1、55 一、选题的依据及意义： 曲轴是发动机对外输出动力的核心部件，是驱动车、船等运输工具的重要动 力来源。曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的 传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴的工作情况是极其复杂 的，它是在周期变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及它们的力矩作 用下工作的，因此承受着扭转和弯曲的复杂应力。 曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件，也是内燃机五大件（机 体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆）中最难以保证加工质量的零件，发动机曲轴作 为重要运动部件，同时因曲轴工况及其恶劣，因而对曲轴材料、曲轴尺寸精度、 表面粗糙度、热处理和表面强化、
2、动平衡等要求十分严格。其中任何一个环节的 质量对曲轴的寿命和整机的可靠性都有很大的影响。 因此世界各国对曲轴的加工 都十分重视，不断地改进曲轴加工工艺，最大可能地提高曲轴寿命。在大批量生 产的条件下， 传统工艺已不能满足当前设计和生产需求， 在长时间、 高速运转下， 曲轴极容易过早出现失效或断裂，严重影响曲轴的寿命和整机可靠性。曲轴的主 要失效形式是轴颈磨损和疲劳断裂， 内燃机曲轴部分的结构形状和主要尺寸对内 燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有重要影响，因而在内燃机曲轴设计时，必 须对内燃机的结构强度问题予以充分重视。 二、国内外研究现状及发展趋势： 2.1 国内外曲轴加工技术的现状 目前车用
3、发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。 由于球墨铸铁曲轴成本 只有调资钢曲轴成本的三分之一左右，且球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理 想的结构形状， 并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高 曲轴的抗疲劳强度，硬度和耐磨性。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应 用。据统计资料显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国为 90%， 英国为 85%，日本为 60%，此为，德国比利时等国家也已经大批量采用。国内采 用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴 85%以上采用球墨铸 铁，而功率在 160KW 以上发动机曲轴多采用锻钢曲轴。 2.2 国内外曲轴加工技术展望
4、 美国，德国，日本等汽车工业发达国家都致力于开发绿色环保、高性能发动 56 机，目前各个厂家采用发动机增压、扩缸及提高转速来提高功率的方法，使得曲 轴各轴颈要在很高的比压下高速转动，发动机正向增压、增压中冷、大功率、高 可靠性、低排放方向发展。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，传统材料和制造工业已无法满足其功能要求，市场对曲轴材质以及毛 胚加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等都要求都非常严 格。 三、本课题研究内容 3.1 曲轴结构设计 3.1.1 曲轴的材料 根据曲轴工作在发动机过程中承受弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力，要 求具有较高的抗拉强度、疲
5、劳强度、表面强度及耐磨性，芯部具有一定的韧性。 即具有很高的疲劳强度、耐磨性和高淬透性，且进行强化处理时变形小，高温下 具有高的蠕变强度。 随着发动机性能的提高，对曲轴的原材料及加工工艺提出新的要求，现代车 用发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。 由于球墨铸铁曲轴成本只有调质钢 曲轴成本 1/3 左右,且球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理想的结构形状，并 且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强 度、硬度和耐磨性。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料显 示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国为 90%,英国为 85%，日本为 60%，此外，德
6、国、比利时等国家也已经大批量采用。国内采用球墨铸铁曲轴的 趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴 85%以上采用球墨铸铁，而功率在 160kW 以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。 我国球铁曲轴的生产继 QT600-2、 QT700-2 之后， 现已能稳定地生产 QT8002、 QT900 -2 等几种牌号，目前已能大批量生产 QT800-6 球铁曲轴。但从整体水平 来看，存在生产效率低，工艺装备落后，毛坯机械性能不稳定、精度低、废品率 高等问题。 3.1.2 曲轴结构设计 曲轴结构设计在过去的几十年中得到了飞速的发展。 在曲轴的设计初期一般 是按照已有的经验公式计算或者与已有的曲轴进行类比设计， 在进行了初步的设 57 计后造出曲轴样品再进行试验，通过实验数据进行适当的改进。曲轴设计发展到 今天已经有了很大的发展。随着内燃机向高可靠性、高紧凑性、高经济性的不断 发展， 传统的以经验、 试凑、 定性为主要设计内容的设计方法已经不能满足要求， 而随着电子计算机技术的不断发展， 内燃机及其零部件的设计已经发展到采用包 括有限元法、优化设计、动态设计等现代先进设计技术在内的计算机分析、预测 和模
