396柴油机曲轴结构设计及工艺分析开题报告

中 北 大 学 毕业设计开题报告 学学 生生 姓姓 名名：刘夺学学 号号：0701024118 学学院院、系系：机电工程学院车辆与动力工程系 专专业业 ：热能与动力工程 设设 计计 题题 目目：396 柴油机曲轴结构设计及工艺分析 指 导 教 师指 导 教 师 :张艳岗 2011 年 3 月 7 日 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文 献综述： 文文 献献 综综 述述 1.1 本课题的目的及意义 曲轴是发动机对外输出动力的核心部件， 是驱动车、 船等运输工具的重要动力来源。 曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动 机的配气机构以及其他辅助装置 1。曲轴的工作情况是极其复杂的，它是在周期变化的 燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及它们的力矩作用下工作的，因此承受着扭转 和弯曲的复杂应力。 曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件，也是内燃机五大件（机体、缸 盖、曲轴、凸轮轴、连杆）中最难以保证加工质量的零件 2，发动机曲轴作为重要运动 部件，同时因曲轴工况及其恶劣，因而对曲轴材料、曲轴尺寸精度、表面粗糙度、热处 理和表面强化、动平衡等要求十分严格。其中任何一个环节的质量对曲轴的寿命和整机 的可靠性都有很大的影响。因此世界各国对曲轴的加工都十分重视，不断地改进曲轴加 工工艺，最大可能地提高曲轴寿命 3。在大批量生产的条件下，传统工艺已不能满足当 前设计和生产需求，在长时间、高速运转下，曲轴极容易过早出现失效或断裂，严重影 响曲轴的寿命和整机可靠性 4。曲轴的主要失效形式是轴颈磨损和疲劳断裂5，内燃机 曲轴部分的结构形状和主要尺寸对内燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有重要影响， 因而在内燃机曲轴设计时，必须对内燃机的结构强度问题予以充分重视 6。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 1.2.1 曲轴结构设计 1.2.1.1 曲轴的材料 根据曲轴工作在发动机过程中承受弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力，要求具有 较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度及耐磨性，芯部具有一定的韧性。即具有很高的 疲劳强度、耐磨性和高淬透性，且进行强化处理时变形小，高温下具有高的蠕变强度 4。 随着发动机性能的提高，对曲轴的原材料及加工工艺提出新的要求，现代车用发动 机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本 1/3 左右,且球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理想的结构形状，并且和钢质曲轴一样可 以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。所以球墨 铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材 质的比例在美国为 90%,英国为 85%，日本为 60%，此外，德国、比利时等国家也已经大 批量采用。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴 85%以上 采用球墨铸铁，而功率在 160kW 以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴 5。 我国球铁曲轴的生产继 QT600-2、QT700-2 之后，现已能稳定地生产 QT8002、QT900 -2 等几种牌号，目前已能大批量生产 QT800-6 球铁曲轴。但从整体水平来看，存在生产 效率低，工艺装备落后，毛坯机械性能不稳定、精度低、废品率高等问题 7。 1.2.1.2 曲轴结构设计 曲轴结构设计在过去的几十年中得到了飞速的发展。 在曲轴的设计初期一般是按照 已有的经验公式计算或者与已有的曲轴进行类比设计， 在进行了初步的设计后造出曲轴 样品再进行试验，通过实验数据进行适当的改进。曲轴设计发展到今天已经有了很大的 发展。随着内燃机向高可靠性、高紧凑性、高经济性的不断发展，传统的以经验、试凑、 定性为主要设计内容的设计方法已经不能满足要求，而随着电子计算机技术的不断发 展，内燃机及其零部件的设计已经发展到采用包括有限元法、优化设计、动态设计等现 代先进设计技术在内的计算机分析、预测和模拟阶段。有限元法是最有效的数值计算方 法之一，它使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一步 8。 （1）在设计内燃机曲轴时，应根据内燃机的工作条件，选择不同的结构设计方案。 内燃机曲轴结构设计方法大致如下： 选择确定结构形式：整体锻造曲轴、整体铸造曲轴、组合曲轴。 确定润滑油道 曲轴主轴颈和曲柄销一般采用压力润滑。润滑油由主油道送到各主轴承，在经曲轴 内润滑油道进去连杆轴承。当主轴承为滚动轴承时，润滑可从假轴承进入曲轴内腔，再 分配到各有关轴承。在决定主轴承和曲柄销上的油孔位置时，主要考虑应保证供油压力 和油孔对曲轴强度的影响程度。 确定曲轴平衡块形式 平衡块用来平衡曲轴的不平衡惯性力和力矩， 减轻主轴承载荷以及减小曲轴和曲轴 箱所受的内力矩。但曲轴配置平衡块后重量增加，将使曲轴系统的扭振效率有所降低。 因此应根据曲轴结构、转速、曲柄排列等因素来配置平衡块和平衡精度要求。平衡块可 与曲轴制成一体，也可与曲轴分开制造后再进行装配 9。 （2）曲轴结构形式的选择 曲轴结构形式与其制造方法有直接关系，在进行曲轴设计时必须同时进行。曲轴有 整体式和组合式曲轴两大类 10。而摩托车发动机常采用组合式曲轴，这是因为其加工简 单，不需要大规模锻模具设备，它由曲轴左半部、曲轴右半部及曲轴销组成。通过液压 压入的方法将其结合起来。本设计中采用滚动轴承做主轴承。这是因为使用它具有以下 优点： 可以采用隧道式曲轴，保证曲轴箱有较高的强度和刚度； 可以减少摩擦损失，提高机械效率，因而使燃料消耗下降； 发动机启动较为容易，尤其在气温较低的时候； 采用滚动轴承后，对主轴的润滑较易实现。 1.2.2 曲轴工艺分析 1.2.2.1 曲轴的机械加工技术 曲轴主轴颈的粗加工、半精加工工艺和精加工工艺，大体分为以下几种： （1）传统的曲轴主轴颈的多刀车削工艺。 生产效率和自动化程度相对较低。 粗 加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应 力，难以达到合理的加工余量。一般精加工采用曲轴磨床，通常靠手工操作，加工质量 不稳定，尺寸的一致性差。 （2）数控车削工艺。数控车削设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具，但只适合 小批量生产。 （3）数控内铣铣削工艺。 内铣设备价格较高，刀具费用也很高，但适合大批量生 产。 （4）数控车拉、数控车车拉工艺。其突出优点是可对宽轴径进行分层加工， 切削效率高，加工质量好，但车拉刀具结构复杂，技术含量高，并且长期依靠进口，好 处是可集车车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序于一起。 （5） CNC 高速外铣工艺。 数控高速外铣是 20 世纪 90 年代新兴起来的一种新型加工 工艺，其应用范围广，特别双刀盘数控高速外铣以其加工效率高、加工质量稳定、自动 化水平高， 已成为当前是曲轴主轴颈粗加工的发展方向 11。 就比较而言,CNC 车车拉工 艺加工连杆轴颈要二道工序， CNC 高速外铣只要一道工序就能完成， 切削速度高(目前最 高可达 350m/min )、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、 刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。如德国 BOEHRINGER 公司专为汽 车发动机曲轴设计制造的柔性的高速随动数控外铣床 VDF315OM- 4 型，该设备应用工件 回转和铣刀进给伺服连动控制技术， 可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲 轴的轴颈。其采用一体化复合材料结构床身，工件两端电子同步旋转驱动，具有干式切 削、加工精度高、切削效率高等特点；使用 SIEMENS840D CNC 控制系统，设备操作说明 书在人机界面上， 通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序， 可以加工长度 450 700mm、回转直径 380mm 以内的各种曲轴轴颈直径误差仅为0.02mm 12。 （6）数控曲轴磨削工艺。 精加工使用数控磨床，采用静压主轴、静压导轨、静压 进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制等控制装置， 使各尺寸公差及形位公差得到可 靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈 表面粗糙度至少提高一级精度。如 GF70M- T 曲轴磨床是日本 TOYADA 公工机开发生产的 专用曲轴磨床，是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲 轴磨床。该磨床应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲 轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削；采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮 头架) 和线性光栅闭环控制，使用 TOYADA 工机生产的 GC50CNC 控制系统，磨削轴颈圆 度精度可达到 0.002mm；采用 CBN 砂轮，磨削线速度高达 120m/s，配双砂轮头架，磨削 效率极高 5。 1.2.2.2 曲轴的强化工艺技术 目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有如下几种: （1）氮化处理。氮化能提高曲轴疲劳强度的 20%60% 13。 （2）喷丸处理。曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度 20%40%。 （3）圆角与轴颈同时感应淬火处理。该强化方式应用于球铁曲轴时，能提高疲劳 强度 20%，而应用于钢轴时，则能提高 l00%以上 14。 （4）圆角滚压处理。球铁曲轴经圆角该压后寿命可提高 120%300%，钢轴经圆角 液压后寿命可提高 70%150%。曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚 压校正两部分 15。 （5）复合强化处理。它是指应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，球墨铸铁曲 轴采用圆角该滚压工艺与离子氮化工艺结合使用， 可使整个曲轴的抗疲劳强度提高 130% 以上 16。 参考文献参考文献： 1陈家瑞汽车构造第五版北京：人民交通出版社，2008：55 2 倪计民.汽车内燃机原理.上海：同济大学出版社，1996：120 3李海国国内外内燃机曲轴制造技术现状及发展趋势制造技术与机床，2003,8 4杨厚忠曲轴工艺发展及研究汽车与配件，2010,（10） 5姜洪宇，黄春元国内外曲轴加工技术的现状及发展.黑龙江科技信息，2008， （3） 6邵立新，段立霞.内燃机曲轴结构设计的方法.农机使用维修，2008,（3） 7王一治. 国内外曲轴制造工艺综述.山东农机，2001， （5） 8徐兀. 汽车发动机现代设计.人民交通出版社 , 1995：120125 9长春汽车研究所.国外柴油机曲轴强度研究.北京：第一机械工业部科学技术情报 研究所,1980 10彭丽华.内燃机曲轴制造技术新论.精密成形工程.2004， （2） 11Zhang Mei.Research on a new remeshing method for the 3D FEM simuluation of blade forging.Journal of Materials Processing Technology.1999,94：231234 12 Grip.P.M.The Computer-Aided Design of Modular Fixturing Systems. The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology.2001,(2):7588 13彭丽华.内燃机曲轴制造技术新论.精密成形工程.2004， （2） 14韩爱礼曲轴铣削加工工艺现状及设备加工技术，1999， （5） 15侯德政，彭再思雪佛莱 350 系列曲轴锻造工艺设计研究. 金属加工，2006， （3） 16 J.H.Song，Y.T.Im.Development of a computer-aided-design system of cold forward extrusion of a spur gear.Journal of Materials Processing Technology.2004:821828 设设 计计 开开 题题 报报 告告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： 2.1 本课题要研究或解决的问题 （1）分析 396 柴油机的工作条件，根据已知参数对 396 柴油机曲轴进行结构设计 并校核其刚、强度； （2）分析曲轴加工的基本方法，完成所设计曲轴的加工工艺分析，并制定加工工 艺卡片。 2.2 拟采用的研究手段 （1）查阅原始资料，熟悉曲轴结构设计的方法及曲轴工艺技术。 （2) 根据曲轴的工作条件和396柴油机工作参数对曲轴进行结构设计及强度校核。 （3）利用曲轴材料和工况分析曲轴的加工工艺。 （4) 根据分析的各项数据绘制二维工程图纸并制作工艺卡片。 2.3 毕业设计工作进度计划毕业设计工作进度计划 2011.02.21-2011.03.15查阅