得以正常运转的心脏，并且是一种柔性细长轴件，其加工工艺的重点和难点之处在于曲轴的主轴颈及连杆颈等部位的加工上，加工过程中主要有四大工序，分别是粗加工、半精加工、精加工以及磨削，在这四大工序中，前两项工序具有较大的发展空间。而且随着曲轴加工工艺的发展，21世纪以后，曲轴在制造工艺、刀具等多个方面都发生了较大的变化，多刀车削工艺以及手工磨削工艺逐渐占据了重要位置，但是因其加工精度低、柔性较差、自动化程度低等诸多不足而逐渐被淘汰。

而国外在曲轴加工方面展现出良好的发展前景，主要是将曲轴车削工艺与车拉工艺相互结合在一起，具有较高的生产效率，同时还具备精度高、自动化程度高、柔性好等优点。此外，曲轴进行加工之后，可以直接略过粗磨工序进入到精磨工序中。该种加工方式逐渐成为一种流行工艺。

之后出现的新型CNC高速曲轴外铣机床，使得曲轴的粗加工工艺又向前迈进了一步。它存在切削速度快、时间短、工件温度低、刀具寿命高、加工精度高、柔性好等诸多优势，因此车拉及CNC高速曲轴外铣将会成为曲轴粗加工的重要主导方向之一。

1.2 曲轴机械加工工艺特点

一方面，產品选用锻钢，材质选用高淬透性合金钢通过调质及表面感应淬火处理后，获得有较高的硬度、韧性等较好的综合机械性能。

一方面，由于零件的刚性差，同时结合曲轴的加工难点即主轴颈及连杆颈;在对曲轴进行加工的过程中需要严格按照先粗后精的顺序，从而保证加工的精度要求。

一方面，产品精度要求高，轴颈是曲轴的装配基准，要求精度达到IT4 ～ IT7级，表面精度要求达到Ra0.2以下，需要高精度磨床及超精机加工保证。

2. 主轴加工工艺的分析

2.1 选择基准

在对基准进行选择时，需要做到以下几个方面的统一。首先，设计基准与加工基准两者之间的统一;其次，在四大加工工序之中，需要做到基准的统一，尤其是对精加工工序的基准统一要求更为严格。而且在加工工序中，粗加工及半精加工的基准选择的是两端的中心孔，而精加工选择两端中心孔外还要使用第一连杆颈进行角度确认。

2.2 轴颈的加工

轴颈加工时，主轴颈加工以车削方式为主，并且需要在强度较大的车车拉数控车床上进行。在对主轴颈进行车削的过程中，需要先对大小头轴颈进行加工，然后才能对其定位。在安装曲轴时，一端用卡盘夹紧另一端用顶尖顶住，主轴颈车削时需要采用硬质合金刀具。但由于轴颈的切削量较大，且每一部分的余量不相同，加之旋转过程中的不平衡会产生较强的冲击力。因此，为了保证轴颈加工的质量，需要将工件牢固夹住。

当完成主轴颈以及其它外圆的车削工序之后，加工连杆轴颈时要以主轴颈及中心孔作为基准，并采用曲轴加工专用夹具。使用CBN高速外铣机床，夹紧定位方式与车主轴颈相同。但上料后需确定第一连杆位置，随动铣削加工，这样既能保证曲轴加工精度又能保证设备的柔性。

2.3 曲轴工艺的检测

在对曲轴进行加工的过程中，曲轴的检测工序是一道极为重要的工序，在各个工序之中，关键部位都会设有自动测量以及自动补偿等装置，来弥补加工过程中存在的不足。例如在精磨工序中，检测工序可以实现在线检测，实施闭环控制，从而完成曲轴的整个检测过程。而且，还有动平衡试验及磁粉探伤等两项检测工序，来实现对动平衡以及曲轴表面质量性能等的检测。此外，在曲轴检测工序中有四道独立的检测工序，分别是毛坯检查，主要是对毛坯的尺寸、机械性能以及各种化学成分等进行检测;第二和第三道工序是中间检测，即利用曲轴综合测量机，对经过粗加工和精加工的曲轴尺寸进行检测;而最后一道工序则是对成品的检测，主要是根据各个零件的设计和加工要求，对曲轴各个零件存在的误差是否在合理范围内进行检测，同时检测其加工的质量是否存在问题。

3. 总结

曲轴作为发动机中的重要零件，能够对发动机的使用寿命和质量等方面产生严重的影响。而传统的曲轴加工工艺因存在加工精度低、柔性较差、自动化程度低等诸多缺陷而逐渐被新型车车拉、CNC高速曲轴外铣所代替，并对曲轴加工中的关键技术要点进行了深入探究，这对于延长发动机使用寿命，促进企业的发展至关重要。

参考文献：

[1] 陈世通.发动机曲轴加工工艺分析[J].企业科技与发展，2012，19（14）：69–71.

[2] 唐熊辉，李晓晖，朱玉泉等.高压水泵曲轴的加工工艺设计与分析[J].机床与液压，2012，40（8）：88–90..

发动机曲轴材料强化 第5篇

科目：汽车发动机构造与维修 教学课题：发动机曲轴装配 实训教学目标：

1.使学生熟悉曲轴与其他部件的装配关系和曲轴的运动情况。2.要求学生学会对安装好的曲轴进行检测与分析。3.对曲轴在装配过程中需要注意的事项要求掌握。

教学重点：

1.曲轴的装配方法。

2.曲轴的检测、测量与分析。

教学难点：曲轴的检测、测量与分析 教学课时：两课时 课

型：理实一体化 教学班级：12级汽修（1）班

教学时间：2013年10月29日 第三节课 教学地点：汽车原理与演示实训室 教学过程：

一、组织教学，清查人数。

二、旧知复习，导入实训。

1.说说图1中各数字代表的部件名称。

（1）曲轴（2）止推轴承

（3）轴承（4）轴承盖

2.说说曲轴的主要作用。

图它将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动，并在作功行程中，连续承受活塞连杆组传来的力，即周期变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力并输出转矩。太古神王净无痕小说http:/// 3.说说图2中曲轴各部分的名称。

（1）飞轮（2）曲拐

（3）曲轴正时齿轮

（4）曲轴连杆轴颈（5）曲轴主轴颈

三、实训目的及要求。

图2

1.熟悉曲轴飞轮组的装配关系和运动情况。2.掌握曲轴的装配方法、步骤。3.掌握曲轴组装配要点。

4.学会对曲轴进行检测、测量与分析。

四、实训仪器设备

1.丰田5A发动机一台 2.扭力扳手一个 3.铜棒一个 4.磁力百分表一只 5.千分尺一把 6.V型铁块两个 7.常用工具一套

五、实训内容与操作步骤

（一）曲轴的清洁检查

1.清洁曲轴颈、轴瓦结合部，检查疏通油道。

2.检查轴颈的磨损情况，有无出现线条状、金属剥落和裂纹。3.清洁轴瓦，检查轴瓦的磨损情况，有无出现金属剥落、定位唇损伤及横向裂纹。我是一只妖银瞳的狐狸http:///shuhuangla_5350/

（二）安装曲轴

（1）将清洗和擦拭干净的曲轴、飞轮、轴承盖等零件依次摆放整齐，准备装配。

（2）将有油槽的上轴瓦装入发动机缸体，使轴承上的油槽与缸体上轴承座上的油道口对正。注意上下轴承不能装反，然后将各道轴承涂上少许润滑油。

（3）将曲轴安装在缸体上。在第3道主轴颈两侧安装半圆止推片，其开口必须朝向曲轴后端，定位半圆止推片装于轴承盖上；从中间轴承盖向左右对称紧固螺栓。

（4）按轴承盖上打印的1、2、3、4、5标记，由前向后顺序安装轴承盖。注意：安装曲轴时应注意装配顺序，安装曲轴主轴承盖时，应先旋紧第2、4轴承盖螺栓，再旋紧1、3、5轴承盖螺栓，即曲轴主轴承盖螺栓应由中间向两边交叉对称分三次拧紧。曲轴主轴承盖螺栓最后紧固力矩为65N·m。轴承盖紧固后，曲轴转动应平滑自如。

（5）安装曲轴前后油封和油封座，安装飞轮和滚针轴承。变速器输入端外端的滚针轴承安装是标记朝外，外端距曲轴曲轴后端面1.5mm。

注意：安装飞轮时，齿圈上的标记与1缸连杆轴颈在同一个方向上。曲轴前后密封法兰紧固力矩M8为20N·m，M10为10N·m。曲轴后端滚针轴承应低于曲轴后端面1.5mm。飞轮紧固螺栓按对角线，分2～3次旋紧，拧紧力矩为75N·m。

（6）检验曲轴的轴向间隙。检验时，先用撬棍将曲轴撬挤向一端，再用厚薄规在止推轴承处测量曲柄与止推垫片之间的间隙。新装配时间隙值为0.07-0.17mm，磨损极限为0.25mm。如曲轴轴向间隙过大，应更换止推轴承。

（三）曲轴的检测 1.曲轴的损伤

◆曲轴是发动机中形状和受力都很复杂的重要零件之一。

◆曲轴耗损的形式主要有轴颈的磨损、弯曲与扭曲变形、断裂及其他部位的损伤等。曲轴的弯曲变形会加剧活塞连杆组、汽缸、曲轴轴颈和轴承的磨损，甚至会使曲轴出现裂纹或断裂。

◆曲轴的弯曲变形是使用或修理不当造成的。如发动机的爆震和超负荷，个别汽缸不工作或工作不均衡，各道主轴承松紧度不一致，主轴承座孔同轴度偏差增大等原因，都会导致曲轴的弯曲变形。

2.曲轴的检测内容（1）曲轴的轴向间隙

◆间隙值为：0.05～0.20mm 操作方法如图3所示。图3

（2）曲轴的圆度值和圆柱度值测量

◆测量4个值进行计算（计算方法与 气缸测量相同）

◆圆度和圆柱度值为：≤0.025mm ◆2个方向:径向、轴向

操作方法如图4所示。

（3）曲轴的径向跳动量测量

图4

◆径向动量为： 0.020～0.051 mm 操作方法如图5所示。

六、学生分组实训，教师巡回指导，学生完成任务工单。

七、实训小结。

图5

八、布置实训作业。

发动机曲轴材料强化 第6篇

曲轴是发动机的重要部件,其成本约占整台成本的20%～30%。是承受冲击载荷传递动力的关键零件[1]。因工作环境恶劣,受力复杂,曲轴易产生弯曲和扭弯变形,主轴颈产生摩擦磨损。主轴的主要失效形式是轴颈严重磨损和疲劳断裂失效。为了节约材料和能源,有必要对受损的曲轴进行回收、再制造。曲轴的再制造是将回收的零件进行拆解、清洗、分类,以具有剩余使用寿命的曲轴为“毛坯”,采用先进的表面强化加工技术,修复升级改造或提升曲轴的性能[2]。从成本上来说,报废曲轴的残余价值约1 000～2 000,修复成本2 000～10 000,与新制造曲轴约1～5万元的成本相比,曲轴再制造可节约成本50%～70%、材料70%、能源60%;同时也将减少对环境的污染。这种技术属于绿色制造工艺,得到政府与学术界的高度重视。虽然目前在我国只有少数几家企业在进行产业化尝试,但发展潜力巨大。

1 磨损情况

现回收一台报废的潍柴WD615柴油机,曲轴采用6缸7道主轴颈,使用45号钢锻制。拆解后,检查曲轴、连杆等部件。发现曲轴和连杆轴颈严重磨损。拆下曲轴后测量,四缸连杆轴颈最大磨损量达0.35mm,同时沿轴向出现锥度且曲轴表面有明显擦伤。圆柱度也超过限制呈椭圆形,需要研磨轴颈或更换。使用千分表,测量曲轴直线度。中心轴颈偏移,缓慢地旋转曲轴,测量到曲轴弯曲度达到0.2mm。

2 减级修复曲轴

减级修复仍然是曲轴再制造的重要手段,曲轴磨损不大时,首选减级修复,与镀铁、热喷涂等增加曲轴尺寸的方式比较,减级修复成本低、质量好。

曲轴的造价占整部柴油机的1/4左右,如不能修复到曲轴的设计形位公差,将对柴油机的动力性和使用寿命带来重大隐患。将曲轴去污处理后,作磁力探伤,检查发现曲轴内没有细小裂纹,可以修复。

(1)专业校直曲轴,校直时温度不超过250℃,保温1～2小时。

(2)按磨损情况加大一级(+0.25mm)修磨曲轴。磨损较严重的连杆颈加大两级(+0.50mm)来修磨。WD615发动机曲轴大都采用45号钢制造。当其轴颈的圆度或圆柱度超过0.05mm时,可通过磨削轴颈来减级(按修理尺寸)使用。修磨后要求轴颈圆度不得大于0.005mm,锥度不得大于0.005mm,表面粗糙度Ra不得大于0.80～0.40μm,各轴颈的径向跳动不大于0.05mm;否则为不合格。当轴颈圆度大于0.050mm,锥度大于0.013mm,或者发现轴颈有拉伤、烧蚀等损伤时,都应进行修理。另外,曲轴轴颈加工后的尺寸不能达到轴颈公差范围的极限值,要留定范围给渗氮处理,如潍坊柴油机厂把曲轴主轴颈控制在D100-0+0..002003mm,杭州汽车厂把主轴颈控制在D1000-0.02mm。

(3)曲轴轴颈的磨削。曲轴轴颈是在曲轴校正的基础上,在专用的曲轴磨床上进行的。磨削曲轴时,必须保证主轴颈和连杆轴颈各轴心线的同轴度及两轴心线间的平行度,限制曲柄半径误差,并保证连杆轴颈相互位置夹角的精度。柴油机曲轴磨削时,常采用同心磨削法,保持曲柄半径不变,柴油机的压缩比不变,但每次的磨削量大。现在的汽车在使用期内,大修次数减少,用同心法可以确保发动机性能不变,提高修复曲轴的使用寿命。

在磨削曲轴轴颈时要仔细观察其表面有无裂纹,磨削结束后还要对曲轴进行探伤,尤其不允许轴颈圆角处有裂纹。修理曲轴时,要在圆角附近修整并对过渡圆角检查。通常主轴圆角半径应为6mm,曲拐颈圆角半径不小于5mm。如果圆角太小则不能完全消除应力集中,圆角过大影响连杆与曲轴的曲拐颈及曲轴与机体的轴向移动[3]。

3 使用表面强化工艺修复严重磨损的曲轴

如果回收的发动机曲轴磨损严重,磨削法无法修复,或者有微小裂纹,经磨削去除微裂纹后,截面积损失0.04mm,就需要选用曲轴的表面强化工艺来进行再制造。如果轴颈的实际磨损超出了维修参数的上限,可以在校直、检查、清洗后,采用埋弧焊、电刷镀、镀铁或喷涂的方法恢复曲轴尺寸到粗加工后尺寸,再进行磨削处理,达到修理尺寸。

(1)埋弧自动堆焊。实质是机械化的电弧焊,使用自动进给D1.5mm中碳弹簧钢丝(焊丝),使用含锰、硅含量高的431熔剂(又称焊药),使堆焊在熔剂层下进行,不露弧光。在堆焊以前应该预热曲轴到300℃,然后把曲轴置于堆焊机床上用电焊枪焊接。焊接后磨削,然后在570℃进行碳氮共渗,得到0.021～0.023mm的渗层,此时的轴颈硬度为HV600。但堆焊技术对前处理要求较高,如果处理不好,易产生裂纹和气孔,导致曲轴报废。

(2)无刻蚀镀铁技术。电流效率高、沉积速度快、镀层与基体结合强度高,镀层无需磨抛光处理。但由于内应力,镀层存在微裂纹,随着镀层厚度的增加而增加,且易分层,影响曲轴本身的性能,镀层硬度高降低了镀层的综合应用性能。另外如果镀层厚度大于2mm,在一个中修期后,裂纹就会严重扩展,导致曲轴报废[4]。成本较高,如果能够配合喷丸处理提高曲轴的疲劳强度则有较大的实用价值。

(3)电刷镀技术。刷镀铁工艺具有镀厚快、结合力良好(172N/mm)、硬度高(HV450-500)、镀层无需磨抛光处理、操作方便、成本低等优点,适用于磨损量不大的曲轴修复。但也有些不足,如镀前处理要求苛刻稍有疏忽,结合强度将大大降低,甚至出现镀层脱落[5]。

(4)热喷涂法修复。利用等离子射流将喷镀材料加热到熔化或接近熔化状态,喷镀在制品表面上形成保护层的方法。

喷涂前轴颈需进行如下的表面处理。

1)根据轴颈的磨损情况,在曲轴磨床上将其磨圆,直径一般减少0.50～1.00mm。

2)用铜皮对所要喷涂轴颈的邻近轴颈进行遮蔽保护。

3)用拉毛机对待涂表面进行拉毛处理。用镍条作电极,在6～9V、200～300A交流电下使镍铝合金熔化在轴颈表面上,形成过度镀层,再喷不锈钢丝。

4)将曲轴卡在可旋转的工作台上,调整好喷枪与工件的距离(100mm左右)。镍包铝(Ni/AL)为打底材料,耐磨合金铸铁(NT)与镍包铝的混合物为工作层材料;底层厚度一般为0.20mm左右,工作层厚度根据需要而定。喷涂过程中,所喷轴颈的温度一般要控制在150℃～170℃。喷涂后的曲轴放入150℃～180℃的烘箱内保温2h,并随箱冷却,以减少喷涂层与轴颈间的应力。

5)金属喷涂和基体的结合强度,低于50 N/mm。为了提高涂层的结合强度,需要对喷涂层进行激光重熔处理,使与基体呈机械结合的涂层转为冶金结合的致密涂层,但设备投资大。改变热喷涂工艺和热喷涂材料,可以制备耐磨、减摩、耐腐蚀的功能性涂层。热喷涂可以与机械手配合,形成能够批量化再制造曲轴的生产线。

(5)激光熔铸造技术。对磨损曲轴类零件的修复具有结合性强[6],无加工变形和表面硬度高,抗磨性能好的优点,可以配合热喷涂技术使用。喷涂态涂层在激光高功率密度下,经历了高温熔化快速凝固的过程,消除了涂层的扁平粒子搭接结构,形成了致密的锯齿状冶金结合。这种重熔层一般不超过1mm。使用热喷涂和激光熔铸技术修复的曲轴,使用寿命要超过新的曲轴,完全适用于曲轴的再制造加工。

4 提高疲劳强度的强化处理

(1)曲轴轴颈的渗氮处理

WD615热处理工艺是调质和表面氮化,在减级磨削后,氮化层被破坏,必须进行氮化处理或低温气体碳氮共渗工艺(气体软氮化处理)。气体氮碳共渗工艺包括前清洁预氧化软氮化油冷后清洁。氮碳共渗碳后氮化层深度不小于0.15～0.20mm,硬度可提高到HV500,耐磨性提高8倍,延长了约40%的使用寿命[7]。因为氮化温度较低,曲轴基本不变形,适合在精加工磨削后使用。

(2)圆角强化

因为曲轴圆角部位应力集中(如图1所示),此处的疲劳破坏是主要的失效形式。无论是减级还是恢复尺寸修复后的曲轴都应按照制造要求进行轴颈和圆角强化,恢复提高曲轴的疲劳强度[8]。通过滚轮对圆角进行滚压,使其表面产生塑形变形,形成硬化层[9]。由表及里产生压应力,从而提高弯曲疲劳强度。滚压滚轮的材料一般选用高速工具钢,硬度为60HRC,表面粗糙度为Ra0.10μm。要获得满意的滚压效果,滚轮圆角半径与曲轴半径要重合。滚压工艺为5～15m/min,当压力为100～150N时,工件滚3圈,当压力达到200N时,工件滚8圈,然后压力降为零。通过圆角滚压加工,强化深度可达到3mm,疲劳强度可提高100%～280%,表面粗糙度可提高1级。而且滚压工艺加工均匀,产生热量小,不会使表面产生烧伤、退火。根据多年的研究经验积累,对于锻钢或低合金钢曲轴,首选的强化工艺是圆角滚压,其次是圆角淬火。

(3)喷丸处理

如果对刷镀后的曲轴进行喷丸可以提高表面的残余压应力,从而提高曲轴40%的疲劳强度,弹丸直径是1mm,喷丸速度为50～70 mm/h。强化层可达到0.4～0.5mm。曲轴的疲劳强度可提高50%。

5 后处理

在磨削加工后,应该检查曲轴的油道孔,修复并做倒角处理。然后整个曲轴应做动平衡,达到动平衡要求。

使用数控砂带机抛光主轴颈、连杆颈和法兰、圆角及止推面提高表面质量和表面粗糙度,从而提高曲轴的疲劳强度。

6 结束语

对曲轴的再制造方法要考虑曲轴的材料、磨损程度和再制造成本。从生产应用上来看,磨损较少的直接使用减级修磨配合气体软氮化,成本低、效果好。磨损超过限制的,使用热喷涂和激光重铸,加以圆角强化后曲轴的使用寿命和新的轴颈效果相同。低温镀铁和刷镀配合喷丸处理也比较适用于曲轴再制造。

摘要：曲轴因工作环境恶劣,在实际工作中易发生弯曲、磨损,导致失效。为节约材料和能源,在发动机曲轴再制造加工中使用表面强化工艺恢复或提高曲轴的使用性能。

关键词：再制造,曲轴磨损,表面强化

参考文献

[1]母忠林.柴油机维修技巧与故障安全分析[M].北京:机械工业出版社,2009.

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[3]朱景建.柴油机曲轴修复后易断的原因分析[J].拖拉机与农用运输车,2005(6):26-29.

[4]邬华文.对柴油机曲轴修复的一些看法[J].内燃机车,2002(2):17-18.

[5]蒋静.内燃机车柴油机曲轴修复的探讨[J].铁道机车车辆,2006(12):58-60.

[6]刑辉,张晓萍.二氧化碳激光熔铸技术在氨压缩机曲轴修复中的应用[J].化工设备,2002,10(5):39-40.

[7]邬华文,宋丽.DF 4B型机车柴油机曲轴裂损问题浅析[J].内燃机车,2003(10):12-23.

[8]汪学明.汽车曲轴强化处理的工艺方法[J].汽车工艺与材料,1999(8):11-13.

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发动机曲轴变形的检验与修复 第7篇

一、故障原因

(1) 柴油机工作不平稳, 各轴颈受力不均衡。

(2) 柴油机突然超负荷工作, 使曲轴过分受振。

(3) 柴油机经常发生“突爆”燃烧, 使曲轴经常受冲击载荷。

(4) 修理装配质量较低, 曲轴轴承和连杆轴承间隙过大, 工作时受到冲击。

(5) 曲轴轴承松紧不一, 中心线不在一条直线上。

(6) 汽油机点火时间过早或火花塞经常有一二只不跳火。

(7) 活塞连杆组或平衡铁及飞轮不平衡产生附加惯性力和惯性力矩, 引起机组振动大。

(8) 曲轴端隙过大, 运转时前后移动。

(9) 曲轴的扭曲变形, 多数原因是个别活塞卡缸造成的, 如个别缸塞间隙过小, 或活塞受热后膨胀过大, 使活塞运动阻力过大, 甚至卡缸, 将导致曲轴的扭曲。在拖拉机挂车时, 起步过猛和紧急制动未踏下离合器等原因, 都会引起曲轴的扭曲变形。

预防曲轴变形就要从曲轴产生变形的原因入手, 主要应从提高使用操作水平, 避免过大的冲击载荷, 及时保养维修, 以保证发动机始终在良好工况下工作, 从提高修理和装配质量等方面着手。

二、检验

曲轴弯曲的检验, 可在曲轴磨床上或在平台上用“V”型铁将曲轴架起, 用百分表测量检查。

检查弯曲时, 将百分表触针放在中间一道主轴颈上, 并使指针对正表盘零线。然后将曲轴慢慢转动一周, 则百分表上指针摆动的一半即为曲轴的不直度。曲轴的不直度不应大于0.05 mm。若大于此值时, 但仍在0.1 mm之内, 则不直度可以结合轴颈光磨加以消除。当不直度大于0.1 mm时, 必须进行冷压矫直。

检查曲轴的扭曲时, 同样需要把曲轴置于“V”型铁上或安装在机床顶尖上。使同位连杆两轴颈 (如6个气缸曲轴的I、VI缸连杆轴颈;4个气缸曲轴的I、VI缸连杆轴颈) 位于上止点, 再用高度百分尺测量同一水平面内两连杆轴颈的高度, 其高度之差即为曲轴的扭曲量。差值越大, 说明扭转角越大。如扭转角大于30°, 要进行校正。当曲轴扭曲轻微时, 可以通过轴颈表面光磨予以消除。如扭曲量大, 则必须另行校正。

三、校正方法

大修入厂修理的曲轴均存在不同程度的弯曲变形。一般来说, 曲轴变形都是小范围的塑性变形。即使如此, 也必须进行曲轴的矫直处理。曲轴的矫直应满足以下要求:第一, 曲轴的同轴度和允许跳动量达到规定要求;第二, 矫直后曲轴的技术性能不下降;第三, 曲轴的弯曲率不宜超过1.5mm/m。矫正弯曲率大于1.5mm/m的曲轴具有较大风险。

1. 冷压校正

将曲轴用V型铁架住主轴颐, 从弯曲相反方向加压, 在压头与主轴颈之间垫一铜块。由于曲轴富有弹性, 压弯量应为曲轴弯曲量的10~15倍, 并保持2 min, 再撤除压力。如果弯曲量较大 (超过1 mm) , 则应分数次校正, 以免一次加压过大而引起反向变形。

冷压校正的效果不够稳定, 曲轴工作时易恢复原来的变形。同时校正后会在轴颈表层产生塑性变形和残余内应力, 造成应力集中。

2. 敲击校正

对弯曲度不大的曲轴, 可以采用“表面敲击”法进行校正。可根据曲轴弯曲的方向和程度, 用球形手锤或气锤沿曲轴臂部的左右侧进行敲击, 使曲轴臂部变形, 从而使曲轴轴线发生位移, 达到校正曲轴的目的。

3. 就机校正

把气缸体倒放在工作平台上, 在前后两轴承座上仍装上旧轴承 (瓦) , 中间轴承则拿掉。在轴承上加注少许润滑油, 然后将曲轴放上, 在缸体边沿装置百分表。用手轻轻转动曲轴, 在中间轴颈测出弯曲的最大位置, 用粉笔做上记号, 再将轴承盖衬垫软铝或其他软质物品垫实, 卡住轴颈, 慢慢扭紧曲轴轴承盖螺栓。等大约1 h的时间, 把螺栓松开, 用百分表测验是否校正, 如未达到允许标准, 继续再校, 直至符合要求为止。

4. 热烘顶压法

在弯曲处的曲柄臂之间加一顶压螺栓, 按直线度数值的大小, 向弯曲的相反方向顶压, 具体顶弯多大, 应由实际经验而定。然后在顶压螺栓两旁曲柄臂上, 用喷灯均匀加热至300℃左右, 待曲轴冷却后, 拆除顶压螺栓, 检查曲轴直线度。如此反复进行, 直到将曲轴校直为止。上述加热其目的是加速变形, 稳定校直效果, 减少残余变形, 从而减少了弹性回复。

5. 磨削校直法

对直线度大于0.06 mm或小于0.10 mm的曲轴, 通常在曲轴的修磨过程中进行校直。

发动机曲轴静态性能和模态分析 第8篇

本文以EQ6102柴油机为研究对象, 采用有限元分析方法对曲轴整体模型进行了应力和变形分析, 从而确定了曲轴的最大受力部位和最大变形部位。然后又对单拐模型进行了应力应变分析。最后, 对曲轴进行了模态分析。

曲轴有限元分析模型的建立

1.曲轴整体模型建立

根据经验, 曲轴受力最大处在连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处。考虑到这些因素, 在对曲轴实体建模时忽略曲轴结构中的小圆角、油孔和螺栓孔, 以及加工时的退刀槽。如果在曲轴模型建造时考虑这些因素, 则会使有限元的网格非常密, 大大增加了节点方程的个数, 继而增加了数据准备的工作量和计算机求解时间, 并造成单元形状的不理想, 求解累计误差增大, 反而降低了求解精度。

由于模型经过如上的简化, 使得三维实体模型的建立变得简单, 本文用ANSYS Workbench中的Design Modeler模块, 根据草图中的几何结构尺寸, 直接建立三维实体模型如图1所示。

2.定义材料属性

本文所述曲轴的材料的机械特性见表1。

3.网格划分

(1) 单元类型的选择单元类型的选择至关重要, 它要考虑下列因素:

1) 单元能够很好地反映所要计算的物体。

2) 单元必须要有较高的计算精度。

3) 单元必须尽可能地节约计算时间。

基于以上原则, 本文采用四面体单元对曲轴进行自由网格划分, 每个节点有3个自由度:X、Y和Z方向位移。并且该单元刚度矩阵简单, 能够适应像曲轴这样的复杂几何体。

(2) 网格疏密在理想的情况下, 用户需要的网格密度是结果不再随网格的加密而改变的网格密度。因此, 经过反复调试, 得出理想的单元尺寸和Relevance值。Relevance=-92, Element size=4mm。

划分后的曲轴有限元网格中曲轴模型共有113 251个节点, 60 804个单元。

4.连杆轴颈载荷的确定

根据实际经验, 曲轴在受到最高爆发压力时的应力和变形最大。本文取第3缸和第4缸点火时进行计算。根据柴油机的结构参数、示功图以及曲柄连杆机构分析计算得到最高爆发压力时连杆径向载荷的数值, 位置在上止点后7.5°, 同时可算出随后曲轴转过120°、240°、360°、480°和600°时连杆轴颈载荷受力值, 见表2。

由于曲轴主要是因弯曲而破坏的, 因此对曲轴受到飞轮处的扭转力可暂不考虑, 为简便起见, 可假设对发火的气缸, 当活塞处于上止点位置时连杆轴颈载荷达到最大值Pa, 对六缸发动机只需考虑各个气缸分别处于压缩终了活塞在上止点位置时的受力状况即可, 发动机各缸的发火顺序为1-5-3-6-2-4, 可将曲轴的受力状况用图形表示出来。

5.边界条件的处理

连杆轴颈上的均布压强见表3。

考虑曲轴惯性力的影响, 输入以额定转速2500r/min时的角速度261.7rad/s, 有限元程序会自动将惯性力加在每一个节点上。

6.边界条件的处理

主轴颈受到轴承支承力的作用, 可对主轴颈的处理上采用约束方案, 即在主轴颈表面上施加径向约束。本文中将主轴承对曲轴的支承视为弹性支承。在ANSYS Workbench中也可以方便地施加弹性支承。取弹簧刚度K值为6107N/mm进行计算, 这一刚度值接近于主轴承的实际刚度值。施加弹性支承时, 注意应将弹簧刚度值 (N/mm) 转化为相应的Foundation Stiffness值 (N/mm3) 。曲轴可简化为一端固定、一端滑动的简支梁结构, 将功率输出端面上的3个方向的自由度约束, 对于自由端面约束其径向位移为零。

曲轴静态性能分析

1.整体曲轴分析

传统的方法多是采用单拐或是1/2曲拐模型, 这种模型不能很好地确定两端面的边界条件, 忽略了相邻曲拐的影响, 误差较大。也有学者把曲轴简化为连续梁模型, 这种简化也有一定的局限性, 虽然考虑了相邻曲拐的影响, 但不能反映出轴颈与曲臂之间过渡圆角处的受力情况。

(1) 变形分析第3缸点火时变形如图2所示, 最大变形处位于第二平衡重最下端处, 变形量为0.09mm。

第4缸点火时变形如图3所示, 最大变形处位于第三平衡重最下端处, 变形量为0.08mm。

通过对第3缸和第4缸点火时的变形分析可得出, 在第3缸点火时, 变形量最大, 变形量为0.090351mm。最大变形量很小, 能够满足刚度要求。

(2) 应力分析第3缸点火时应力如图4所示, 最大应力位于第三曲拐与第三轴颈过渡圆角处, 最大应力值为133.31MPa。

第4缸点火时应力如图5所示, 最大应力位于第四曲拐与第四轴颈过渡圆角处, 最大应力值为127.71MPa。

通过应力图可以看出, 应力集中的部位在曲柄臂与主轴颈、曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处, 这与实际情况相符。应力最大值出现在第3缸爆发时刻, 最大应力位于第3曲拐与第3轴颈过渡圆角处, 最大应力值为133.31MPa。

2.单拐分析

(1) 单拐网格划分取element size为4mm, 划分后如图6所示, 节点数为37 843, 单元数为21 757。

(2) 边界条件的确定载荷的施加与整体曲轴模型分析相似, 载荷沿轴颈圆周120°方向按均匀分布的方式施加。

约束连杆轴颈中心横截面节点Z向位移, 主轴颈弹性约束, 并固定主轴颈一侧端面。

(3) 单拐计算结果分析由图7可知, 受压工况下最大变形位于平衡重最下处, 变形为0.051 573 mm。由示意图8可知, 压工况最大应力位于过渡圆角处, 其值为122.67 MPa。

由示意图9可知, 拉工况最大变形位于平衡重最下处, 变形为0.008 670 2mm。由图10可知, 拉工况最大应力位于过渡圆角处, 其值为19.499 MPa。

比较拉、压工况的计算结果, 在压工况时, 最大变形和应力都大于拉工况。最大变形为0.051 573 mm, 最大应力为122.67MPa。这两个值均小于整体曲轴分析中所得到到最大变形和应力值。因此, 肯定能够满足强度要求。

曲轴模态分析

计算模态分析是否要加约束, 或以什么方式施加约束取决于所需考察的频率。因为所施加的约束不同, 会影响到系统的刚度, 从而会影响计算出来的频率。由于本文主要考虑的是曲轴在发动机运转时是否会发生共振的问题, 计算的是曲轴的固有频率, 为模拟该自由状态, 不附加任何约束与力来计算曲轴的自由模态。

1.固有频率分析

曲轴处于自由状态下来进行模态分析, 即自由模态分析。三维结构在无约束边界条件下的模态分析计算出来的前6阶接近于零, 即所谓的刚体模态, 因此真正的第一阶模态应该是第7阶。本文在利用workbench软件进行模态分析时, 扩展并提取曲轴的前10阶谐次。

由振动理论可知, 在结构的振动过程中, 起主要作用的是较低固有频率所对应的振型, 较高频率所对应的振型在振动过程中对结构的振动影响较小, 并且由于结构中阻尼的存在, 高频率所对应的振型将迅速衰减。因此, 在求解模态中, 选取曲轴前10阶振型进行分析。

2.振型图分析

由图11计算结果和曲轴模态振型可知, 在曲轴的前10阶次中, 其最低频率是144.49Hz, 随着阶次的上升, 其频率也相应增加。另外从发动机各部件之间动态干扰的可能性这个角度来说, 考虑到该发动机的转速范围是1 000~3 000r/min, 其基频为16.67~50Hz, 而该曲轴的最低谐次频率远高于基频, 避开了共振频率, 因此, 该曲轴的动态性能已满足, 曲轴的结构设计是合理的。

第1、第2阶频率分别为144.49Hz和167.04Hz, 主要表现为曲轴沿主轴颈的Y向弯曲, 曲轴两端的弯曲方向相同。

第3阶频率分别为378.68Hz, 主要表现为曲轴绕主轴颈的X向弯曲, 曲轴两端的弯曲方向相反。

第4阶频率为412.59Hz, 振主要表现为曲轴绕主轴颈的Y向弯曲, 曲轴两端的弯曲方向相反。

第5阶频率为456.34 Hz, 主要表现为曲轴两端做大幅度水平摆动。

第6阶频率为594.97Hz, 表现为曲轴绕主轴颈的扭转和弯曲。

第7阶频率为679.59Hz, 主要表现为曲轴沿主轴颈的2阶纵向弯曲。

第8阶频率为736.63Hz, 表现为曲轴各曲拐做大幅度水平摆动和弯曲。

第9阶频率为957.82Hz, 表现为各曲拐作水平方向的2阶弯曲, 作扭转, 作小幅度水平摆动。

第10阶频率为1 068.6Hz, 表现为曲轴的弯曲和扭转。

结语

本文应用ANSYS Workbench软件建立了曲轴的三维有限元模型, 对模型做了一些细节的简化, 可以模拟真实的曲轴, 并进行了曲轴的静态特性分析和模态分析, 得到了曲轴的静力与动力学特性, 为曲轴设计奠定了基础。

1) 应用ANSYS Workbench软件建立曲轴的三维实体模型, 并对曲轴进行网格划分和边界条件的施加, 进行了基于有限元方法的曲轴静态特性分析, 得到了曲轴的变形和应力状态。结果表明, 不论整体模型分析还是单拐模型分析, 应力集中现象都发生在曲柄与轴颈的过渡圆角上, 且曲轴的强度均满足设计和运行工况的要求。