汽车发动机曲轴-课程设计讲解

1、0 前言 曲轴是汽车发动机最关键的零部件之一，曲轴的性能很大程 度上影响着发动机的可靠性和寿命。曲轴在发动机中承担着最大 的负荷和全部的功率，承担着强大的方向不断变化的弯曲和扭转 矩，同时承受着长时间的高速运转的磨损。本次主要介绍了汽车 发动机曲轴材料的选择，加工工艺路线和相关的热处理工艺，以 及组织及性能的检测方法和检测设备，分析了热处理过程中可能 产生的缺陷及补救措施，概述了曲轴断裂和失效的主要形式及预 防措施。 1 汽车发动机曲轴的工作条件及性能要求 1.1 汽车发动机曲轴的工作原理 曲轴是发动机上的一个重要的机件，有两个重要部位：主轴 颈，连杆颈，（还有其他）。主轴颈被安装在缸体上，连

2、杆颈与连 杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄 滑块机构。发动机工作过程就是，活塞经过混合压缩气的燃爆， 推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线 运动转变为旋转运动。曲轴的旋转是发动机的动力源。 图 1 发动机曲轴实物图 1.2 汽车发动机曲轴的机械性能要求及技术要求 1.2.1 汽车发动机曲轴的工作条件 曲轴在工作过程中，既要承受周期性变化的气体压力、往复 惯性力及离心力，又要承受他们所产生的扭矩和弯矩。因此，在 上述载荷作用下，曲轴承受着巨大的弯曲、扭转应力，扭动震动 和附加应力，以及交变载荷的冲击。这些载荷不仅数值较大，而 且一般呈周期性变化，故容易

3、使曲轴产生扭转和弯曲变形，甚至 产生裂纹和断裂。此外，发动机的不断增压、不断扩缸，以及传 动功率的不断提高，使得曲轴要在很高的压力下高速转动。 由此服役条件，汽车发动机曲轴常会发生两种形式的破坏： （1） 疲劳断裂：多数断裂时曲柄与轴颈的圆角处产生疲 劳裂纹，随后向曲柄深处发展，造成曲柄的断裂， 其次是曲柄中部的油道内壁产生裂纹，发展为曲柄 处的断裂。 （2） 轴颈表面的严重磨损：因曲轴长期处于高速旋转状 态，因此表面会遭受严重磨损。 1.2.2 汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求 鉴于发动机曲轴苛刻的服役条件及发生破坏的形式，这就给 了曲轴材料较高的要求。 曲轴材料需要有较高的抗拉强度、 刚

4、度、 耐冲击韧性、耐疲劳性以及耐磨性。 一般采用锻造钢和球墨铸铁， 锻钢需要进行热处理采用调质， 及淬火后高温回火，使材料具有较高的综合机械性能，轴颈表面 再进行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨铸铁曲轴采取等 温回火、中频淬火、激光淬火等热处理工艺。 2 汽车发动机曲轴的材料选择 2.1 汽车发动机曲轴选材要求 首先，应满足曲轴的力学性能，它取决于发动机设计的强度 水平。其次，考虑曲轴的疲劳强度和耐磨性。 （与材料本身的成分 及热处理后的性能有关） 2.2 汽车发动机曲轴材料的要求 根据 JB/T6727。曲轴对材料的要求如下： （1） 钢的含碳量要精选， 含碳量的变化范围应不大于 0.0

5、5（质 量分数） （2） 钢的含 S.P 量应不大于 0.0025 （质量分数） （ 3） 钢的非金属夹杂物，脆性夹杂物，塑性夹杂物应不超过 GB10561规定的 2.5 级。 （ 4） 钢的淬透性应按 GB255进行测定，其淬透性曲线在所用的 钢号范围内。 2.3 汽车发动机曲轴常用材料 汽车发动机曲轴常用材料以及其力学性能如下表： 各种适合曲轴材料的化学成分及机械性能（质量分数） 钢号 主要化学成分 C Mn Si Cr Ni Mo 45 0.42 0.5 0.5 0.8 0.17 0.37 40Cr 0.37 0.5 0.2 0.8 0.8 0.4 1.10 0.45 40CrNi 0.

6、37 0.5 0.2 0.47 1.0 0.8 0.4 1.4 0.44 0.75 40CrNiMo 0.37 0.5 0.2 0.6 1.25 0.15 A 0.44 0.8 0.4 0.9 1.75 0.25 35CrMo 0.37 0.47 0.2 0.8 0.15 0.4 0.7 0.4 1.10 0.25 钢号 b Mpa s Mpa s ak (J. ) 毛坯尺 寸 45 900 750 10 45 60 100 40Cr 1000 800 9 45 60 25 40CrNi 1000 800 10 45 70 25 40CrNiMo A 1000 850 12 45 100 25

7、 35CrMo 1000 850 12 45 80 25 2.4 曲轴材料的确定 由于曲轴需要承受交变的弯曲 -扭转载荷以及发动机的大的 功率，因此，要求其具有高的强度，良好的耐磨、耐疲劳性以及 循环性等。 由上表各种材料的性能可以看出 45钢的屈服强度较小， 所以 排除。 40Cr 钢的抗冲击性较低，排除。其余三种钢对比而言， 40CrNi 钢的屈服强度和抗冲击能都稍逊于其他两种，予以排除。 40CrNiMoA 和 35CrMo 这两种钢都较为合适，但 35CrMo 没有贵 金属 Ni ，成本较低。 因而，根据曲轴材料的要求， 各项技术要求， 及材料的成分， 机械性能，淬透性，同时需考虑成本

8、的经济性，最终选择不含贵 金属的且各项性能指标优良的 35CrMo 作为汽车发动机曲轴的材 料。 2.5 加工工艺路线 （锻坯）调质（淬火 +高温回火）校直清理检验 粗加工去应力退火精加工高频淬火 +低温回火校直磨 削校验 3 汽车曲轴热处理工艺的制定及热处理工艺曲线 3.1 35CrMo 曲轴热处理的技术要求 35CrMo 曲轴材料的热处理技术要求如下表： 材料 预备热 处理 HBS 最终热处 理 淬硬层 深度 HRC 35CrMo 调质 216 269 高频淬火 低温回火 3 5 5358 3.2 35CrMo 曲轴热处理工艺曲线 35CrMo 曲轴热处理工艺曲线如下图所示 图（ 3）汽车

9、发动机曲轴热处理工艺曲线 3.3 热处理工艺及分析 3.3.1 原始材料的组织与性能 35CrMo 原始状态从其显微结构组织图上可观查到，其组织 为铁素体基体上分布着片层状的珠光体（ F+P），组织结构均匀 其硬度值处于 30-33HRC 之间。 3.3.2 调质工艺及分析 3.3.2.1调质工艺参数的确定 淬火温度： 35CrMo 是亚共析钢，根据铁碳相图可以得出，其 AC3 约为 807， AC1 约为 757.由于 35CrMo 是亚共析钢，所以淬火温 度取 AC3 温度 +30-50，所以可确定出材料的淬火温度应为 850 较合适。其保温时间可由经验公式 t（1.2-1.5 ）D,具体

10、 保温时间应根据曲轴的厚度来确定，此处暂定为25min。回火温 度低于 AC1的某个温度，选取 560比较合适。 T（） 850 保温 25min 560 60min t(min) 油冷 油冷 0 t(h) 图 4 调质工艺图 淬火介质：油淬 回火温度： 560保温时间： 1h 回火介质：油 加热设备：厢式电阻炉 3.3.2.2组织性能分析 试样经淬火（未回火）后的金相组织如图可以看出其显微组 织为板条马氏体。硬度测得在 51-53HRC 之间，且硬度分布均 匀。淬火时，冷却介质选用油，这是因为油冷冷速在 500-350 时最快，其下比较慢。这种冷却特性是比较理想的，因而正好使 钢的过冷奥氏体

11、组织在最不稳定的区域有最快的冷速，如此，可 获得最大的淬硬层深度；而在马氏体转变区有最小的冷却速度， 可使组织应力减至最小，故减小了变形开裂倾向，有利于后续加 工及处理。 由于淬火后获得的马氏体组织不够稳定，因此，需要高温回 火获得稳定的组织，回火索氏体。调制后获得的索氏体晶粒均匀 细密，具有良好的硬度与韧性，其硬度值在 32HRC 左右，且硬 度值分布均匀，符合曲轴的技术要求。 由于随回火温度的升高，马氏体的塑性韧性上升，强度硬度 下降，因而，调制获得的组织具有良好的综合性能，使强度、塑 性、韧性得到了良好的配合，且改善了材料的机械加工性能，并 为后续的热处理及机加工做了组织上的准备。 3.

12、3.3 去应力退火分析 在热处理、切削加工和其他工艺过程中，制品可能产生内应 力。多数情况下，在工艺过程结束后，金属内部将保留一部分残 余应力。残余应力可导致工件破裂、变形或尺寸变化，残余应力 也提高金属化学活性，在残余拉应力作用下特别容易造成晶间腐 蚀破裂。因此，残余应力将影响材料的使用性能或导致工件过早 失效。所以，需要去应力退火来消除之前加工过程中产生的残余 应力。 T（） 550 保温 2.5h 空冷 0 t（h） 图 5 去应力退火工艺图 进行去应力退火时，金属在一定温度作用下通过内部局部塑 形变形（当应力超过该温度下材料的屈服强度时）或局部的弛豫 过程（当应力小于该温度下材料的屈服

13、强度时）使残余应力松弛 而达到消除的目的。在去应力退火时，工件一般缓慢加热至较低 温度（一般小于回火温度 20），保温一段时间后，缓慢冷却， 以防止产生新的残余应力。 3.3.4 高频淬火和低温回火工艺及分析 高频淬火目的：在工件表面一定深度内获得马氏体组织，而 其心部仍保持着表面淬火前的组织状态， 以获得表面层硬而耐磨， 心部又有足够塑性、韧性的工件。 加热设备： GP-25A 高频淬火炉 淬火温度： 860-930(普通淬火温度 +30-200 ) 冷却介质：水冷 回火温度： 160 保温时间： 1.5h 回火介质：水 T() 160 保温 1.5h 图 6 低温回火工艺图t(h) 经过高

14、频淬火后，试样心部依然保持原来的组织不变，心部 为颗粒大小均匀综合性能良好的回火索氏体。其表层组织为细小 的层针状马氏体。 表层与心部的过渡区域：其表层为针状马氏体，而心部则保 存了原始的组织与性能。 高频淬火时必须注意把握好温度和时间，时间过长，表面将 得不到我们需要的细小的层针状马氏体，而是粗大的组织，这种 组织的硬度低于曾针状的马氏体，而达不到我们的要求。 调质态的 35CrMo 虽然具有良好的综合性能，但是曲轴的表 面要求有良好的耐磨性，调质态的硬度远远不够，因此需要进行 高频淬火来增加表面硬度及其耐磨性。由于高频淬火时，奥氏体 成分不均匀，奥氏体晶粒得到了细化，且有残余压应力的存在，

15、 所以一般高频淬火的硬度比普通加热淬火硬度高 2-3 个洛氏硬度 单位，其抗疲劳性能和耐磨性都得到了显著的提高。 35CrMo 在高频淬火后表层硬度值达到 53-55HRC 之间，硬 度在表层分布较均匀。 高频淬火后，为降低残余应力和钢的脆性，而又不至于降低 硬度，因此需要进行低温回火。回火温度取 160 ，保温 1.5h 4 热处理过程可能产生的缺陷及补救措施 （ 1）烧伤产生原因：零件不干净，毛刺未去净；孔、 槽未堵；感应器与零件间隙小等。 处理方法：洗净零件，堵孔、槽，选择合适的感应器。 （ 2）硬度低 产生原因：加热温度低：冷却速度慢；材料 中碳元素等化学成分偏低 处理方法：控制材料，

16、选择合适工艺 （3）淬火裂纹产生原因：淬火温度过高； 冷却速度太快； 晶粒粗大 处理方法：控制原始晶粒度，按工艺操作 （ 4）硬化层浅 产生原因：淬火温度低；加热时间短或移动 速度快；淬火介质压力不足 处理方法：选择合适的工艺规范。 （ 5）硬度不均匀产生原因：淬火介质温度过高；喷水圈 的喷水孔的位置及角度不合理；淬火介质的压力不足；零件偏离 喷水范围 处理方法：按工艺规定操作 （ 6）硬化层不均 产生原因：感应圈与零件间隙不均；淬火 机床轴心偏差大 处理方法：调整设备及工装精度。 5 曲轴使用过程中可能出现的失效方式及预防措施 5.1 校直引起原始裂纹 对于锻钢曲轴，在锻造、热处理等过程中必

17、然产生变形，生 产中采用校直的方法消除。无论是热校还是冷校，一旦校直幅度 过大，都可能导致曲轴产生裂纹，且这种裂纹一般肉眼无法观察 到。若曲轴本身存在原始裂纹，装配后行驶里程一般仅为几千公 里，就会疲劳扩展而断裂。对于此类裂纹，分析时应注意与其他 常见裂纹如锻造裂纹、淬火裂纹等的区别。 5.2 圆角淬火工艺不当 轴颈圆角是曲轴加工难度最大，同时也是使用中最容易成为 裂纹起源的位置。为了提高曲轴疲劳强度，一般需要对圆角进行 强化处理。对于球铁曲轴，目前多采用圆角滚压强化工艺或先氮 化再滚压强化的复合强化工艺。早期的发动机曲轴感应淬火区域 仅仅局限在轴颈部分，主要对轴颈起提高耐磨性的作用，淬火区

18、域圆角仍然有大于 6mm 以上的距离，因此对圆角并不起强化作 用。目前采用的感应工艺，淬火区域普遍包含圆角区域。事实证 明这种方式能够证明显提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增 压等新技术应用的日益广泛， 对曲轴疲劳强度的要求也越来越高， 目前，对发动机圆角的强化处理已经成为必须的工艺过程。圆角 强化工艺不当，曲轴达不到应有的疲劳强度，就有可能会在服役 过程中产生疲劳断裂。 5.3 锻造质量问题 曲轴材料的锻造质量涉及很多的因素，原材料晶粒及晶粒长 大倾向、锻轧比、锻造温度等都是重要的影响因素。生产中对材 料的选用应该考虑与锻造工艺能够匹配，避免在材料晶粒长大敏 感区域停留时间过长。 5.4 加工不当引起应力集中 曲轴是典型受交变应力的零件，对各种应力集中因素非常敏 感。零件设计中一般不存在明显的尖锐过渡区，但实际生产中， 由于加工工艺的偏差，可能会