发动机曲轴箱（精选9篇）
发动机曲轴箱 篇1
1概述
发动机在工作过程中燃烧室内气体不可避免的要从活塞环窜入曲轴箱, 其主要成分包括已燃烧的气体、未燃烧的气体及水蒸气等。
为防止曲轴箱窜气造成曲轴箱内压力异常, 影响整机性能及可靠性, 由于曲轴箱内存在大量的机油液滴, 会随着发动机窜气一起排出曲轴箱, 从而造成机油消耗量增加并污染环境, 因此必须进行控制。
曲轴箱通风系统主要功能是将曲轴箱混合气中的油进行分离, 分离后的机油回到曲轴箱, 同时要保证曲轴箱压力控制在合理的范围。
曲轴箱通风系统主要结构形式分为开式及闭式两种。分离后的气体直接排入大气称为开式曲轴箱通风系统, 其优点是结构简单、成本低, 但不可避免的对环境造成一定的污染。目前国家排放标准没有强制要求压燃式内燃机必须采用闭式曲轴箱通风系统, 出于对整机性能、可靠性及成本的考虑现有国内柴油发动机多数采用开式系统, 典型系统组成如图1所示。
分离后的气体进入进气系统重新参加燃烧称为闭式曲轴箱通风系统, 系统简图如图2所示。其优点是能实现曲轴箱污染物零排放, 但结构复杂、成本高, 如果曲轴箱通风系统与整机不匹配, 导致机油消耗量增加 ( 活塞、喷油器及火花塞积碳, 严重时造成发动机爆震) ; 增压器、中冷器性能下降, 故障模式如图3所示。
为了应对排放法规以及新型发动机开发对曲轴箱通风系统设计带来的挑战, 近年来越来越多的学者加入到了曲轴箱通风系统的研究中来, 系统CAE仿真及新型高效油气分离技术的研究取得到了长足的进步, 为进一步完善曲轴箱通风系统设计提供了支撑。
2曲轴箱通风系统设计
为保证曲轴箱通风系统能够满足整机要求, 设计过程中主要应该考虑曲轴箱通风通道设计 ( 纵向、垂直…) 、油气分离装置设计、压力调节装置设计、回油系统设计、取气口位置设计以及防结冰功能设计等六方面因素。
2. 1曲轴箱通风通道设计
曲轴箱通风通道主要由纵向通风通道以及垂直通风通道两部分组成。
2. 1. 1纵向通风通道
纵向通风通道是指相邻两缸之间用于气体流动的空间, 如图4所示。纵向通风通道设计直接影响到整机摩擦功以及曲轴箱气体内的机油含量。
a. 纵向通风通道对整机摩擦功影响
由于活塞在曲轴箱内的往返运动造成各缸纵向通风通道空间在不断的变化, 在活塞下行过程中会不断压缩曲轴箱内的气体, 进而受到压缩的气体推动油底壳内的机油液面释放能量, 导致机油液面波动, 整机摩擦功增大, 与此同时, 曲轴箱箱内部压力波动剧烈, 如图5〔1〕所示, 根据不同发动机设计水平, 该波动值最大能够超过±0. 1bar。
为了减低活塞下行过程中, 各缸纵向通风面积减小对摩擦功的影响, 需要增加各缸之间的纵向通风通道, 其主要作用是平衡各缸之间曲轴箱内部压力, 防止在某一缸下行过程中对曲轴箱内部气体的压缩, 降低由于曲轴箱通风所造成的摩擦损失, 不同转速下, 各缸之间的纵向通风面积与摩擦损失关系如图6〔1〕。
b. 纵向通风通道对机油含量影响
如果曲轴箱内气体流速过高, 会将更大直径的机油液滴带入混合气体中, 从而使曲轴箱气体中的机油浓度增加, 因此, 曲轴箱内气体流速直接影响气体内的机油含量, 必须保证相邻两缸曲轴箱之间有足够的流通面积。
2. 1. 2垂直通风通道
垂直通风通道是指将发动机曲轴箱内的气体输送到缸盖上部的通风通道, 设计时应主要注意曲轴箱通风通道与机油回油道需要尽量分开, 如图7所示。
垂直通风通道设计同样影响到气体中的机油含量, 如果回油与通风通道没有分开, 就会导致气体中含油量增加, 加剧油气分离器的负担; 相反, 如果回油与通风通道彻底分开, 气体中含油量会由于重力作用一定程度减少, 有利于油气分离。
2. 2油气分离装置
油气分离装置是曲轴箱通风系统重要组成部分, 主要有粗分离、精分离两部分组成。
粗分离部分多为迷宫形式 ( 布置在气缸盖罩盖内) ; 精分离部分多为螺旋或多级旋风形式。但近几年在现代发动机开发中Downsize的趋势对曲轴箱通风系统提出了巨大的挑战, 所以粗、精分离部分及膜片式压力调节阀集成 ( 模块化) 已是普遍应用。
2. 2. 1油气分离技术分类
目前油气分离技术主要分为两类:
1通过流动能量实现油气分离: 迷宫式、螺旋式、旋风式、金属丝网、纤维过滤;
这些分离技术在一汽自主发动机上得到了广泛应用
2需要外部辅助动力实现油气分离: 叠片式分离、静电分离。
2. 2. 2油气分离装置的评价准则
一般对于油气分离技术主要从分离效率和阻力两方面进行评价。图8〔2〕显示的是不同油气分离形式, 分离效率、阻力的对比;
同时, 从上图还可以看出叠片式分离技术效率高、阻力小, 是未来油气 分离技术 的主要发 展方向。
2. 2. 3典型油气分离结构设计
a、双旋风油气分离结构
图9是一款V6发动机采用双旋风油气分离结构的示意图, 其原理是: 曲轴箱气体切向进入旋风式分离腔并在其内高速旋转, 由于离心力的作用使油滴分离并回流到机油盘。
b、叠片式油气分离结构
图10是一款重型柴油机采用叠片式油气分离结构的示意图, 其原理是通过高压机油驱动叠片高速旋转, 当油气进入高速旋转的叠片内部后, 质量较大的液滴因受到巨大的离心力而被甩出, 从而实现油滴与气体的分离。
由于叠片式油气分离结构分离原理主要是依靠高转速形成的离心力, 因此分离效率主要与叠片转速相关, 分离效率与转速的对应关系如图11所示, 从图中可以看出随着转速的提升, 分离效率逐渐提高。
2. 3压力调节阀设计
开式曲轴箱通风系统, 曲轴箱压力主要取决于通风系统阻力, 通过优化系统阻力即能实现曲轴箱压力设计目标, 无需额外的压力调节装置。但闭式曲轴箱通风系统由于发动机负荷不同, 导致进气管真空度变化范围大, 此时如果不进行压力调节, 曲轴箱压力会随进气管真空度剧烈变化。虽然曲轴箱负压可以减小活塞下行阻力, 对发动机摩擦功有一定好处, 但曲轴箱压力过低会导致:
1曲轴箱内气体流速过快, 造成油气分离及回油系统失效, 机油消耗量异常;
2机油标尺及油封等密封部位漏气, 造成发动机性能下降, 甚至引起发动机早磨。
因此, 合理的设计压力调节阀对于整个闭式曲轴箱通风系统与整机的匹配有着重要的意义。
压力调节阀主要应用于闭式曲轴箱通风系统。按结构形式划分主要有柱塞式及膜片式两种形式。
2. 3. 1柱塞式压力调节阀
柱塞式压力调节阀主要应用于早期汽油机闭式曲轴箱通风系统, 由弹簧、节流板、柱塞以及壳体四部分组成, 见图12。
由于进气管真空度的作用, 柱塞压缩弹簧改变节流板流通面积实现压力调节, 也就是在不同进气管真空度作用下, 通过柱塞式压力调节装置控制曲轴箱窜气进入进气系统的流量实现压力控制, 如图13所示。所以柱塞式压力调节阀的流量特性与发动机窜气量对应关系决定曲轴箱压力的控制水平。
2. 3. 2膜片式压力调节阀
膜片式压力调节阀广泛应用于汽油机及柴油机闭式曲轴箱通风系统, 由膜片、膜片衬板、弹簧以及壳体四部分组成, 其工作原理是通过进气管真空度、曲轴箱压力及弹簧力三者之间的平衡实现压力控制, 计算公式如下:
注: A1 - 进气管真空度作用面积A2 - 曲轴箱压力作用面积P进气管 - 进气管真空度P曲轴箱- 曲轴箱压力具体如图14所示
A1面积决定最大漏气量时压力调节阀的阻力, A1、A2面积比决定曲轴箱压力的变化范围。
现代发动机通用化、集成化程度越来越高, 柱塞式压力调节阀属于流量控制, 对发动机漏气量比较敏感, 通用化率低, 逐渐被膜片式压力调节阀取代。
2. 4回油系统设计
回油系统主要功能是将油气分离器分离出的油滴返回到曲轴箱内。为了保证上述功能的实现, 首先需要明确回油高度的概念。回油高度是指在发动机运行工况下, 油滴能够充满回油通道的垂直距离。
在进行回油系统设计时, 主要考虑回油高度与系统阻力之间的平衡, 具体计算公式如下:
注: Lmin- 最小回油高度ΔP - 系统阻力ρ - 机油密度g - 重力加速度
为了能够保证回油顺畅, 在发动机不同工况下回油高度L必须大于Lmin。当回油高度小于Lmin时, 会导致油气分离装置分离出的机油无法回到曲轴箱内, 随着运转时间的增加, 机油积累到一定程度就会从出油口喷出, 导致曲轴箱通风系统失效, 因此回油高度设计是曲轴箱通风系统设计的核心内容。
为了满足回油功能, 通常的设计方案包括:
1单独设计回油通道, 将回油出口直接设计到机油液面以下;
2根据虹吸原理, 设计“J”型管结构, 具体结构如图15所示。
3受空间限值, 回油高度无法满足要求时, 在回油系统中增加单向阀及储油腔结构, 具体结构如图16所示。
此外, 在回油系统设计过程中还需要注意以下方面:
1回油系统应该保证足够大的流通面积, 使分离出的机油及时回到曲轴箱;
2考虑不同车型发动机的安装位置 ( 纵置、横置…) ;
3考虑整车允许的最大倾斜角度对回油高度的影响。
2. 5取气口设计
缸体、罩盖上曲轴箱通风出口的位置, 应当设计在气体流动速度低而且油气已被预分离的区域。
同通风通道设计相似, 取气口位置选择对于油气分离装置分离效果有着重要的影响。如果取气口选择在机油浓度高的区域, 大量的液态机油就会随着曲轴箱气体一同进入到油气分离装置中, 此时, 即使油气分离装置分离效率高, 也很难满足要求;反之, 如果取气口处于机油浓度低的区域, 曲轴箱气体中的含油量就相对小, 能够极大降低油气分离装置设计难度。
2. 6防结冰设计
由于曲轴箱气体中含有大量的水蒸气成分, 因此在寒区存在曲轴箱通风系统结冰的问题, 如图17所示。
为了满足不同环境使用需求, 需要在曲轴箱通风系统设计过程中考虑防结冰设计。目前主要解决方案包括使用冷却系统循环水加热以及增加电加热装置。
2. 6. 1冷却系统循环水加热
冷却系统循环水加热方案主要优点在于不需要额外消耗能量, 但其管路设计复杂, 可靠性差, 因此, 通常应用在汽油机上。典型系统构成如图18所示。
2. 6. 2电加热方案
电加热方案主要优点为结构设计简单, 可靠性好, 但由于在加热过程中需要消耗电能, 因此, 通常应用在柴油机上。电加热设计主要包括控制逻辑设计、加热器结构以及性能设计三方面。
a) 控制逻辑设计
由于曲轴箱通风系统结冰并不是一直存在, 因此为了降低电能消耗需要设计控制逻辑, 优化加热系统工作。
通过分析曲轴箱通风系统结冰试验数据, 发现触发结冰的俩个边界是温度以及湿度, 由于湿度包括环境湿度以及曲轴箱气体湿度, 而曲轴箱气体湿度无法采集, 因此, 在进行加热控制系统设计中主要依靠环境温度进行闭环控制。
b) 加热器结构设计
加热器主要由加热层、连接接头以及电器插接件组成。某款柴油机加热器结构如图19所示。加热层集成在连接接头内, 电器插接件选用时需要考虑电磁兼容要求。
c) 加热器性能设计
在加热器性能设计中主要需要考虑两个方面, 加热速度以及平衡后的最高温度。如果加热速率低, 可能导致温度上升速度慢, 存在短暂结冰的问题; 平衡后最高温度过高会造成能量浪费, 对于连接胶管可靠性也不利; 因此, 在设计加热电流时需要综合考虑上述两个问题。
2. 7 CAE技术
由于曲轴箱通风系统涉及结构部件多 ( 缸体、缸盖、飞轮壳…) , 流动空间复杂, 长期以来, 无法进行有效的CAE分析是阻碍曲轴箱通风系统正向设计的关键影响因素。
近年来, 随着CAE技术的快速发展, 网格划分技术以及数学计算模型都取得了长足的进步, 目前在曲轴箱通风系统领域已经能够开展一些工作。
曲轴箱通风通道分析
目前已经能够应用CFD软件初步进行曲轴箱通风通道模拟, 此项工作对曲轴箱通风系统设计有重要影响, 通过CFD分析, 在设计阶段就能够确定缸体通风通道设计, 避免后期由于通风通道设计不合理导致缸体从新优化等问题, 能够极大的提升整机开发周期, 曲轴箱通风CFD分析典型案例如图20所示。
油气分离装置CFD分析
油气分离装置CFD分析工作开展比较早, 通过CFD技术确定油气分离装置分离效率是在进行油气分离装置设计过程中必须经过的环节, 油气分离装置分离效率CFD分析典型案例如图21所示。
3总结
曲轴箱通风系统作为对发动机性能及可靠性有重要影响的核心子系统, 在过去很长一段时间内都是整机设计的难点, 尤其随着欧六排放法规的实施以及整机Downsize的趋势更是对曲轴箱通风系统提出了巨大的挑战。
本文通过总结一汽多年来发动机曲轴箱通风系统的开发经验, 详细的论述了曲轴箱通风通道设计、油气分离结构设计、压力调节阀设计、回油系统设计、取气口设计以及防结冰设计等六方面设计要点, 为将来新一代发动机曲轴箱通风系统设计提供了设计准则, 进而降低系统设计风险。
摘要：近年来, 随着排放法规的升级以及发动机可靠性能力提高, 对曲轴箱通风系统设计提出巨大的挑战, 主要表现为:1对于柴油机, 为了降低曲轴箱排放物对环境的污染, 闭式曲轴箱通风系统成为必然趋势;2对于汽油机, 随着发动机强化程度提高 (尤其是增压直喷发动机) , 同排量发动机漏气量急剧增加, 但对曲轴箱通风系统机油携出量、曲轴箱压力都提出了更加严格的要求, 从而造成系统设计难度大幅提升。本文基于一汽自主发动机开发过程中积累的大量经验, 对曲轴箱通风系统设计过程中所采用的通风通道设计技术、油气分离及回油技术、曲轴箱压力控制技术及CAE模拟分析技术等进行了详细论述。
关键词：发动机,曲轴箱通风系统,设计研究
参考文献
[1]Franz Koch, Frank G.Haubner and Kolja Orlowsky.Lubrication and Ventilation System of Modern EnginesMeasurements, Calculations and Analysis.SAE.2002-01-1315
[2]Gerd Kissner and Stefan Ruppel.Highly Efficient Oil Separation Systems for Crankcase Ventilation.SAE.2009-01-0974
发动机曲轴箱 篇2
在当下这个社会中，报告对我们来说并不陌生，我们在写报告的时候要注意逻辑的合理性。我们应当如何写报告呢？下面是小编为大家收集的有关发动机曲轴连杆实习报告，仅供参考，欢迎大家阅读。
一、实训项目：
曲轴飞轮组的拆装
二、主要内容及目的
（1）熟练曲轴飞轮组的装配关系和运动情况
（2）掌握曲轴飞轮组的拆装方法、步骤。
四、实训与考核器材
（1）5A发动机1台。
（2）常用工量具1套，专用工具1套，机油少许。
五、操作步骤及工作要点
1、曲轴飞轮组的拆卸
（1）将汽缸体倒置在工作台上，旋松飞轮紧固螺钉，拆卸飞轮（飞轮较重，拆卸时注意安全）。
（2）拆卸正时链轮，首先松开张紧轮，取下链轮时注意链轮上的正时标志和传动方向。
（3）拆卸曲轴前端及后端密封凸缘及油封。
（4）拆下曲轴主轴承盖紧固螺栓，不能一次全部拧松，必须分次从两端到中间逐步拧松，取下主轴承盖。注意：各缸主轴承盖有装配标记，不同缸的主轴承盖及轴瓦不能互相调换。
（5）抬下曲轴，再将主轴承盖及垫片按原位装回，并将固定螺钉拧入少许。注意曲轴推力轴承的定位及开口的安装方向。
2、曲轴飞轮组的装配
①安装前应全面清洗发动机零部件，尤其是相互配合的运动件表面应保持清洁，并涂抹润滑油。
②安装顺序一般与拆卸顺序相反，由内向外进行。
③各配对的.零部件不能互相调换，安装方向也应该正确。各零部件相对装配关系应保持正确。
④各紧固螺钉应按规定力矩和方法拧紧。
（5）检验曲轴的轴向间隙。检验时，先用撬棍将曲轴撬挤向一端，再用厚薄规在止推轴承处测量曲柄与止推垫片之间的间隙。新装配时间隙值为0.07~0.17mm，磨损极限为0.25mm。如曲轴轴向间隙过大，应更换止推轴承。
六、注意事项
（1）拆卸曲轴主轴承盖时，注意拆卸顺序两端向中间，装时中间向两端。分两两到三次拧紧，力矩为65N/M。
（2）各缸主轴承盖有装配标记，不同缸的主轴承盖及轴瓦不能互相调换。
（3）安装飞轮时，齿圈上的标记与l缸连杆轴颈在同一个方向上。
发动机曲轴组件的检查与修理 篇3
关键词：发动机；曲轴组件；轴瓦
中图分类号： U472 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.14.023
曲轴组件是发动机的关键部件，曲轴组件技术状态的好坏直接决定发动机的使用质量与运行安全。曲轴组件检修、维护的水平决定于柴油机的运行品质、功率发挥及使用寿命。本文笔者对发动机曲轴组件常见故障的检修进行了分析探讨。
1 曲轴的检查与修理
曲轴在发动机工作中主要承受周期性变化的气体压力、往复惯性力和离心力及其各力产生的转矩和弯矩等的作用。曲轴的损坏主要是曲轴轴颈磨损、裂纹或弯曲等。
1.1 轴颈磨损
1.1.1 曲轴轴颈、轴颈尺寸变小、形成锥度和椭圆 主要原因是 有的曲轴设计制造时，没有离心沉淀室，由于油道倾斜，机油中的磨料在离心力的作用下偏聚、积累在连杆轴颈的一侧，使该侧轴颈磨损较快而形成锥度；由于连杆轴颈承受着由连杆传来的气体压力与活塞连杆组往复运动的惯性力，以及连杆大头回转运动离心力的作用，这些力合成总合力，其总合力大小和方向随时间变化，且作用于轴颈上的力沿周向分布不均匀，而使轴颈一侧磨损较大，形成椭圆；连杆弯曲扭曲、曲轴本身有弯曲、缸套在缸体中纵向偏斜等，将使曲轴轴颈上受力不均而产生偏磨。
1.1.2 轴颈的磨损程度检修 发动机拆修后，必须对曲轴轴颈的磨损程度进行检查。曲轴轴颈磨损后，圆度或圆柱度超过0.02毫米，应在曲轴磨床上进行光磨。光磨后曲轴应符合以下要求：圆度和圆柱度误差小于0.01毫米，其公差应不大于0.02毫米。轴颈工作面两端应留有1～3毫米的过渡圆角，轴上的油孔应有0.50～1.00×45°的倒角，并去掉毛刺。主轴颈和连杆轴颈的修磨符合规定的修理尺寸。主轴颈和连杆轴颈的修磨，必须分别修磨成同级修理尺寸，以便选配统一的主轴瓦和连杆轴瓦。光磨曲轴时，要求先磨主轴颈，后磨连杆轴颈。因为主轴颈中心线是确定和检查曲柄半径的基准。
1.2 曲轴裂纹
1.2.1 裂纹常见位置 曲轴的裂纹多数发生在曲柄臂与轴颈之间的过渡圆角处，以及油孔处。前者多为横向裂纹，严重时将造成曲轴断裂，应重点检查。后者多为轴向裂纹，沿斜置油孔的锐边向轴向发展。
1.2.2 裂纹发生原因 曲轴横向、轴向裂纹主要是应力集中引起的，对发动机工作危害很大，应更换曲轴；轴颈上油孔处的裂纹，主要是因为油道斜置，使油孔处的应力呈不对称分布所致。较轻微的也可以通过焊修，再经轴颈磨削后消除，继续使用。如果纵向裂纹严重时，应更换曲轴。
1.2.3 裂纹的检验 渗油敲击法：将清洗干净的曲轴放在煤油中浸泡，再把曲轴取出擦净，表面撒上白粉，然后用手锤沿轴向敲击曲轴非工作面，白粉中如有明显裂纹状油迹出现，则该处有裂纹。
磁力探伤法：借助探伤仪将零件磁化，在零件可能产生裂纹处撒些磁粉，当磁力线通过裂纹边缘处时，磁粉将会吸附在裂纹处，从而显现处裂纹的部位和大小。
1.3 曲轴弯扭变形
1.3.1 曲轴弯扭变形原因 曲轴产生弯曲和扭曲变形，往往是由于曲轴受到过大的冲击负荷所造成的。
1.3.2 曲轴弯扭变形检查 检查曲轴弯曲，一般用千分表在车床上或V形垫铁上进行，如：转动曲轴，找出反映在千分表上的最小读数，转动表盘使指针指示对零，再转动曲轴180°，此时千分表读数即为曲轴弯曲的摆差，摆差的一半即为曲轴的弯曲度。曲轴弯曲度不得超过0.03毫米，否则，应予以校正。检查时的测试点，应测曲轴中间的主轴颈。曲轴弯曲一般采用冷压校正，即将曲轴平置于压床上，两端主轴颈处垫以V形铁块。为了防止损伤主轴颈，V形垫铁上应衬以软金属或旧主轴瓦。然后，在曲轴弯曲的反向上对主轴颈加压，加压弯曲量通常为弯曲度的10～15倍。如曲轴弯曲度为0.10毫米，加压弯曲量应为1.0～1.5毫米。当曲轴加压变形量符合要求时，应停止增压，保持压力约10分钟后卸压，再次测量曲轴弯曲度。一般需进行多次检查和校正，直到达到要求为止。冷压校正后，曲轴必须作人工时效处理。
2 主轴瓦和连杆轴瓦的选配
轴瓦在使用中的损坏主要是磨损、疲劳脱落或烧熔等。轴瓦磨损，使轴瓦间隙增大，曲轴轴颈产生失圆、锥体、润滑变差，致使轴瓦加速磨损。轴瓦受冲击负荷，使金属产生凹痕、裂缝，引起金属脱落。发动机大修时，必须更换轴瓦。轴瓦选配前，应首先检查轴瓦座孔是否符合标准，要求轴瓦座孔的圆度和圆柱度误差都不得超过0.05毫米。否则，可用涂镀方法给予修复。
2.1 轴瓦选配的要求
根据轴颈选轴瓦。根据轴颈光磨后的修理尺寸，选用同一级修理尺寸的轴瓦；轴瓦长度符合规定。新的轴瓦装入座孔内，上下两片每端应离出座平面0.05毫米，以保证轴承与座孔紧密贴合，提高散热效果；轴瓦背面光滑凸榫好。为了使轴瓦背面与座孔紧密贴合，增强散热效果，轴瓦背面镀一层很薄的锡，厚度为0.001～0.002毫米。凸榫能防止轴瓦转动，起定位作用；弹性适当，无哑声。将轴瓦装入座孔后，要求轴瓦在自身弹力作用下，与轴瓦座紧密贴合在一起，以利散热。检查轴瓦有无哑声，可敲击轴瓦，有哑声，表明轴瓦合金与底板结合不牢，应重新选配。
2.2 轴瓦间隙的检查
曲轴轴瓦径向间隙应符合要求，曲轴主轴瓦标准间隙为0.060～0.075毫米，大修允许0.10毫米，使用限度为0.125毫米；连杆轴瓦标准间隙为0.07～0.08毫米，大修允许0.10毫米，使用限度为0.125毫米。间隙检查方法如下：将轴瓦盖按原有规定记号装复，按规定力矩拧紧螺母。主轴瓦螺栓拧紧力矩为73.5Nm，连杆轴瓦螺栓拧紧力矩为39.2Nm；拆下轴瓦盖，用测量间隙规测出塑料间隙条宽度，此即为径向间隙；如果轴瓦过紧或过松，必须重新选配。不可用修刮轴瓦来满足其松紧度。曲轴轴向间隙标准为0.08～0.20毫米，使用限度为0.25毫米。
发动机曲轴箱 篇4
另外, 当发动机运转时, 较大的油滴就会从发动机运动件 (曲轴、活塞、连杆、凸轮轴和正时链条等) 上被甩出来, 形成油雾。另一个主要的油雾源是广泛运用于高性能发动机活塞的飞溅机油冷却。此处, 之前气态低沸点润滑油成分的雾化促成了机油颗粒的形成。
曲轴箱内的混合气体的主要成分为未燃的烃、水蒸气、废气等。这会稀释机油, 降低机油的使用性能, 加速机油的氧化、变质和增加消耗;水气凝结在机油中, 会形成油泥, 阻塞油路;酸性的气体混入润滑系统, 将导致发动机零件的腐蚀和加速磨损;窜气还会使曲轴箱的压力过高而破坏曲轴箱的密封, 使机油渗漏流失。
因此为防止曲轴箱压力过高, 延长机油使用期限, 减少零件磨损和腐蚀, 防止发动机漏油, 也为了满足日益严格的排放要求和提高经济性, 在车用发动机设计过程中必须进行曲轴箱通风系统设计。
1 通风形式
曲轴箱通风系统主要分为:开式曲轴箱通风系统和闭式曲轴箱通风系统两类。开式曲轴箱通风系统在发动机处于全负荷低转速时, 产生的漏气量大, 但流量控制阀开度却减小, 过量的窜缸混合气会通过开式通风盖散入大气, 其净化率较低。
为完全控制曲轴箱的排放, 就需采用闭式强制曲轴箱通风系统。闭式强制曲轴箱通风系统能完全实现控制曲轴箱的排放, 防止油泥和其他有害物质的积蓄, 减少了发动机的故障和磨损, 也更能满足越来越严格的排放标准和环保要求。
2 主要零部件
2.1 油气分离器
油气分离器是曲轴箱通风系统中最重要的零件。曲轴箱混合气通过油气分离器后, 机油从混合气中分离出来, 回到油底壳, 较为干净的气体经油气分离器的分离后进入燃烧室再次燃烧。因此油气分离器的分离能力非常重要。
当前车用发动机运用较多的油气分离器形式主要有:迷宫式、旋风式、滤芯式、离心式。另外近期在研究开发的还有静电式的油气分离器。迷宫式油气分离器主要通过减缓曲轴箱混合气的流速, 使混合气中的油雾冷凝, 从而达到油气分离的效果。迷宫式的主要特点是使用寿命长, 压损小, 价格便宜但分离效率较低;旋风式油气分离器主要通过流体学原理达到分离效果, 旋风式的主要特点是装配 (布置) 方便, 价格便宜, 开发技术比较成熟但也存在分离效率较低的缺点;滤芯式油气分离器主要利用特制的滤芯来分离混合气中的油雾, 从而达到分离效果, 分离效率较高, 且技术成熟, 但滤芯的更换周期很短;离心式分离器通过离心力的作用将油雾分离出来, 分离效率高, 压力损失小, 使用寿命长, 但价格昂贵;静电式分离器, 通过吸引机油电离子的原理将油雾分离出来, 分离优于离心式, 并且对微小油滴的吸附能力很强, 压力损失少, 使用寿命长, 但目前此类产品处于预开发阶段, 技术还不是很成熟。
目前离心式油气分离器的技术已经比较成熟, 许多商用车发动机都采用此油气分离器。主要工作原理就是利用离心技术, 其本身并不十分复杂, 大多数这样的离心式分离器的动力源来着主油道的润滑油, 其压力足够来驱动油涡轮, 让分离器产生有序的振动, 分离器转子的转速能够达到70 00 r/min, 可以使曲轴箱混合气产生大约25000 m/s2的加速度 (大致相当于重力加速度的2500倍) , 足够将油滴完全从曲轴箱混合气中分离出来。这些油滴从转子的转片边缘处甩出, 汇集到曲轴箱壁上, 然后慢慢地被收集到油底壳, 而被净化后的曲轴箱混合气再通过一个单独的出口进入进气系统中。随着转速的升高, 离心式油气分离器的分离效率也随之升高。
对于同一种油气分离器来说分离效率随着系统的油滴大小的状况而不同。研究表明, 细液滴频谱中的45%被分离 (等同于所有大于0.8微米的液滴被分离;占总质量的60%~100%) 以及75%的大液滴被分离。
2.2 PCV阀
PCV阀 (压力控制阀) 的工作原理是通过曲轴箱与进气管之间的压力差来调节窜气的流量, 使曲轴箱压力稳定在一个合适的范围内, 一般柴油机, 曲轴箱压力必须保证在-2.5k Pa~1k Pa;汽油机:曲轴箱压力必须保证在-2.5k Pa~0k Pa。PCV的另一种作用是阻止发动机的回火:即燃烧室内的火焰会随着闭式曲通管路到达曲轴箱, 引起曲轴箱爆炸。
常用的PCV阀有两种形式, 一种是膜片式, 一种是柱塞式。要求气体通过PCV阀, 有较低的压降。当进气歧管压力大于曲轴箱压力时, PCV阀不工作;当进气歧管压力小于曲轴箱压力时, PCV阀工作。膜片式P CV阀通过膜片感应阀两侧压差, 膜片的张角大小控制气流量;弹簧式PCV阀通过弹簧感应阀两侧压差, 推动阀芯的运动控制气流量的大小。
3 发展趋势
现代发动机设计中曲轴箱通风系统发展趋势, 越来越倾向于将PCV阀、油气分离器等集成于一体, 将集成后的曲轴箱通风系统置于在气门室罩盖内部或者发动机易于布置的位置, 使发动机整机结构更加紧凑, 占用空间更小;同时也越来越倾向于使用分离效率更高的油气分离器, 使发动机在排放、经济性等方面更有优势。当前的许多集成模块已经集成了油气分离器、PCV阀、机油冷却器、机油滤清器等多种功能。
随着排放法规要求越来越高, 对发动机而言, 所选的油气分离器分离效率也要求越来越高, 所能分离油滴的大小也非常小。只有这样, 才能有效控制分离后的机油携带量, 对燃烧后排放中的碳颗粒含量才能够有效控制。另一方面, 曲轴箱通风的回油管口必须保持压力稳定, 确保曲通回油的顺畅。一般将曲轴箱通风的回油管布置在液面以下, 但是与整车匹配的发动机必须和整车一样, 具有倾斜工作的良好性能。所以, 在发动机设计前期, 必须对发动机的倾斜角度做详细的了解, 确保发动机在满足倾斜要求。
4 结语
对于现代发动机而言, 曲轴箱通风系统的设计在发动机设计中所占地位越来越重要, 随着排放法规越来越严, 需要添加很多新技术, 新装备来满足其性能的提升和系统的优化。如何设计出既便宜又能满足需求的曲轴箱通风系统将是设计人员不断摸索的课题。
摘要：全球的汽车市场对于排放的要求越来越严格, 汽车发动机曲轴箱通风系统设计的优劣对于排放起着比较重要的影响, 因而高性能、模块化的曲轴箱通风系统的开发也成了设计人员追求的目标。
发动机曲轴箱 篇5
1 事故原因分析
通过对呼吸孔和加油孔的观察, 发现有大量气体窜出, 判断该发动机为曲轴箱窜气, 现对造成曲轴箱窜气的原因进行分析。
1.1 燃烧不善, 性能恶化
1) 润滑油由于高温空气的存在以及金属的催化作用, 发生氧化生成积炭, 以致影响了机油的润滑性能。
2) 燃料不完全, 加速活塞与气环磨损导致曲轴箱窜气, 有以下几种情况: (1) 由于供油系统故障, 导致燃料不完全; (2) 由于燃油质量、燃油标号导致的燃料不完全燃烧; (3由于磨损、卡环, 进、排气门关闭不严导致的燃料不完全燃烧。
燃料不完全燃烧, 会将燃料由气态还原为液态, 将燃烧室内的烟炱、活塞及活塞环内的积炭冲下, 窜入曲轴箱, 通过对曲轴箱的解体分析, 未发现有积碳存在, 故而非此项原因所致。
1.2 配气相位不善
齿轮及左右凸轮轴传动齿轮的键槽中心线与各定位齿间的中心线夹角不正确致使配气相位不符, 排气门迟开, 造成曲轴箱出现严重窜气。
因为该发动机已使用近10年之久, 而此类问题一般发生在新发动机使用初期故而此项可能也可以排除。
1.3 机油的影响
机油含水量超标会严重影响发动机窜气的控制, 在实际施工过程中, 由于机油的反复使用, 常常出现发动机窜气量突然增大的奇怪现象。这往往是由于重复使用的机油中水分没有及时清除干净, 造成机油品质大幅下降, 因此, 必须及时对重复使用的机油进行脱水处理。经过对司机的询问, 脱水工作一直在进行, 排除此项因素的影响。
1.4 活塞环组与气缸套密封性差
发动机工作都是靠吸入混和气后压缩, 然后点燃做功产生动力, 从压缩到燃烧中都会产生很高压力, 被压缩的气体会从活塞和缸体的缝隙、活塞环开口、活塞环和缸体的缝隙等地方窜出去进入曲轴箱。活塞和缸筒, 活塞环和缸筒之间都不是完全密封, 活塞和缸筒配合上有一定间隙, 缸筒和活塞环之间也不会是完完全全的圆, 活塞环为了解决热胀冷缩还有开口缝隙, 这些地方都会有被压缩和燃烧的气体泄漏。曲轴箱和缸体、缸盖上的气门室盖是连通的, 这些气就会在发动机内流动, 故而产生窜气现象, 主要有以下几个方面。
(1) 活塞环外圆面与气缸壁之间的间隙, 可能是磨损、环对口、环卡死、异物侵入等原因造成。
(2) 环槽和活塞环侧面之间的间隙。
(3) 活塞环的开口间隙。
该车长时间进行野外大负荷施工作业, 由于压力过大造成活塞环受损可能性较大, 故而可以初步判断为此项原因所致。
2 检测过程
解体检测发现:
(1) 第4、7、9缸活塞环对口。
(2) 1缸活塞顶环断裂, 2缸活塞顶环开口间隙增大。
(3) 1、2缸圆柱度误差超标, 缸套台阶较大。
(4) 1缸缸套出现拉缸现象。
(5) 1缸活塞环槽检测结果, 侧隙值。
第一道气环:0.20mm;第一道气环0.2 0mm;油环:0.10mm
经过与压裂大队联系, 为了保证修理效果, 决定对超标缸套及活塞环全部进行更换, 在解体、更换、安装过程完毕后, 该车试车各项性能良好, 达到预期修理效果。
3 结果分析
3.1 一缸活塞顶环断裂
燃气压力和流通通路是造成发动机窜气的两个最基本的条件, 其中燃气压差既是窜气产生的动力来源, 同时也是活塞环密封系统正常密封时的推动力, 各环岸燃气压力均为正值, 并随活塞运动处于不断的变化中, 顶环岸压力大大高于第二环岸和第三环岸处的压力, 顶环岸压力波动最大, 其余环岸压力波动相对平缓。据此可推断活塞顶环断裂可能性最大, 与检测结果相一致。
3.2 活塞环对口
活塞环对口主要是因为活塞环在环槽内产生了运动, 因此活塞环在环槽内存在较大窜动、颤振以及自身的扭曲变形运动这些现象都会造成活塞第一道气环槽下端过度磨损。当作用在活塞环上的密封压力很小时会出现活塞环颤振现象, 第二道环颤振时, 压力差会使气体从第二环岸处流经第二道环和环槽之间的间隙到达第三环岸, 为正向气体流动。而第一道环颤振时, 第二环岸处压力略高于顶环上方气体压力, 因此会使气体经过第一道环槽逆向流回燃烧室, 与低速运转条件下气体通过第一道环闭口间隙的回流量相比, 这种回流是发生在活塞环整个圆周方向上。
此外, 来自燃烧室内的强大的气体压力也会造成第一道环的动态扭曲变形, 进而改变活塞环外圆面与气缸壁之间的密封贴合位置, 从而影响窜气大小, 而活塞环在环槽内存在的较大窜动、颤振与自身的扭曲变形运动共同作用, 久而久之, 便会使活塞环出现对口现象。
3.3 一、二缸缸套台阶较大
缸套台阶较大是因为活塞环在环槽内运动过程伴随较大窜动、颤振以及自身的扭曲变形运动, 而致使与缸套接触不均匀, 造成受力不平衡, 使缸套局部受到挤压, 经过无数次的往复运动后, 缸套持续磨损, 便产生了较大的台阶。
3.4 出现拉缸现象
造成拉缸的主要原因是活塞环断裂后所产生断截与碎粒直接接触到汽缸套, 伴随活塞往复运动致使缸套出现拉痕。
4 结语
(1) 第1道气环外表面磨损引起环组动力学特点的改变要先于气缸套磨损。
(2) 在发动机运转过程中, 活塞环会在环槽中产生轴向、径向、扭转方向上的位移, 出现十分不利于密封的颤振问题。在膨胀行程初期, 第二道环出现颤振, 在排气行程初期第一道环出现颤振。
(3) 活塞环环开口间隙增大导致密封系统中惯性力的不断变化, 致使密封压力出现剧烈变化, 影响了活塞环密封系统正常、稳定地发挥效用, 形成了主要的窜气通路。
(4) 活塞环侧平面磨损会导致环在槽内窜动量增大而致使环组动力学预测值增大。
5) 活塞环槽、活塞环岸间隙, 以及活塞环的设计和加工对发动机窜气有着十分重要的影响。
参考文献
[1]蒋德明.内燃机原理[M].中国农业出版社, 1988.
发动机曲轴疲劳分析 篇6
曲轴是内燃机中最主要的机件之一, 内燃机的可靠性和寿命也在很大程度上取决于曲轴的强度[1]。曲轴在工作中承受的载荷是交变载荷, 曲轴的损坏常常表现为疲劳断裂, 因此对曲轴的研究一直受到设计者的重视。对曲轴的设计和校核, 传统的方法是通过实验来完成, 需要投入极大的人力和财力。目前借助于多刚体系统动力学仿真软件系统和疲劳分析软件对曲轴进行动力学性能分析已经得到越来越广泛的应用[2]。
本文所采用的方法就是使用多体动力学软件ADAMS对曲轴建模, 得出发动机满负荷下1000r/min到6000r/min转速范围内的动力学特性, 并以此为结果, 应用疲劳分析软件msc.fatigue对曲轴进行疲劳寿命的评估。
2 疲劳分析概念
2.1 疲劳的定义
当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后, 应力值虽然没有超过材料的强度极限, 甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏, 这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象, 被称为疲劳破坏。
2.2 疲劳的分析方法
疲劳分析方法在工程应用技术中或大或小都存在误差, 它是一门近似正确的技术, 得出的结果还要经过试验的验证[3]。
迄今为止, 在疲劳设计方面已经提出了4种疲劳设计方法:名义应力疲劳设计法;局部应变分析法;损伤容限设计;疲劳可靠性设计[4]。
本文应用名义应力法对发动机曲轴进行疲劳寿命分析。名义应力疲劳设计法是以名义应力为基本设计参数, 以S-N曲线为主要设计依据的疲劳设计方法。名义应力法估算机件寿命, 是建立在下述假设的基础之上, 即材料和机件是理想的连续体, 且承受的载荷不大, 断面应力小于材料的屈服极限, 应力应变成线性关系, 应力循环作用下的寿命很长, 属高周疲劳。
2.3 疲劳寿命的规定
从理论上讲, 要设计一款无限寿命的曲轴, 必须要求零部件的设计应力低于其疲劳极限, 并且要求在经历无限次 (107次) 的循环力加载后不发生断裂。
3 有限元模型前处理
3.1 模型简化
本文所分析的曲轴为四缸直列发动机曲轴, 几何结构不规则, 几何小特征非常多, 而有限元分析软件在几何建模方面的功能又非常薄弱, 因此在进行有限元网格划分之前, 本文采用UG软件对几何模型进行简化和坐标系的调整, 使X轴垂直向上, Y轴水平, Z轴沿着曲轴的方向指向飞轮端。在进行几何模型的简化时, 对于容易发生疲劳断裂的部位, 如油孔的倒角、轴颈和曲柄臂的倒圆, 是本文的重点研究对象, 是不能进行任何简化的。简化后的模型如图1所示。
3.2 网格划分
将简化后的模型导成parasolid格式, 在Hypermesh环境下, 将曲轴划分成二阶四面体单元。注意在油孔的倒角、轴颈和曲柄臂的倒圆处网格要比较密, 其他地方网格可放大, 单元的详细情况如表1中所示。划好的网格如图2所示。
为了使建立好的曲轴有限元模型能作为柔性体, 并在ADAMS/Engine软件中使用, 必须对曲轴有限元模型进行适当的处理。
首先调整坐标系, 使曲轴有限元模型坐标系与ADAMS/Engine模型坐标系一致。
调整好坐标系后, 进行以下处理: (1) 在每一个主轴颈处布置一个节点, 节点的x、y坐标分量为零; (2) 在每一个曲柄销处布置一个节点; (3) 在减振轮处和飞轮处的轴段各布置一个节点, 其x、y坐标分量为零; (4) 对于主轴颈处的节点和曲柄销处的节点, 设定其x、y方向移动主自由度, 对于止推轴承处, 还需要z方向移动主自由度; (5) 对于减振轮处的节点, 设定x、y方向移动主自由度和z方向转动主自由度; (6) 对于飞轮处的节点, 设定x、y方向移动主自由度和x、y、z方向转动主自由度。
处理好后的模型如图3所示。
4 有限元运算
设置求解器计算参数, 要求求解前十阶模态, 输出结果单位与ADAMS/Engine模型一致, 导出前处理模型并用Msc.Nastran软件进行运算, 生成模态中性文件 (.mnf) 和包含模态应力的输出文件 (.out) , mnf文件用于ADAMS软件进行柔性体动力学分析, 动力学分析的结果连同out文件用于Msc.Fatigue软件进行疲劳分析。
5 多体动力学模型及其分析
5.1 动力学模型
多体动力学是研究柔体和刚体组成的系统在空间运动过程中动力学行为的一门学科, 它与有限元方法的完美结合使分析结果更接近实际。运用多体动力学可以直接计算出各构件的运动及相互间的作用力, 进而进行变形、应力以及振动响应分析等。
本文利用ADAMS软件将整个系统分为弹性件 (曲轴) 和连接件 (轴承) , 通过连接件向弹性件施加约束, 从而建立曲轴系统模型, 如图5所示。
建好模型后, 将实验测试所得缸压数据作为载荷边界条件, 缸压曲线如图6所示。
5.2 动力学计算分析
在ADAMS中进行1000r/min到6000r/min的动力学分析, 得出曲轴的动态载荷。本文所分析工况是从1000r/min到6000r/min, 增量为500r/min, 共11个工况。如图7所示为其中一个工况的动态载荷分布图。
由图可见, 应力大部分集中在油孔的倒角处和轴颈与曲柄臂的倒圆处, 由此可推断, 如果发生疲劳断裂, 必定首先在这些部位处发生。
6 疲劳分析及改进
曲轴的材料性能和表面处理等参数是进行疲劳计算的基本参数, 为了能较准确地确定这些参数, 本文采用实验所得数据强度极限、杨氏模量以及疲劳强度推算其S-N曲线。然后将由动力学分析得到的曲轴动态载荷边界条件输入到Msc.Fatigue中, 计算出其安全疲劳系数。
6.1 安全系数
通常, 要设计一款无限寿命的曲轴, 其疲劳寿命必须在107以上。由Msc.Fatigue软件计算其寿命, 若寿命大于107, 则该曲轴为无限寿命的。计算寿命与107之比称之为基于疲劳寿命的安全系数。从理论上讲, 安全系数必须大于1曲轴的设计才是可接受的, 这是理论要求, 但实际工程中, 考虑到其他因素的影响, 安全系数要求可适当放大, 对于不同的企业, 有着不同的目标值, 本文仅以理论值为标准。
图8中, 蓝色曲线为各个转速下的最小安全系数曲线, 红色线其安全系数为1, 由图可见, 曲轴的安全系数已明显小于1, 它们分别是3000r/min的0.89, 3500r/min的0.925, 5000r/min的0.962, 6000r/min的0.962。
图8中还显示了在这些工况下曲轴最薄弱部位的位置。
由此可见, 曲轴的薄弱部位均在轴颈与曲柄臂的倒圆处, 与前文所述相符。
6.2 结果分析及改进
由以上结果可知, 该曲轴在四种工况下, 其安全系数均小于1, 3000r/min和3500r/min工况是最大扭矩工况, 而5000r/min和6000r/min是最大转速工况, 在这四种工况中, 其汽缸压力都为最大值8MPa, 相对于其他工况而言是最恶劣的。最小安全系数发生在第四工况, 应该是属于正常现象。但安全系数已经小于1, 要使该曲轴能通过发动机的耐久试验, 使之成为一款无限寿命的曲轴, 必须对曲轴进行改进。
要使曲轴的疲劳安全系数大于1, 有以下几种方案:
(1) 降低汽缸压力, 使曲轴内部应力下降;
(2) 改变曲轴材料, 提高曲轴的疲劳强度;
(3) 更改曲轴结构, 如减小重叠度, 增大倒圆半径, 都可以改善曲轴的受力情况, 降低在倒圆处的应力。
由于在进行发动机设计时, 根据发动机性能, 汽缸压力是已经固定了, 是无法改变的, 因此方案1不能采用;另外, 由于更改设计涉及方方面面, 工作量非常大, 所有与曲轴有关的零部件都会随之更改, 由此又会导致其他的问题出现, 在一般情况下, 暂不予以考虑;而最简便的方法就是改变曲轴材料了。
本文曲轴原采用的是FCD600的材料, 为了提高其疲劳强度, 拟采用FCD800。
6.3 改进效果
改进曲轴材料后, 对曲轴再次进行疲劳分析, 得到结果如图9所示。由图9可见, 改变曲轴材料, 提高了其疲劳强度后, 其安全系数明显改善。
图10所示为在最恶劣工况6000r/min下, 最小安全系数所在位置, 在进行耐久试验时对该位置应给予关注。
7 结语
本文首先用Hypermesh对曲轴模型进行前处理, 然后在ADAMS平台上对曲轴的动力学特性进行了仿真, 并结合疲劳分析软件msc.fatigue, 给出了曲轴在1000r/min到6000r/min工况下的疲劳分析结果, 这样可以在样机试制以前通过仿真识别出结构的设计不足之处, 有助于减少设计对试验的依赖, 提高设计效率。
参考文献
[1]吴兆汉, 汪长民, 等.内燃机设计[M].北京:北京理工大学出版社, 1990.
[2]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社, 2006.
[3]王国军.MSC.Fatigue疲劳分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社, 2009.
发动机曲轴加工工艺分析 篇7
1 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,它辅助基准,装夹方便,节省找正时间,又能保证四处连杆轴颈的位置精度。但轴两端的轴颈分别是Φ66 mm和Φ85 mm,而4个连杆轴颈中心距分布在Φ100 mm的圆周上,故不能直接在轴端面上钻4对中心孔。于是,在曲轴毛坯制造时,预先铸造两端Φ66mm的工艺搭子,这样就可以在工艺搭子上钻出4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4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Φ100mm、圆周120°均布的3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,逐步提高加工精度。对于主轴颈与连杆轴颈的加工顺序是,先加工3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。
2 曲轴主要加工工序分析
2.1 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,若端面不平会导致中心钻上的两切削刃的受力不均匀,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,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程度。
2.2 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顶住,用硬质合金车几道工序上完成主轴颈的车削。由于加工余量大且不均匀,旋转不平衡,加工时产生冲击,因此工件要夹牢固。车床、刀具、夹具要有足够的刚性。主轴颈车削顺序是先精车一端主轴颈及轴肩,然后以车好的主轴颈定位。另一侧用顶尖以中心孔定位。车另一端主轴颈、肩及各个轴颈,半精度及精车都按此顺序进行,逐渐提高主轴颈及其他轴颈的加工精度。
2.3 曲轴连杆轴颈的车削
主轴颈及其他外圆车好后,以主轴颈作为加工连杆轴颈的基准,采用专用的车夹具、车削连杆轴颈,车削同样在普通车床上进行。车削连杆轴颈需要解决的是角度定位(2个连杆轴颈轴线需要控制在180°+30°或180°-30°)以及曲轴旋转的不平衡问题。这些都由专用夹具来保证,夹具为一对用以定位的“V”形块组成,装在接盘上。接盘与车床过渡接盘靠中间的定位销定位并连接,接盘在过渡接盘上靠棱形定位销可转180°,依次车削2个连杆轴颈。“V”形块中心与车床主轴线距离一个曲轴半径。车削过程中,一端与曲轴主轴颈定位并夹紧,另一端靠偏中心座夹紧,中心座上钻有中心孔,中心孔偏心距同样为一个曲轴半径。用顶尖顶紧中心孔,这样就能保证连杆轴颈轴线与车床主轴线一致。安装夹具体的接盘上有平衡块,消除曲轴旋转时不平衡力矩的生。曲轴加工时由于受到离心力和两顶尖的轴向压紧偏心力的作用,容易发生弯曲变形,为了加强工件刚度,用撑杆来撑住另一个曲拐的开移。车削连杆轴颈时为了使切削力不至于太大,每次车削余量控制在1～1.5 mm内,同时车床旋转不能太高,刀具采用高速钢。
2.4 键槽加工
这个键槽主要用于飞轮,加工此键槽应安排在主轴颈精车工序之后,这样能保证定位精度和控制键槽的深度以及对称度。键槽加工是以两主轴颈定位,同样用专用夹具在普通铣床上进行。
2.5 轴颈的磨削
由于主轴颈及连杆轴颈精度较高,尺寸精度为IT6级,表面粗糙度为1.6～0.8μm,并且具有较高的形状精度及位置精度。因此主轴颈与连杆轴颈精车后要进行磨削,以提高精度表面粗糙度。
在工艺设计中,首先磨主轴颈然后磨连杆轴颈。中间主轴颈磨好后才能磨其余轴颈,磨主轴颈和连杆轴颈的安装方法基本上与车轴颈相同,磨主轴颈是以中心孔定位,在外圆磨床上进行,磨连杆轴颈则以经过精磨的两端主轴颈定位,以保证与主轴颈的轴线距离及平行度要求,磨连杆轴颈是在曲轴磨床上进行的。
由于轴颈宽度不大,采用横向进给磨削法,生产率较高,磨轮的外形需仔细地修整,因为直接影响轴颈与圆角的形状,磨削余量根据车削后的精度而定,粗磨余量值每边0.2～0.3 mm,精磨余量控制在0.1～0.15 mm内。
3 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定
3.1 曲轴主要加工表面的工序安排
曲轴的主要加工表面为主轴颈、连杆轴颈、各外圆;次要加工表面为两端面、键槽。此外,还有检验、清洗、去毛刺等工序。
连杆各主要表面的工序安排如下:
(1)主轴颈Φ85+0.021+0.008 mm:粗车、精车、磨削;
(2)连杆轴颈Φ66-0.020-0.053 mm:粗车、精车、磨削;
(3)大头外圆Φ100-0.12 mm:粗车、精车、磨削;
(4)小头外圆Φ45-0.021 mm:粗车、精车、磨削。
3.2 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定
3.2.1 主轴颈工序尺寸及公差的确定(见表1)
3.2.2 连杆轴颈工序尺寸及公差的确定(见表2)
3.2.3 大头外圆工序尺寸及公差的确定(见表3)
3.2.4 小头外圆工序尺寸及公差的确定(见表4)
3.3 确定工时定额
工序8:粗车4个连杆轴颈至Φ67.80-0.084 mm。选用机床:CA6140卧式车床。①被吃刀量为1.1 mm;②进给量f取0.5 mm/r;③机床主轴转速为600 r/min;④切削速度为600 r/min;⑤计算切削工时:被切削层长度为3×66=198 mm,因为粗车走刀2次,故工时tm=1.32 min。
工序9:精车4个连杆轴颈至Φ24.50-0.033 mm。选用机床:CA6140卧式车床。①被吃刀量为0.65 mm;②进给量f取0.3 mm/r;③机床主轴转速为800 r/min;④切削速度为800 r/min;(⑤计算切削工时:被切削层长度为3×66=198 mm,因为粗车走刀2次,故工时tm=1.65 min。
曲轴主轴颈、曲轴大头、曲轴小头定额类似。
4 连杆机械加工工艺过程卡片的制订
制订机械加工工艺规程的最后一项工作就是填写工艺卡片,主要包括发动机曲轴的工序顺序及内容的填写、工序简略的绘制、合理选择各工序所用机床设备的名称与型号、工艺装备(即刀具、夹具、量具等)的名称与型号。
参考文献
[1]曾东建.汽车制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2]林杰伦.内燃机工作过程数值计算[M].西安:西安交通大学出版社,1986.
[3]袁兆成.内燃机设计[M].北京:机械工业出版社.2008.
[4]赵丽英.内燃机曲柄连杆机构动力学研究[D].天津:天津大学出版社.2004.
[5]王晓云.曲柄连杆机构动力学分析与设计系统研究[D].西安:西安建筑科技大学出版社,2006.
[6]束永平,夏长高.汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析[J].东华大学学报,2005,31(6):27-30.
发动机曲轴行业发展态势分析 篇8
如果把发动机比喻为汽车“心脏”的话,曲轴则是汽车“心脏中的心脏”。作为发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件,曲轴在工作中要承受交变载荷所引起的弯曲和剪切应力,对疲劳、耐磨和强度等性能指标都有非常高的要求,所以,在曲轴生产上,对材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证,就可严重影响曲轴的使用寿命和发动机的可靠性,进而影响汽车整车的质量乃至使用寿命。
目前,车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和锻钢两类。由于球墨铸铁的切削性能良好,可获得较理想的结构形状,且和中小马力段的锻钢曲轴一样,
可以通过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,尤其是成本只有调质钢曲轴的1/3左右,所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。资料表明,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,德国、比利时等国家也已大批量采用。因为国内球墨铸铁工艺技术水平与国外的差异,车用发动机曲轴采用球墨铸铁在不同车型上有所区别:汽油机曲轴多数采用锻钢曲轴,中小型功率柴油机曲轴85%以上采用球墨铸铁,功率在160kW以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。
“十一五”是我国汽车行业实现大发展的关键时期。数据表明,与“十五”末的2005年相比,国内汽车行业实现了220%的增长,其中重型货车增速超过313%,成为商用车增势最为迅猛的力量。如下表:
重型货车的狂飙性增长,牵引着曲轴“铸”升“锻”的快跑步伐。重型载货车所需发动机功率越来越大,已从180～220kW发展到300～450kW,曲轴质量也从60kg增加到175kg,目前国内最大的汽车模锻曲轴质量已达到200kg。随着发动机功率增大和转速提高,对曲轴金相组织和力学性能提出更高的要求,并且形状越来越复杂,精度要求也越来越高。这是因为,曲轴大部分是由于弯曲疲劳而损坏,锻钢曲轴的最大优点是钢材具有较高的弯曲疲劳强度,而且基本上与抗拉强度成正比,而球墨铸铁曲轴由于存在石墨孔穴、磷化物与合金元素的晶界偏析,因此其疲劳强度较低,而不与抗拉强度成正比。美国福特汽车公司试验证明,对于同样的曲轴和连杆颈支撑面宽度,铸造曲轴的寿命只有锻造曲轴的一半。
从技术层面分析,随着高功率、低油耗、低排放的要求,发动机的爆发压力从8～9MPa上升到12MPa,甚至14MPa,球墨铸铁曲轴难以承受,这也是锻造曲轴比例上升的原因之一。无论是理论上技术水平提升的需要,还是实际上用于大马力柴油机装机的曲轴数量都充分表明,曲轴“铸”升“锻”的趋势日益明显。
2 锻钢曲轴加工企业的“前世今生”
受益于汽车市场的蓬勃发展,曲轴配套企业也得到长足发展。目前,国内汽车锻造曲轴生产较有实力的企业近50家,这些曲轴加工企业在汽车曲轴市场获得了良好发展,享受着汽车工业高速发展带来的收益。
中国的汽车曲轴加工企业大致分两类:一类是汽车整车或发动机生产企业内部配套的曲轴加工厂,如一汽集团内本部的一汽一发,东风集团的东风商用车发动机厂,中国重汽集团的杭发、复强等,与相对独立的曲轴配套企业相比,这些内部曲轴配套企业因为拥有得天独厚的隶属关系,在产品、市场、资金、价格等方面都具有较为明显的优势;另一类是独立的曲轴配套企业,这些企业产品配套于发动机厂,运营上却与主机厂没有任何关系。例如天润曲轴股份有限公司、辽宁五一八内燃机配件有限公司、桂林福达汽车部件有限公司、辽宁北方曲轴有限公司、滨州海德曲轴有限公司、江苏松林汽车零部件有限公司、凌源鸿发曲轴制造有限公司、青海洁神装备制造有限公司、荆州环宇汽车零部件有限公司等。
从历史渊源看,受汽车行业发展带动及自身变化影响,目前的曲轴加工企业主要有三部分组成。一是传统的主机厂所属的加工业,实际上,它们只是发动机生产链上的一环,甚至可以说只是实现整机产出的一道工序,与单纯的曲轴加工企业相比,这些厂家尽管也会因主机产销而出现起伏,但“背靠大树好乘凉”,总体保持表现出相对稳定的发展势头;二是在市场洗礼后中演变而来的企业,这类企业因为有相对悠久的历史,在产品品质、规模供应能力、市场适应性等方面积累了宝贵的经验。如现在的天润曲轴股份有限公司前身曾经是“山东曲轴总厂”,江苏松林汽车零部件有限公司前身曾是“江苏曲轴总厂”,相反,以前有些规模较大的曲轴加工企业则因不能适应市场竞争而逐渐暗淡,例如江南曲轴厂等;三是新崛起的曲轴加工企业,这类企业曾经有过相关的汽车配件经历,他们瞅准柴油机整机生产企业在分工越来越细的环境中,会从降低采购管理难度考虑有意识培育规模大、信誉好的零部件加工企业的机会,以优势兵力高调进入,并把产品开发、保证供应、品质提升作为维系、扩大份额的关键,千方百计满足柴油机厂的需求步伐,成为相关主机生产企业良好的合作伙伴,从而赢得更大发展空间。例如,辽宁五一八内燃机配件有限公司前身是丹东市518拖拉机厂,始建于1951年,2004年2月24日与香港兆彩实业有限公司合资重组,成为股权多元化的现代企业,建厂初期主要生产轮式拖拉机,新世纪前后,在供应锻钢曲轴毛坯的基础上,延伸产业链,直接向柴油机厂和配件市场供应成品曲轴。桂林福达最初主要生产离合器等产品,2003年开始规模加工锻钢曲轴,现在主供玉柴主机及其配件市场。等等。
3 天润公司、辽宁五一八、桂林福达曲轴“三足鼎立”
一轮又一轮的市场洗礼,“强者恒强”的法则再度被印证。通过扩大势力范围、延伸产业链、兼并扩张等,位于胶东半岛的天润公司、位于鸭绿江畔的辽宁五一八和位于“山水甲天下”桂林的福达三家在再一轮竞争中脱颖而出,且呈现出愈来愈明显的“三足鼎立”之势。
天润曲轴股份有限公司是目前中国规模最大的曲轴专业生产企业,拥有“曲轴工程技术研究中心”、“国家博士后科研工作站”、“国家级技术中心”等,对新产品、新工艺、新材料等方面的研究水平处于国内领先地位,曲轴覆盖潍柴、锡柴、大柴、玉柴、上柴、东风康明斯、西安康明斯、意大利依维柯、东安发动机等。2010年,天润公司实现收入13.93亿元,同比增长79.85%,销售曲轴77.99万件,同比增长37.67%。为捍卫“最大”,2011年以来,天润公司更是动作频频:4月26日公告,拟在现有厂区内投资2.11亿元建设PZS750F型电动螺旋压力机锻造生产线项目,建成后将年新增35万件曲轴毛坯锻造能力,产品为50至105公斤的曲轴锻件,客户包括潍柴、锡柴、康明斯、上柴、印度利兰、吉亚通、依维柯等;5月11日公告,拟在潍坊市寒亭区建设一个占地400亩的工业园区,其中一期投资4亿元新建一条占地150亩、年产10万件重型曲轴的加工生产线;8月份,成功收购江苏松林,完成其在江浙市场的战略布局。
辽宁五一八公司拥有16条以上国内一流水平的成品曲轴加工线,年产各种锻钢成品曲轴50万件,产品覆盖重卡、中卡及轻卡用的三缸、四缸、六缸多系列的锻钢曲轴毛坯及成品,配套主机厂主要有潍柴动力股份有限公司、上海柴油机股份有限公司、一汽道依茨大柴、重庆康明斯发动机公司、珀金斯动力有限公司、无锡柴油机厂、广西玉柴等国内重型柴油机企业,而且还有曲轴产品出口到国外。2006年,辽宁五一八生产锻件4万吨,曲轴14万件,实现销售收入4.75亿元,同比增长34%,2007年10月底,成品曲轴首次突破了二十万件大关,2009年实现锻件产量5.68万吨,销售收入11.13亿元,锻钢曲轴在中重型载货车柴油机市场占有率达30%。随着其新投的8000吨和14000吨热模锻压力机自动化生产线到位,大型曲轴产出能力将实现翻番增长。根据规划,“十二五”期间辽宁五一八将冲击50亿元。
发动机曲轴探伤磁痕分析 篇9
关键词：48MnV非调质钢,硫印检验,探伤磁痕,硫化物聚集
引 言
48MnV非调质曲轴用钢是在碳钢基础上通过添加微合金元素来强韧化的一种节能钢种[1]。材料使用时组织状态为轧、锻态组织。具有简化工艺、节省能源、免除淬火缺陷、改善环境等优点, 使生产成本大大降低, 可替代45, 40Cr或42CrMo等调质钢制造曲轴毛坯, 用于机动车辆、工程机械、传动机械或钢结构等各类构件上。
48MnV钢在表现上述优点的同时, 在生产中也存在不少问题。近年来多次在发动机曲轴加工后的无损检测时出现探伤磁痕现象。下面通过其中一例较为典型的曲轴样件进行分析, 进而了解这种现象产生的原因、机理, 并为最终解决这一问题提供依据。
1 理化检验
1.1 宏观观察
国内某汽车发动机厂反映采用48MnV钢材生产的曲轴, 在对成品磁粉探伤时发现该批零件存在批量磁痕现象, 比例高达30%, 并邮寄来一典型磁痕样件要求解剖分析。采用荧光磁粉探伤观察该样件磁痕分布, 发现磁痕主要分布在曲轴连杆颈内侧面, 严重的甚至贯穿整个连杆颈内侧, 即从一侧R角 (圆角) 贯穿到另一侧R角 (圆角) (见图1) 。
1.2 化学成分分析
化学成分分析结果见表1。由表1可知, 该样件的化学成分符合该汽车发动机厂签订的48MnV钢材技术要求。
1.3 微观分析
将图1中磁痕部位完整切下, 采用金相显微镜对该部位进行观察, 发现该区域存在夹杂物聚集现象 (见图2) 。用扫描电镜对夹杂物成分进行定性, 能谱显示为硫化物 (见图3) 。
1.4 连铸坯硫印检验
追溯生产这批零件原材料供应厂商, 并在该钢厂炼钢坯料库割取2块用于轧制48MnV圆钢的连铸方坯 (端面尺寸:390 mm×510 mm) 进行连铸坯硫印检验, 硫印宏观形貌如图4所示。
2 分析与讨论
经对该汽车发动机厂家曲轴锻造工艺的研究发现:原来的曲轴毛坯并没有出现大批量磁痕现象, 只是极偶然出现1～2根, 生产中都会当作废品报废, 不会对生产造成太大影响。但是该汽车发动机厂家为了降低原材料消耗、减少切边废料比例、提高毛坯精度, 减少了锻造毛坯的原材料尺寸, 即原材料直径减少5 mm或以上, 这样就出现了大批量磁痕现象。
根据上述分析, 说明探伤磁痕是心部夹杂物聚集 (以硫化物居多) 在连杆颈内侧分模面处外露而形成的。由于曲轴连杆颈在锻造过程中偏离中心位置, 连杆颈内侧面的材料大量向两边流动, 导致心部夹杂露出表面。在工艺改动以前, 原材料心部夹杂仍然被埋藏在轴颈内层, 探伤无法发现, 在工艺改动后, 原材料直径减小, 原材料心部夹杂正好露到轴颈内层面的浅表层, 容易被无损探伤发现, 这就是磁痕现象在探伤检查过程中产生的原因。另外, 作为产生探伤磁痕的源头, 原材料供应商作用也不可忽略, 其在冶炼钢水时要采取多种有效措施提高纯净度, 减少心部夹杂物聚集现象的发生, 例如连铸中间包技术[2]、结晶器电磁分离技术。其中以后者作用更明显, 其能够明显降低连铸坯内的夹杂物含量, 改善夹杂物在连铸坯内的分布, 减少夹杂物尺寸, 从而进一步减少连铸坯心部夹杂物的聚集现象, 避免探伤磁痕现象的发生。
3 结 论
(1) 48MnV非调质钢汽车发动机曲轴探伤磁痕现象发生的原因是由于在锻造过程中原材料不均匀流变, 造成原材料心部聚集的夹杂物 (主要是硫化物) 偏向连杆颈内侧部位, 并在其后的机加工过程中分布在次表层或外露所致。
(2) 避免出现上述磁痕现象应尽量降低原材料心部夹杂物聚集程度, 并从锻造工艺上保证原材料心部缺陷不分布在连杆颈部的近表面。
参考文献
[1]凌树森.理化检验——物理分册[M].上海:材料研究所, 2010.