汽车发动机曲轴-课程设计资料解读

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0.05﹪（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）

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

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。

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。