第11章动力机与变速机构

1、第11章 动力机与变速机构 11.1汽缸及相关零件汽缸是汽车、拖拉机、内燃机车等重要的动力产生设备，其主要不但要承受反复冲击、磨损，同时还受到高温气体的腐蚀作用。因此其主要零件要求耐冲击性好、耐磨性高、抗疲劳性好、还要求一定的高温性能。11.1.1活塞内燃机活塞不但要承受反复运动的载荷变化、活塞与缸壁产生摩擦，还要承受长期高温气体的作用。为了减轻活塞重量引起的能量消耗，一般选用铝合金。内燃机活塞选用的铸造铝合金的牌号与力学性能见表11.1。表11.1 内燃机活塞选用的铸造铝合金的牌号与力学性能牌号铸造方法热处理状态力学性能，不低于b/MPa5/%硬度HBSZAlSi12Cu2Mg1JT1195

2、-85T6225-90ZAlSi12Cu1Mg1Ni1JT11950.590T6245-100ZAlSi5Cu6MgSF125-80T1145-80JF155-80T1165-90ZAlZn6MgST1215465JT1235470注：S指砂型铸造，J指金属型铸造。F指铸造态，T1指自然时效，T6指固溶处理后进行人工时效。11.1.2活塞环和汽缸套11.1.2.1工作条件活塞环在高温高压的燃气介质中往复运动，在润滑不良的条件下，与汽缸套发生激烈的摩擦。随着发动机性能的提高，活塞环的工作条件更为恶劣。活塞环的主要失效形式是磨损、擦伤和疲劳断裂，汽缸套的主要失效形式为磨损、擦伤。所以，活塞环和汽缸

3、套在高温下应保持足够的强度和弹性、具有一定的抗擦伤、抗磨损、耐腐蚀性能，并要求一定的韧性和抗疲劳性能。11.1.2.2活塞环 内燃机活塞环对选用材料的要求及满足要求的材料见表11.2。表11.2 内燃机活塞环对选用材料的要求及满足要求的材料级别力学性能满足要求的材料弹性模量E/GPa最小抗弯强度bb/MPa材料类型最小硬度热处理及组织要求细级别1090300灰铸铁93HRB不进行热处理1110035095HRB1220115450灰铸铁23HRC热处理2145028HRC2245040HRC2350032HRC2413065037HRC2530145550耐磨铸铁25HRC热处理，珠光体315

4、0030HRC热处理，马氏体3240160600可锻铸铁95HRB热处理，珠光体4160022HRC热处理，马氏体4260030HRC热处理，马氏体43100027HRC热处理，碳化物44501601100球墨铸铁23HRC热处理，马氏体51130023HRC热处理，马氏体52130028HRC热处理，马氏体53130095HRB铁素体54-97HRB珠光体55602000-钢38HRC铬钼钒合金6140HRC铬硅合金6248HRC铬硅合金63（1）铸铁1）灰铸铁灰铸铁导热性好、减摩性、耐磨性和抗擦伤能力都很好。活塞环常选用的灰铸铁牌号及力学性能见表11.3。表11.3 灰铸铁的抗拉强度牌号H

5、T150HT200HT250HT300HT350抗拉强度b /Mpa(不小于)150200250300350 2）耐磨铸铁由于加入合金元素，在铸铁基体上形成很多细小的硬质点，从而可提高合金的耐磨性。活塞用耐磨铸铁的及其有关性能见表11.4。表11.4 活塞用耐磨铸铁的牌号及其有关性能材料力学和物理性能弹力消失率/%应用类别名称硬度HRB硬度差HRB抗弯强度bb/MPa弹性模量E/GPaE/bb残余变形/ %钨系铸铁钨铸铁1011033.046988.41905.322.6汽车、拖拉机活塞环钨钒钛铸铁1001023.0485951964.225钨铬钼铸铁981023.050076.483.415

6、01685.61025钼铬系铸铁钼铬铸铁991023.044874.31646.025汽车、拖拉机活塞环钼铬铸铁981083.05501001402201018柴油机活塞环钼铬铜铸铁961073.06001001302201018柴油机、压缩机活塞环钼铬铜铸铁981053.06001001402201018大型船用柴油机活塞环钼铬铜钛铸铁981053.05501001402201018柴油发动机活塞环镍铬系铸铁镍铬钼铸铁981073.05501001302202004002202802004002230柴油机缸套磷铬铜铸铁2504701902402004002230汽车、拖拉机缸套磷铬钼铸铁2

7、50470240280190-汽车缸套硼铸铁250470-中小型柴油机缸套铌铸铁不低于HT250210-载重汽车缸套11.1.2.4活塞环的热处理（1）铸铁活塞环和缸套、螺旋撑簧铸铁活塞环加工成与椭圆后，应进行去应力退火，以消除铸造应力和加工应力。铸铁活塞环和缸套、螺旋撑簧的去应力退火工艺见表11.9。表11.9 铸铁活塞环和缸套、螺旋撑环的热处理工艺活塞环类型去应力退火工艺定形铸铁活塞环和缸套510550保温2h后空冷或炉冷到480后空冷610630保温4580min螺旋撑簧350400保温12h后空冷-（2）钢带环钢带制刮环进行淬火、回火和热定形工艺见表11.10。表11.10 钢带制刮环

8、进行淬火、回火和热定形工艺材料牌号淬火温度/回火温度/热定形温度/时间/min硬度HRAT8A850870370390370390120747865Mn8608803804003804001207478(3)球墨铸铁球墨铸铁活塞环的热处理工艺见表11.11。加热温度/保温时间/min淬火介质回火温度/回火保温时间88090040606080油冷5006009012011.1.3 活塞销11.1.3.1活塞销工作条件及材料选用活塞销连接活塞和连杆的小头，在较高温度下承受非对称交变载荷和一定的冲击载荷，其表面润滑条件较差。活塞销的主要失效形式是表面磨损和疲劳断裂。所以，活塞材料要具有足够的强度、韧

9、性、耐磨性及抗疲劳性。活塞销通常采用渗碳钢制造，活塞销应用材料见表11.12。表11.12 活塞销应用材料应用材料汽缸直径不大于200mm的内燃机20、15Cr、20Cr、20Mn2内燃机车柴油机12CrNi3A、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi、20Cr船用柴油机15、20*、15Cr、20Cr*注：带*号的20、20Cr的含炭量不超过0.22%。11.1.3.2活塞销材料的力学性能 活塞销材料的力学性能见表11.13。表11.13 活塞销材料的力学性能牌号试样直径/mm热处理力学性能，不小于高温回火硬或退火HBS1525920正火37522527551432025910正火41024

10、5255515615Cr15880水淬或油淬+200回火735490114517920Cr15880水淬或油淬+200回火835540104017920Mn225850880水淬或油淬+200440785590104018712CrNi3A15860870油淬+200回火930685115021718Cr2Ni4WA159500水淬或油淬+2004401175830104526920CrMnTi15850空冷+20回火1080830104521711.1.3.3活塞销的渗碳处理和热处理活塞的渗碳处理和热处理见表11.14和表11.15。表11.14 15、20号钢活塞的渗碳处理和热处理牌号渗碳

11、处理渗碳温度/淬火温度/冷却剂回火温度/淬火后硬度HRC15900950770800水150200566220900920780800水1502005862表11.15 合金结构钢活塞的渗碳处理和热处理牌号渗碳处理淬火+回火渗碳温度/一次淬火温度/二次回火温度/降温淬火温度/冷却剂回火温度/硬度HRC淬火温度/淬火剂淬火后硬度HRC回火温度/回火后硬度HRC15Cr900920860890780820870水、油180200表面56，心部40870水35150200343520Cr890910860890780820-水、油170900表面5862860880水、油28150200262820

12、Mn2910930850870770800770800水、油1501755459860880水、油40-12CrNi3A900930860780810-油150200表面58，心部26860油43150200444518Cr2Ni4WA900920-840860油或空气180200表面5662850油46150200414220CrMnTi930950870890860880830850油180200表面5662880油4246150200414511.1.4连杆11.1.4.1工作条件与选用材料连杆的小头与活塞连在一起作往复运动，大头与曲轴一起作旋转运动，干涉做复杂的平面摆动。连赶在工作时承

13、受交变拉、压应力和弯曲应力，常在杆身中段、小头和杆身的过渡区、大头和杆身的过渡区发生疲劳断裂。其选用材料及硬度要求见表11.16。 表11.16 连杆选用材料及硬度要求材料热处理要求硬度HBS结构钢40调质21729345调质22328045Mn调质-40Cr调质22328140MnB调质22926945Mn2调质22926935CrMo调质25032042CrMo调质29933118Cr2Ni4W调质23136342SiMn调质22328155锻造余热+退火230270非调质钢35VS10501220锻造后，60100/min冷却-35MnV(N)-35MnVS-4-0MnV-43MnS-2

14、1725511.1.4.2 力学性能 连杆用材料的力学性能见表11.17。表11.17 连杆用材料的力学性能材料试样直径/mm热处理力学性能，不小于交货硬度HBS,不大于b /Mpa0.2/Mpa5/%/%ak/Jcm-2Ak/J(非调质钢)未热处理退火结构钢4025调质57033519459.52171874525调质60035516407.922919745Mn25调质62037515407.924121740Cr25调质9807809459.5-20740MnB25调质98078010459.5-20745Mn225调质88573010459.5-21735CrMo25调质9808301

15、24512.8-22942CrMo25调质1080930124512.8-21718Cr2Ni4W15调质1175830104544.1-26942SiMn25调质885730154026.55525调质6453801335-255217非调质钢F35V-590390184047229F35MnV-735460173537257F35MnVN-785490154039269F40MnV-785490154036275F45V-68544015403225711.1.4.3连杆的热处理非调质钢连杆热成形后，主要要注意冷却速度，一般不再进行热处理。结构钢连杆要进行调质处理，工艺参数见表11.18。

16、表11.18 结构钢连杆的调质处理工艺参数牌号淬火回火温度/冷却介质淬后硬度HRC温度/回火后冷却方式回火后硬度40840860水55600650空冷202345810840水58580650空冷202355820840水63600650空冷212440Cr830860油55600650空冷242840MnB820860油55600650空冷272845Mn810840油或水5460600650空冷-45Mn2810840油58600650雾冷202235CrMo840860油55600650空冷242842CrMo830850油55600650空冷313542SiMn840860油55600

17、650空冷222718Cr2Ni4W840860油46600650空冷222411.1.4.4应注意问题（1）连杆调质处理后的显微组织应为均匀的细晶索氏体，不允许有片状和非金属夹杂，脱碳层深度在工字形表面不得大于0.10mm。（2）连杆热处理后的力学性能为，抗拉强度b735Mpa，屈服强度s539Mpa，冲击韧性ak58.8J/cm2。（3）连杆调质处理后应进行喷丸处理。11.1.5 曲轴11.1.5.1材料和力学性能 曲轴主要承受交变的弯曲-扭转载荷和一定的冲击载荷，其轴径表面还受到磨损。在使用过程中，曲轴的失效为疲劳断裂和轴径表面严重磨损。制造曲轴主要采用锻钢和球墨铸铁，选用的主要牌号及其

18、力学性能见表11.19。表11.19 曲轴选用材料的主要牌号及其力学性能材料截面直径/mm热处理状态取样方向力学性能，不小于硬度HBS类别牌号b /Mpa0.2/Mpa5/%/%Aku/J优质碳素结构钢45100正火或正火+回火纵向590295153823169217调质630370174031207301100300正火或正火+回火570285153519163217调质590345183531197286300500正火或正火+回火550275143219163217调质59034517-1872555001000正火或正火+回火53026513301515621755100正火+回火纵向

19、645320123523187229100300625310112819187229300500610305102219187229合金结构钢40Cr100调质纵向73554015453918722910030068549014453124128630050068544010352322926950080055903458301621725545Mn2100正火+回火纵向6903551638-1872411003006703351535-18724135CrMo100调质纵向735540154547207269100300685490154039207269300500635440153531

20、207269500800590390123023-42CrMo100调质纵向9006501250-1001608005501350-16025075050014552505006904615-50075059039016-35CrNiMo100调质纵向85073015455527732110030076563514404726131230050068554014353923527750080063549012323121124935CrNi3Mo V100调质纵向900785144047269321100300855735143839249312300500805685133331235297

21、50080073559012303121126318Cr2Ni4WA80淬火+回火纵向1180835104578-8010094074-1001508357035CrMnMo100300调质纵向78559014454320726930050073554013403920726950080068549012353120726940CrMnMo100调质纵向885735123039-100250835640123039-250400785530124031-400500735480123523-球墨铸铁QT600-3-6003703-190270QT700-2-70042

22、02-227302QT800-2-8004802-245365QT900-2-9006002-279361可锻铸铁KTZ650-02-6504302-211261KTZ700-02-7005302-241289铸钢ZG270-500-调质纵向5002701825-11.1.5.2曲轴热处理 发动机所用曲轴的热处理工艺见表11.20。表11.20 发动机所用曲轴的热处理工艺用途材料热处理工艺硬度轿车、轻型车、拖拉机45正火+感应淬火+回火556350Mn调质+570碳氮共渗570HV0.1QT600-3正火+560碳氮共渗650HV载重车、拖拉机45正火+感应淬火+自回火5563调质+感应淬火+

23、自回火55QT600-3正火+感应淬火+自回火4658重型载重车45正火+560碳氮共渗300HV1035CrMo调质+感应淬火+回火5358QT900-2正火+回火281321HBS大功率柴油机QT600-3正火+回火241302正火+回火+510渗氮600HV35CrMo调质+515渗氮550HV1035CrNi3MoV调质+490渗氮600HV11.1.5.3应注意的问题 （1）曲轴最常用的材料为45锻钢和球墨铸铁，非调质钢的应用也发展很快。曲轴采用的非调质钢的牌号和力学性能见表11.21。表11.21 曲轴采用的非调质钢的牌号和力学性能牌号b /Mpa0.2/Mpa5/%/%Aku/J

24、硬度HBSF45V68544015403225748MnV-49MnVS3- (2)曲轴材料的选择要满足：1）零件力学性能的要求，2）曲轴的疲劳强度和耐磨性。 （3）对负荷较大的曲轴，常选用合金结构钢，锻造后进行调质处理。 （4）汽车发动机曲轴选用球墨铸铁时，要求牌号不低于QT600-3；农用发动机曲轴选用球墨铸铁时，要求牌号不低于QT800-2；内燃机标定速度低于1500r/min的曲轴选用球墨铸铁时，要求牌号不低于QT600-3；一般曲轴选用球墨铸铁时，要求牌号不低于QT700-2。11.1.6汽缸体和汽缸盖11.1.6.1工作条件和选用材料汽缸体和汽缸盖结构复杂，尺寸较大，壁厚较薄且不均

25、匀。在发动机工作时，汽缸体承受很复杂的复合，汽缸盖承受很大的热负荷。选用的材料要具有足够的强度和刚度，抗热疲劳性好，还要具有良好的铸造性能和机加工性能。汽缸体和汽缸盖一般选用灰铸铁，如HT250和HT300，其力学性能见表11.22。表11.22 汽缸体和汽缸盖用灰铸铁的力学性能牌号HT200HT250HT300HT350抗拉强度b /Mpa（不低于）20025030035011.1.6.2应注意问题 （1）经过几十年的生产实践，对于汽缸体和汽缸盖的材料多选用HT250以上牌号的灰铸铁。 （2）要求更高的汽缸体和汽缸盖可采用合金灰铸铁。 （3）铸造后要进行自然时效或人工时效。11.2 汽轮机和

26、汽轮发电机11.2.1转子11.2.1.1工作条件 汽轮机转子上带有若干个整体叶轮或套装叶轮，叶轮上紧密镶嵌着若干叶片；发电机转子负载着两个护轮和大量铜线。在这样的负载下，汽轮机转子和发电机转子高速旋转，转子要承受很大的离心力及扭转力矩。此外，转子还要承受高温的作用。转子的主要失效形式为脆性断裂、弯曲变形和局部表面出现裂纹。11.2.1.2转子钢材及其力学性能 转子用钢因其工作条件而异，下面是不同工作条件的转子用钢，见表11.23，力学性能见表11.24。转子的热处理工艺见表10.25。 表11.23 不同工作条件的转子用钢工作条件牌号热处理亚临界、高中压转子30Cr2MoV、30Cr1Mo1

27、V10101030正火+250冷却+高温回火低压转子与发电机转子34CrNi3Mo、30Cr2Ni4MoV930正火+900正火+870正火+高温回火高中压一体化转子锻件1CrMoV、3.5NiCrMoV、28CrMoNiV、30CrMoNiV、2%CrNiMoWV、2.25%CrNiMoVNbW、2.5Cr1.2Mo1.5NiV、2%CrMoNiWV、9CrMoVNiNbN900950正火+620660回火超临界高中压转子1CrMoV、12CrMoV、TYPE22、RNO MoWV、H46、FV448、TAF、SEW555、12CrMoWV、11CrMoVNbN、11CrMoVTaN、TMK1、TMK2、TR1200、ROTOR B、ROTOR E、ROTOR F、10CrWMoVNbB690保温+10601080油淬+550590回火+150200均温表11.24 转子用钢的力学性能牌号部位b /Mpa0.2/Mpa4（5）/%/%AkV/Jak/Jcm-2FATT50/上平台能量/J30Cr2MoV轴端纵向6374