柴油机曲轴设计

1前言

1.1柴油机与曲轴

1.1.1柴油机的工作原理

柴油机的每个工作循环都要经历进气、压缩、做功和排气四个过程。

四行程柴油机的工作过程：柴油机在进气冲程吸入纯空气，在压缩冲程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器以雾状喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，温度高达476.85℃～726.85℃，极大地超过柴油的自燃温度，因此柴油喷人气缸后，在很短的时间内即着火燃烧，燃气压力急剧达到6～9MPa，温度升高到1726.85℃～2226.85℃。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功。废气同样经排气门、排气管等处排出。

四行程柴油机的每个工作循环均经过如下四个行程：

（1）进气行程在这个行程中，进气门开启，排气门关闭，气缸与化油器相通，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方容积增大，气缸内产生一定的真空度。可燃混合气被吸人气缸内。活塞行至下止点时，曲轴转过半周，进气门关闭，进气行程结束。

由于进气道的阻力，进气终了时气缸内的气体压力稍低于大气压，约为0.07～0.09MPa。混合气进入气缸后，与气缸壁、活塞等高温机件接触，并与上一循环的高温残余废气相混合，所以温度上升到96.85℃～126.85℃。

（2）压缩行程进气行程结束后，进气门、排气门同时关闭。曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点移动，活塞上方的容积缩小，进入到气缸中的混合气逐渐被压缩，使其温度、压力升高。活塞到上止点时，压缩行程结束。

压缩终了时鼓，混合气温度约为326.85℃～426.85℃，压力一般为0.6～

1.2MPa。

（3）做功行程活塞带动曲轴转动,曲轴通过转动把扭矩输出。

（4）排气行程进气口关闭，排气口打开，排除废气。

由上可知，四行程汽油机或柴油机，在一个工作循环中，只有一个行程作功，其余三个行程作为辅助行程都是为作功行程创造条件的。因此，单缸发动机工作不平稳。现代汽车都采用多缸发动机，在多缸发动机中，所有气缸的作功行程并不同时进行，而尽可能有一个均匀的作功间隔，因而多缸发动机曲轴运转均匀，工作平稳，并可获得足够大的功率。例如六缸发动机，在一个工作循环中，曲轴要旋转720°，曲轴转角每隔120°就有一个气缸作功。

1.1.2曲轴

曲轴是柴油机曲轴连杆机构的重要零部件，将作用在活塞上的气体压力变为绕其本身轴成的力矩，再通过飞轮传给传动系统，即将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动通过曲轴输出动力。工作时，曲轴承受冲击和交弯载荷的弯曲和扭转，故要求曲轴有足够的强度和韧性,由于曲轴长时间工作，轴颈表面也受到很大的磨损。

目前车用柴油机曲轴材质有球墨铸铁和锻钢两类。

1.2曲轴加工技术现状

目前美国、德国、日本等工业发达国家正向着柴油机增压、增压中冷、大功率、高可靠性、低排放方向发展，其加工生产线正在向智能化、高效率和绿色化发展。而相比之下我国的曲轴制造业就有点相对落后。国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260 等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光，通常靠人工操作，加工质量不稳，尺寸一致性差。

而目前的小型柴油机曲轴制造业面临的是以下几个需要解决的问题：

（1）多品种、小批量生产；

（2）交货期大大缩短；

（3）降低生产成本；

（4）难切削材料的出现使加工难度明显增加，加工中提出了许多需要解决的课题，如硬切削；

（5）为保护环境，要求少用或不用切削液，能够实现干式切削或准干式切削；

曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统材料和制造工艺已无法满足其功能要求，因此各专业曲轴生产厂家争相引进新技术、新工艺，提高制造技术水平。因此，进入21 世纪以来，高速、高精、高效的复合加工技术及装备在曲轴制造业中将得到了迅速的应用。

2设计任务说明

2.1柴油机参数说明

2.2工艺规程的作用

工艺规程是指导生产的重要技术文件，起指导作用；是生产计划、调度、工人操作和质量检验等生产组织和管理的依据；是新建或扩建工厂或车间的重要技术资料。总之，零件的机械加工工艺规程是每个机械制造厂或加工车间必不可少的技术文件。生产前用它做生产的准备，生产中用它做生产的指挥，生产后用它做生产的检验。

2.3曲轴的结构特点及其工艺技术分析

2.3.1曲轴的结构特点

曲轴是由主轴和连杆轴构成，连杆轴绕主轴旋转。曲轴是将活塞的往复运动通过连杆形成回转运动，因此曲轴不但承受周期性的弯曲力矩和扭转力矩，同时还受到离心力及扭转振动的附加应力的作用，这样就使曲轴的受力情况非常复杂。此时，各轴颈要在很高负荷下高速运转，所以要求曲轴有很高的强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性及冲击韧性。曲轴常用强度很高的材料制成，轴颈需要热处理以提高耐磨性，在曲轴上截面突变部位应避免应力集中，否则在工作中曲轴就可能发生断裂。连杆轴要有很高的尺寸精度形状精度位置精度及光洁度，轴颈表面的硬度要求；为了不至影响各缸的配气相位，对各连杆轴中心线的偏移和装主动齿轮中心线的偏移也提出具体的要求。

2.3.2曲轴的技术要求

技术要求如下：

（1）锻钢曲轴应经调质处理，硬度为HRC28-34。

（2）锻钢曲轴的主轴颈和连杆轴须经表面淬火处理，淬火层深度在3-7mm范围内，硬度为HRC28-34。每根曲轴上的硬度差不大于四个单位。

（3）连杆轴和主轴颈按5级精度制造。

（4）当曲轴用两端最外主轴颈支撑（设计基准）时，主轴颈轴心线与连杆轴轴心线的不平行度允差为0.01/100mm，对长度小于1.5m的CA6110 型用曲轴，中间主轴颈的跳动允差为0.1，打断正时齿轮轴跳动允差为0.03，大端飞轮轴的跳动允差为

0.025，大端飞轮轴端面摆差为0.05/100mm。

（5）曲轴上各连杆轴中心线的偏移允差为15。

（6）轴主轴颈和连杆轴以及曲柄过渡圆角的光洁度不低于0.8，三主轴颈和连杆轴上的润滑油孔表面应抛光，其光洁度不低于1.6,主轴颈和连杆轴孔的内表面光洁度不低于6.4。

（7）曲轴加工表面应光洁，不得有裂纹、发裂、压痕、毛刺、气孔、凹痕以及非金属夹杂物，在曲轴的磨光表面不得有刻痕和黑点。

（8）曲轴不加工表面应光洁，不允许用焊补的方法消除缺陷。

（9）经精加工后的每根曲轴，应动平衡试验，不平横度允差及校正平衡重量时所切除金属的位置和重量，按产品图样规定。

（10）曲轴经抛光后须磁力探伤，磁力探伤后作退磁处理。

具体如下图所示:CA6110 型柴油机曲轴技术要求

图2.1曲轴零件图

2.3.3工艺规程的设计原则

（1）必须可靠保证零件图纸上所有技术要求的实现：即保证质量，并要提高工作效率；

（2）保证经济上的合理性：即要成本低，消耗要小；