曲轴的结构

曲轴的结构如图1.1所示：它由主轴颈，连杆轴颈曲轴臂，平衡块，前轴端和后轴端等部分组成。其中一个连杆颈和它两端的曲臂以及前后两个主轴颈合在一起，称为曲拐。曲轴的形式有整体式和组合式两种。下面分析大多数汽车发动机采用的整体式曲轴的结构。图1.11.主轴颈图1.2所示，用来支撑曲轴，曲轴几即绕其中心线旋转。主轴颈支撑于滑动主轴承上，主轴颈结构和连杆轴颈类似，不同点于滑动主轴承上，主轴颈结构和连杆轴颈类似，不同点是内表面有油槽。主轴承盖用螺栓与上曲轴箱的主轴承座紧固在一起。为了使各主轴颈磨损相对均匀，对于受力交大的中部和两端的主轴颈制造得较宽。在连杆轴颈的两侧都有主轴颈者，称为全支撑曲轴。全支撑曲轴钢度好，主轴颈负荷小，但它比较长。如果主轴颈数目比连杆轴颈少，则称为非全支撑曲轴。其特点和全支撑主轴相反。图1.22.连杆轴颈用来安装连杆大头，如图1.3所示。直列式发动机的连杆轴项数与汽缸数相等；V型发动机因为两个连杆共同装在一个连杆轴颈上，故连杆轴颈数为汽缸数的一半。连杆轴颈通常被制成中空，其目的是为了减轻曲拐旋转部分的质量，以减小离心力。中空的部分还可兼作油道和油腔，如图所示。油腔不钻通，外端用螺塞封闭，并用开口销锁住。连杆中部插入一弯管，管口位于油腔中心。当曲轴旋转时，在曲轴油管机油中的较重的杂质被甩向油腔壁，而洁净的机油则经弯管流向连杆轴向表面，减轻了轴颈的磨损。图1.33.曲轴臂用来连接主轴颈和连杆轴颈，如图1.4所示。有的发动机曲轴臂上加有平衡块，用来平衡曲轴的不平衡的离心力和离心力矩，有的还可平衡一部分往复惯性力。图示1.5为四缸发动机曲轴受力情况。1.4道连杆轴颈的离心力F1.F4与2.3道连杆轴颈的离心力F2.F3大小相等，方向相反。从整体上看，似乎在内部能相互平衡，但由于在F1与F2形成的力偶MF2和F3与F4形成的力偶M3-4作用下，如果曲轴的刚度不足，则发生弯曲变形，加剧主轴颈的磨损。为此，需加宽轴颈，增加刚度，以减少磨损。但更有效的措施是在曲轴臂反方向延伸一块平衡块。平衡块与曲轴制成一体，也可单独制造，再用螺栓固装在曲轴臂上，加平衡块会导致曲轴质量和材料消耗增加，制造工艺复杂。因此，曲轴是否要加平衡块，应视具体情况而定。图1.4图1.5曲轴上离心力作用和加平衡块示意4.曲轴的前轴端通常的前轴端装有正时齿轮皮带轮扭转减震器和启动爪等，为防止机油沿曲轴轴颈外漏，一般在正时齿轮前端装一个甩油盘，正时齿轮盖内孔周围还嵌有自紧式油封。当机油溅落在随着曲轴旋转的甩油盘上时，由于离心力的作用，被甩到正时齿轮盖的内壁上，油封挡住机油，是机油沿壁面流回油壳中。5.曲轴的后轴端制有甩油突缘；回油螺纹和飞轮结合盘。飞轮结合盘是用来连接飞轮输出动力。甩油突缘与回油螺纹用来防止既有外漏，如图1.6所示，从主轴颈间隙流向后端的机油，主要被甩油突缘甩入主轴承座孔后边缘的凹槽内，并经回油孔流向底壳。少量的机油流至回油螺纹区，被回油螺纹返回到甩油突缘而甩回油低壳。为更可靠地防止漏油，有时发动机还在最后一道主轴承盖的端面上装有油封，油封材料有橡胶，含石墨的石棉绳等。此外，最后一道主轴承盖与缸体结合面出还嵌有软木条或石棉绳等填料；起密封作用。曲轴作为转动件，除了承受正时齿轮斜齿传动所引起的轴向力以外，还要承受上下坡；加速；制动及踏离合器等所产生的轴向力作用，从而制造曲轴前后窜动。如果轴向窜动量过大，将破坏各机件的正常工作。图1.6但也不能过小，应给曲轴留有热膨胀伸长的余地。为此；曲轴必须有一定的轴向间隙，此间隙一般在0.05~0.25mm。6.曲轴轴向限位装置一般设置在某道主轴颈的两侧。其材料加工与滑动轴承类似，也是在钢背上浇注一层减磨合金，但是具体结构因车而异。有的是两片整圆形的止推垫圈，通常安装在前端轴上，有的是两片或四片半圆型的止推片；采用更多的是将四片半圆形止推片与主轴承制成一体而成为翻边轴瓦，，但轴承前后窜动是翻边轴瓦端面的减磨合金与相对应的曲轴臂止推面接触摩擦，限制了曲轴窜动。7.曲轴的形状和各曲轴的相对位置图1.71.主轴颈2.连杆轴颈3.曲轴臂4平衡重5前轴颈6.后轴颈曲轴的形状和各曲轴的相对位置取决于汽缸数，汽缸排列和工作顺序等多种因素。在安排多缸发动机的工作顺序时，首先应该使各缸作功间隔相等，以保证发动机运转平衡；其次应该使连续作功的两缸相距尽可能远一些，以减轻主轴承的载荷，同时，避免两缸相邻发生进气重叠现象而影响冲气。根据以上原则，四缸发动机工作顺序及曲拐的布置叙述如下：四冲程直列四缸发动机，在一个工作循环中各缸均要作功一次，所以作功间隔角720度/4=180度；工作顺序有两种可能的排列法；即1-2-4-3或1-3-4-2其中前一种采用较广泛。曲拐的布置如图所示。图1.8在机床上进行机械零件的机械加工时，所需工艺装备中除了刀具量具辅助工具外，还必须有共装夹工件用的机床夹具（简称夹具）。零件的技术条件分析8.表面本身精度曲轴的前端外外圆017.0042.040与齿轮配合，要求精度为IT8级，表面粗糙度为Ra0.8;外圆ø38±0.008皮带轮配合要求精度为IT8级，表面的粗糙度Ra0.8;以及后轴端外的油封3.068要求精度为IT8级，表面粗糙度为Ra0.8;主轴颈018.064要求精度为IT6级，表面粗糙度为Ra0.2；连杆轴颈Ø58要求精度为IT6级，表面粗糙度为Ra0.2；其余非工作表面的粗糙度也要求达到Ra12.5。9.表面间的位置精度主要有：连杆轴颈轴心线应与轴颈轴心线相平行，在轴颈全长上的不平行度允差为0.012mm；曲轴的法兰后端面应与主轴颈轴心线相垂直，在法兰边缘测量时，跳动允差为0.04mm；将曲轴两外端的主轴颈架在V型块上时，中间轴颈的跳动允差为0.03mm；曲轴皮带轮轴颈（Ø38±0.008）及后主轴颈的油封颈（03.068）跳动允差为0.04mm；H表面对后主轴颈的表面的不同轴度允差为0.02mm;H表面对Ø100的不同轴度允差为0.05mm;0070035040。。对后主轴颈的不同轴度允差为0.04mm；K及L表面对曲轴轴心线的不垂直度（在最外点）跳动允差为0.02mm。10.零件的其他技术要求1）零件图上未注尺寸的圆角半径均为2至3毫米，铸造斜度为1度。2）铸件须经正火处理，正火后a)其金相组织应为珠光体，球光体≥85%，球化率≥7.5%b)机械性能应符合下列指标抗拉强度≥588Mpa屈服强度≥412Mpa,延伸率≥2.0%.c)硬度为HB225至305,应在主轴颈及连杆轴颈上(或相当于轴颈硬度外)进行检验,检验的轴颈应间隔开,不得集中于某一段.3)不加工表面必须清除焦砂及毛刺,表面须光洁.4)曲轴的加工表面应清洁,不得有碰伤,凹痕,滑伤,刀痕,毛刺等缺陷.5)曲轴主轴颈和连杆应进行超精研磨和抛光.6)曲轴做动平衡检验时,曲轴每端的不平衡度不应大于2.4x10牛顿米.7)精磨后应磁力探伤,检验轴颈上是否有裂纹,探伤后应退磁.8)主轴颈及连杆轴颈尺寸必要时可按-0.25尺寸制造，018.075.63(主轴颈)和018.075.57(连杆轴颈),但在加工时,主轴颈或连杆轴颈若有一道轴颈按-0.25尺寸加工时,其余各项必须都按-0.25尺寸加工,并将-0.25同时在曲轴第一平衡重不加工表面上涂以两道缘漆以便提醒装配相应尺寸的衬瓦.9)其余技术要求见零件图技术要求的规定.零件的技术条件分析曲轴要求用强度,冲击韧性和耐磨性都比较高的材料制造,一般都采用中碳钢或中碳合金钢模锻.各轴颈表面还用高频电流进行淬火硬化和精磨等,以达到高光洁度和高精度.近年来,有的发动机采用了高强度的稀土球墨铸铁铸造曲轴,如球墨铸铁QT700-2就具有较高强度;耐磨性及一定的塑性,韧性,其基体组织为球光体.其各元素的百分含量如下:(%)C：3.6~3.9Mn:0.5~0.8Si:2.4~2.8Mn:0.03~0.06Pb:0.03~0.05S:≤0.03P:≤0.08合金元素Cn0.5～0.8毛坯采用金属型铸造，热处理后的硬度为HB231～304。球墨铸铁是将连接近灰铸铁成分（也可包括某些合金元素）的铁水，经镁或镁的合金或其他球化剂球化处理后而获得具有球状石墨的铸铁。由于这种铸铁中的石墨成球状，所以大大减轻了石墨对金属基体的分割性和尖口作用。球墨铸铁具有灰铸铁的优良特性，又兼有钢的高强度性能，有比钢更好的耐磨性，抗氧化性，减震性及小的缺口敏感性。它可以进行多种热处理，以提高强度。球磨铸铁的可切削性与基体组织有关，铁素体球墨铸铁的可切削性优于球光体球墨铸铁，切削用量相同时，球墨铸铁铁素体含量越高，切削速度就可以提高。铸件切削部位含有自由或共晶渗碳体和其他硬质化合物时，将使可切削性变差。磨削时石墨易堵塞砂轮，采用镨钕刚玉自砺砂轮可提高磨削速度。零件的技术条件分析11.从曲轴的零件图分析表面间的位置尺寸标注：轴向方向分析：通过曲轴前端面采用坐标式标注的方法表出了内孔Ø28，螺纹内孔Ｍ27×2-2，Ø20以及60度复合锥孔的长度，曲轴前端面的轴长；所以应先加工端面，在保证其他尺寸，所以端面为一设计基准。有第一轴颈处的外圆Ø86±0.5。采用的坐标式和连续标准的方式标出了曲轴臂，第二，三，四，五，主轴颈以及地1，2，3，4连杆轴颈的位置尺寸和第一主轴颈轴向长度。所以Ø86±0.5为轴向的另一设计基准。径向方向分析：法兰外圆0.0220.018122及油封颈0.368均由中心轴线Ａ确定轴向位置，所以轴承孔007.0035.040轴线A为主要设计基准而其他各径向位置由022.0018.0122确定，所以022.0018.0122为另一设计基准。12.从曲轴表面间位置关系精度的标注分析：曲轴第一主轴颈处外圆Ø86±0.5对A有全跳动度要求，所以应先加工A。在由A定位加工Ø86±0.5；中间主轴颈对B，C的全跳动度要求法兰外圆0.0220.018122端面对B有同轴度要求，以及法兰端面的四孔对B有位置度要求等。为保证热处理质量的检验说明由于曲轴在工作中承受着周期性的，不断变化的气体力和惯性力的共同作用。；因此，曲轴应有足够的刚度和强度，各摩擦面要耐磨及润滑良好；并且在工作中平衡性要好。曲轴要求用强度，冲击韧性和耐磨性都比较高的材料制造，各轴颈表面还用高频电流进行淬火硬化和精磨等，以达到高光洁度和高精度。所以采用球墨铸铁QT700-2，但还要进行热处理。主要是为了提高材料的机械性能，改善材料的加工性，消除内应力等。为了保证曲轴的热处理质量，在热处理前，中，后都要进行检查。热处理之前检验是将热处理前的曲轴与工序流程记载的数量比较是否一致，及外观上有无裂痕纹或磁伤，排除热处理前的超差制件，还必须检查曲轴材料的具体化学成分。热处理后对曲轴的变形和尺寸等方面都要进行检验和控制。热处理最终检验是对曲轴零件的硬度，力学性能，物理性能等进行检查；是控制质量的重要环节。曲轴是中等负荷零件，选用II类检验，对硬度惊醒100%的检验，抽检零件的力学性能（HB62~69）。1)检查类别：I，II，III类2)硬度检验；I，II类100%检验，III类按工艺规程的规定，从每批零件抽10%检验硬度，如硬度不合格，则100%检验或整批零件返修处理。3)机械性能检验；工类100%从零件的检验留量上切下的试件进行检验；II类检验在没炉里抽1~2个零件或式样；III类不检验。-0.018-0.3零件的工艺性分析在零件图上，可以看出曲轴的外形结构复杂，刚度较差，且技术要求较高，指出曲轴的加工工艺过程时都要考虑到这些特点，在根据生产规模，结合厂的设备规模，拟订出最合理的方案。从精度方面来看，主要工作表面IT6~IT12；如曲轴前端轴处Ø400.0420.017齿轮轴颈工作表面的粗糙度Ra0.8,非配合表面粗糙度Ra1.6~Ra6.3（在高速条件下工作，为提高抗疲劳强度）其他的如位置关系精度，即平行度，垂直度，跳动度等允差均控制在0.01~0.05之间。从材料方面来看，球墨铸铁QT700~2要求正火处理，正火后