曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件

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1、1.曲轴的概述 曲轴的总体设计与柴油机的总体设计有很大关系，曲轴是其中醉关键的受力 零件之一，对整机的可靠性和经济性有着重要影响，往往在柴油机总体设计时 就必须决定曲轴的结构型式和主要尺寸。 2.曲轴的结构设计 曲轴是柴油机上的一个重要的旋转机件，装上连杆后，可承接活塞的上下 (往复)运动变成循环(旋转)运动。曲轴主要有两个重要加工部位：主轴颈和连 杆颈。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。而曲轴加工的好坏

2、将直接影响着发动机整体性能的表 现。 发动机机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、 外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。机体组主要由气缸体、 曲轴箱、气缸盖等零件组成。 （1）气缸体 水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，气缸体一般用灰铸铁铸成， 气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲 轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。 （2）曲轴箱 气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱，曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴 箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱， 故又称为油底壳。油底壳

3、受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于 发动机的总体布置和机油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时 油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁， 以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有 衬垫，防止润滑油泄漏。 （3）气缸盖 气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高 温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖 内部制有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环 水来冷却燃烧室等高温部分。 缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通

4、道和排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸 盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴 轴承孔，用以安装凸轮轴。 气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高 压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。 而作为发动机上的一个重要的旋转机件曲轴，其加工方法仍有一般轴的加 工规律，如铣两端面，钻中心孔，车、磨及抛光，但是曲轴也是有它的特点， 它由主轴颈，连杆轴颈与连杆轴颈之间的连接板组成，其结构细长、曲拐多、 刚性差，因而安排曲轴加工工艺应采取相应的工艺措施。在曲轴的机械加工中，采用新技术和提高自动化程度都不断取得进展。

5、目 前，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。现在加工曲轴粗加工比较流行的工 艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高 速随动外铣，全部采用干式切削。在对连杆颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈 为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削所有连杆颈。在磨削过程中，磨头实现 往复摆动进给，跟踪着偏心回

6、转的连杆颈进行磨削加工。 当然，目前国际上还有更加先进的曲轴加工工艺和机床设备，只钻一对质 量中心孔，选用日本的 Mazak 五轴联动的数控机床进行一系列的加工。类似这 样的新技术，目前国内汽车发动机曲轴的加工还处于研究阶段，从经济效益和 加工难度上考虑这是显而易见的。但是对于新技术、新工艺的追求是不会止步 的，这就需要我们当代的青年和科技工作者的不断努力。 2.1 曲轴的作用 曲轴是柴油机中的重要零件，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变 为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱动配气机构和其它辅助装置。 曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂， 同时，曲轴

7、又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良 好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。 2.2 曲轴的结构及其特点图 2-1 曲轴的结构图曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个 主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸 数(直列式发动机)；V 型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴 承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。 连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集 中。 曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，

8、为了平衡惯性力， 曲柄处铸有(或紧固有)平衡重块。平衡重块用来平衡发动机不平衡的离心力矩， 有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。 曲轴前端装有齿轮，驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机 油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲 轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹， 以阻止机油向后窜漏。 3.曲轴的尺寸计算 3.1 曲轴的主要技术要求分析 1.主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级 IT6，表面粗糙度 Ra 值 为 1.250.63m。轴颈长度公差等级为 IT9IT10。轴颈的形状公差，如圆度、 圆柱度控制

9、在尺寸公差之半。 2.位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度：一般为 100mm 之内不大于 0.02mm；曲轴各主轴颈的同轴度：小型高速曲轴为 0.025mm，中大型低速曲轴 为 0.030.08mm。3.各连杆轴颈的位置度不大于20。 3.2 曲轴的材料和毛坯的确定 曲轴工作时要承受很大的转矩及交变的弯曲应力，容易门生扭振、折断及 轴颈磨损，因此要求用材应有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。常 用材料有：一般曲轴为 35、40、45 钢或球墨铸铁 QT600-2；对于高速、重载曲 轴，可采用 40Cr、42Mn2V 等材料。本课题采用球墨铸铁 QT600-2. 曲轴的毛坯根据批量大小

10、、尺寸、结构及材料品种来决定。批量较大的小型曲 轴，采用模锻；单件小批的中大型曲轴，采用自由锻造；而对于球墨铸铁材料 则采用铸造毛坯。 3.3 曲轴的机械加工工艺过程 曲轴的尺寸精度、加工表面形状精度以及位置精度的要求都很高，但刚性 比较差，容易产生变形，这就给曲轴的机械加工带来了很多困难，必须予以充 分的重视。 曲轴需要加工的表面有：主轴颈、连杆轴颈、键槽、22 的外圆。由于使 用了工艺搭子，铣键槽安排在切除工艺搭子后，磨削外圆安排在保留工艺搭子 前。根据曲轴的结构特点及机械加工的要求，加工顺序大致可归纳为：铣两端 面；车工艺搭子和钻中心孔；粗、精车三连杆轴颈；粗、精车各处外圆；精磨 连杆轴

11、颈、主轴颈和 20、22 外圆；切除工艺搭子、车端面、铣键槽等。 3.4 曲轴机械加工工艺路线 在进行大量的工艺分析之后，制定出大批大量生产曲轴的加工工艺路线： （1） 锻造（2） 热处理（3） 铣两端面（4） 车两端工艺搭子外圆（5） 钻 主轴颈中心孔（6） 钻连杆轴颈中心孔（7） 检验（8） 粗车三个连杆轴颈 （9） 精车三个连杆轴颈（10） 车工艺搭子两端面（11） 粗车各处外圆 （12） 精车各处外圆（13） 检验（14） 磨削连杆轴颈外圆（15） 磨削两主 轴颈（16） 磨削 22-00.12mm 外圆（17） 磨削 20 0 -00.021mm 外圆 （18） 检验（19） 车掉两

12、端工艺搭子（20） 车两端面（21） 铣键槽（22） 倒角（23） 去毛刺（24） 最后检验 3.5 曲轴的机械加工工艺特点 三拐曲轴除了具有轴的一般加工规律外，也有它的工艺特点，主要包括形 状复杂，刚性差及技术要求高，针对这些特点应采取相应的措施，分析如下： 1、形状复杂 曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上线，偏心距有一定的尺寸要求，并且 两轴有较高的位置度要求，同时主轴颈与连杆轴颈间有较大的平衡块，因此在 工艺设计中应解决以下几点问题：a.设计加工连杆轴颈的偏心夹具，即连杆轴 颈与机床主轴重合，并使夹具能回转 180 度，加工另一连杆轴颈。b.为消除加 工时的不平衡力的产生，设计夹具时应精确

13、设计平衡重。 2、刚性差 因本曲轴长径比较大，同时具有曲拐，因此刚性较差。曲轴在切削力及自 重的作用下会产生严重的扭曲及弯曲变形，特别在单边传动的机床上加工更为 严重，在工艺设计中应解决以下问题： （1）：粗加工时由于切削余量大，切削力也较大，可用中间托架来增强刚性， 减小变形和振动，同时机床刀具及夹具都应有较高的刚度。 （2）：在加工时尽量使切削力的作用相互抵消，可用前后刀架同时横向进给。（3）：合理安排工位次序以减少加工变形，按先粗后精的原则安排加工工序， 逐步提高精度。 （4）：在有可能产生变形的工序后面增设校直工序。3、技术要求高 曲轴技术要求较高，加工面多，需要保证的尺寸、形状、位置

14、精度较多。 因而总的工艺路线较长，精加工占有相当比例。 加工时应要解决以下问题： A：正确分配粗加工、半精加工及精加工余量。 B：粗基准选择用曲轴两端的中心孔。中心孔的加工以主轴颈外圆作为基准，这 样能保证曲轴加工径向及轴向加工余量的均匀性。 C：精加工时仍用中心孔作为基准，但要重新修磨中心孔，避免精加工时因中心 孔磨损引起加工误差。也可一端用主轴颈定位，另一端用中心孔定位以提高刚 度。 D：曲轴轴向定位以主轴颈轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准一 致。 3.6 曲轴的机械加工工艺特点分析1)该零件是三拐小型曲轴，生产批量不大，故选用中心孔定位，它是辅助基准， 装夹方便，节省找正时间

15、，又能保证三处连杆轴颈的位置精度。但轴两端的轴 颈分别是 20mm 和 25mm，而三处连杆轴颈中心距分布在 32mm 的圆周上，故 不能直接在轴端面上钻三对中心孔。于是，在曲轴毛坯制造时，预先铸造两端 45mm 的工艺搭子，这样就可以在工艺搭子上钻出四对中心孔，达到用中心孔 定位的目的。2）在工艺搭子端面上钻四对中心孔，先以两主轴颈为粗基准，钻好主轴颈的 一对中心孔；然后以这一对中心孔定位，以连杆轴颈为粗基准划线，再将曲轴 放到回转工作台上，加工 32mm、圆周 120均布的三个连杆轴颈的中心孔， 这样就保证了它们之间的位置精度。3）该零件刚性较差，应按先粗后精的原则安排加工顺序，逐步提高加

16、工精度。 对于主轴颈与连杆轴颈的加工顺序是，先加工三个连杆轴颈，然后再加工主轴 颈及其他各处的外圆，这样安排可以避免一开始就降低工件刚度，减少受力变 形，有利于提高曲轴加工精度。4）由于使用了工艺搭子，铣键槽工序安排在切除中心孔后进行，故磨外圆工 序必须提前在还保留工艺搭子中心孔时进行，同时要注意防止已磨好的表面被 碰伤。 3.7 曲轴主要加工工序分析3.7.1 铣曲轴两端面,钻中心孔 本工序在钻铣车组合车床上完成，主要保证曲轴总长及中心孔的质量，若 端面不平则中心钻上的两切削刃的受力不均，钻头可能引偏而折断，因此采用 先面后孔的原则。中心孔除影响曲轴质量分布外，它还是曲轴加工的重要基准 贯穿整个曲轴加工始终。因而直接影响曲轴加工精度。打中心孔在本次工艺设 计中因考虑设备因素，采用找出曲轴的几何中心代替质量中心。打中心孔以毛 坯的外表面作为基准，因而毛坯外表面质量好坏直接影响孔的位置误差。 3.7.2 曲轴主轴颈的车削 由于曲轴年产量不大，主轴颈加工采用车削，在刚度较强的普通车床上进行。曲轴安装在前、后顶尖上线一端用大盘夹住而另一端用顶尖