【文章內(nèi)容簡介】 界汽 車工業(yè)發(fā)達國 家 對 曲 軸 的加工十分重 視 ，并不 斷 改 進曲軸加工工藝 。 隨著 WTO的加入， 國內(nèi) 曲 軸 生 產(chǎn) 廠家已 經(jīng) 意 識到形勢 的 緊 迫性，引 進了 為數(shù) 不少的先 進設(shè)備 和技 術(shù) ，以期提高 產(chǎn) 品的整體 競爭 力，使得曲 軸 的制造技術(shù) 水準有了大幅提高，特 別 是近 5年 來發(fā) 展更 為 迅猛。 目前 國內(nèi)轎車曲軸 生 產(chǎn)線多為 高速柔性生 產(chǎn)線 FTL（ Flexible Transfer 西安廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計 4 Line）， 這 種生 產(chǎn)線 的特 點 是 不僅 可以加工同系列曲 軸 ， 而且還 可加工 變 型 產(chǎn) 品、換代產(chǎn) 品和新 產(chǎn) 品，真正具 備 柔性意 義 。 為進 一步提高高速柔性生 產(chǎn)線 的生 產(chǎn) 效率，更快的 適應(yīng) 市 場 ， FTL未 來發(fā) 展是敏捷柔性生 產(chǎn)線 AFTL（ Agile Flexible Transfer Line）。 其主要目的是： 滿 足市 場變 化的需求。不但 滿 足 當 前 產(chǎn) 品的要求 ，還應(yīng) 考 慮未 來 市 場 需求。 滿 足生 產(chǎn) 方式的需求。能 滿 足 現(xiàn) 代 發(fā)動 機“多品種、大中批量、高效率、低成本”的生 產(chǎn) 需求。符合“精益生 產(chǎn) ”的 原則 。杜 絕 浪 費 ，用最少投資 、最大回 報謀 取利 潤 。由 于發(fā)動 機曲 軸 自身 結(jié) 構(gòu)的特殊性，曲 軸 AFTL應(yīng) 具 備 以下特 點 ：由高速加工中心和 高效專用 機床（含少量 組 合機床） 組 成。按 工藝 流程排列機床并由自 動輸 送 裝 置 連 接，采用柔性 夾 具和高 效專用刀 具生 產(chǎn)。為防止關(guān)鍵 工序 設(shè)備 故障造成全 線 停 產(chǎn) ，可增 設(shè) 平行 設(shè)備 增 補 ，亦能 滿 足大批量生 產(chǎn) 的需要。 本 課題研 究的目的意 義 發(fā)動 機曲 軸 的加工 質(zhì) 量 對發(fā)動 機的功效尤 為 重要，曲 軸 是 發(fā)動 機中承受 沖擊載 荷、 傳遞動 力的重要零件，是 發(fā)動 機的心 臟 ，它需要承受活塞通 過連 桿 傳來 的力， 將 活塞的往復(fù) 運動變?yōu)?旋 轉(zhuǎn)運動 ，并 將這 一旋 轉(zhuǎn)運動傳遞給其它 部分，其工作是的受力情 況 非常復(fù) 雜， 在 發(fā)動 機各 個 部件中最 難 以保 證 加工 質(zhì) 量。由于曲 軸工作 條 件 惡 劣，因此 對 曲 軸材質(zhì) 以及毛坯加工技 術(shù) 、精度、表面粗糙度 、熱處 理和表面 強 化、 動 平衡等要求都十分 嚴格 。如果其中任何一 個環(huán)節(jié)質(zhì)量沒 有得到保證 ， 則可嚴 重影 響 曲 軸 的使用 壽命 和整機的可靠性。 鍛 造作 為 金 屬 加工的主要方法和手段之一 。 在 國 民 經(jīng)濟 中占 有舉 足 輕重 的地位 ， 是 裝備 制造 業(yè) ， 特 別 是機械 、 汽 車 行 業(yè) ， 以及 軍工 、 航空航天 工業(yè)中不 可或缺的主要加 工工藝 。 隨著經(jīng)濟結(jié) 構(gòu) 調(diào) 整的不 斷 深化 ， 特 別 是作 為 支柱 產(chǎn)業(yè) 的汽 車制造 業(yè) 的大 發(fā) 展 ， 為 我 國 的 鍛 造 業(yè)營 造了非常好的機 會 ， 近幾年在 設(shè)備 制造技 術(shù)和加工技 術(shù) 上都有了很大的 進 展 ， 行 業(yè) 的 競爭 力得到提升 ， 某些方面的技 術(shù) 水準已進 入世界先 進 行列。 鍛 造的目的是使坯料成形及控制其 內(nèi) 部 組織 性能 達 到所需幾何形 狀 、尺寸以及 質(zhì) 量的 鍛 件。曲 軸經(jīng)過鍛 造， 質(zhì) 量大大提高，使用 壽命 和整機的可靠性也大大提升。作 為發(fā)動 機的心 臟 — 曲 軸 ，可以使 發(fā)動 機的功效 盡 可能 發(fā)揮 到最好。 西安廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計 5 第 2 章 曲 軸設(shè)計 曲 軸 是 發(fā)動 機中最重要的機件之一。它的尺寸 參數(shù)在很 大程度上 不僅 影 響著發(fā)動 機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影 響著發(fā)動 機的可靠性與 壽命 。曲 軸 的破壞事故可能引起 發(fā)動 機其它零件 的嚴重損 壞，在 發(fā)動 機的 結(jié) 構(gòu)改 進 中，曲 軸 的改 進 也占有重要地位。 隨著內(nèi) 燃機 的發(fā) 展 與強 化，曲 軸 的工作 條 件越 來 越惡 劣 了。因此，曲 軸 的 強 度和 剛 度 問題 就 變 得更加 嚴 重了。在 設(shè)計 曲 軸時 ，必 須正確 選擇 曲 軸 的尺寸 參數(shù) 、 結(jié) 構(gòu)型式、材料與 工藝 ，以 求獲 得 經(jīng)濟 最合理的效果。 曲 軸 的工作 條 件和材料的 選擇 曲 軸 的工作 條 件和 設(shè)計 要求 曲 軸 是在不 斷 周期性 變 化的氣體 壓力 、往復(fù)和旋 轉(zhuǎn)運動質(zhì) 量的 慣 性力以及它們 的力矩共同作用下工作的， 從 而使曲 軸 既扭 轉(zhuǎn) 又 彎 曲， 產(chǎn) 生疲 勞應(yīng) 力 狀態(tài)；對內(nèi) 不平衡 的發(fā)動 機曲 軸還承受內(nèi)彎 矩和剪力；未采取扭 轉(zhuǎn) 振 動減 振措施使曲 軸還可能作用 著 幅值 較 大的扭 轉(zhuǎn) 振 動彈 性力矩。 這 些 載 荷都是交 變 性的，可能引起曲軸 疲 勞 失效。 實踐表 明， 彎 曲 載 荷具有 決定 性作用， 彎 曲疲 勞 失效是主要破壞形式。因此曲 軸結(jié) 構(gòu) 強 度的研究重 點 是 彎 曲疲 勞強 度，曲 軸設(shè)計 上要致力于提高曲軸 的疲 勞強 度。 曲 軸 形 狀 復(fù) 雜，應(yīng) 力集中 現(xiàn) 象相 當嚴 重，特 別 在 連 桿 軸頸 與曲柄臂的 過 渡 圓角 處和潤 滑油孔出口附近的 應(yīng) 力集中尤 為 突出。通常的曲 軸斷 裂、疲 勞裂 紋 都始于 過 渡 圓 角和油孔 處 。 圖11表明了曲 軸彎 曲疲 勞 破壞和扭 轉(zhuǎn)疲 勞 破壞的情 況 。 彎 曲疲 勞 裂 縫從軸頸 根部表面的 圓 角 處發(fā) 展到曲柄上，基本上成 450折 斷 曲柄；扭 轉(zhuǎn) 疲 勞 破壞通常是 從 機械加工不良的油孔 邊緣開始，約 成 450剪 斷 曲柄 銷 。所以，在 設(shè)計 曲 軸時 ，要特 別 注 意 設(shè)法緩 和 應(yīng) 力集中 現(xiàn) 象， 強 化 應(yīng) 力集中部位。 曲 軸 各 軸頸在很高 的比 壓下 ，以很大的相 對 速度 在軸 承中 發(fā) 生滑 動 摩擦。 這些 軸 承在 實際變 工 況運轉(zhuǎn)條 件下并 不總能保證為液 體摩擦，尤 其當潤 滑油不潔 凈時 ， 軸頸表 面遭到 強 烈的磨料磨 損 ，使得曲 軸 的 實際 使用 壽命 大大降低。所以，設(shè)計時 ，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好適 當 材料的 軸 瓦。 曲 軸 是曲柄 連 桿機構(gòu)中的中心 環(huán)節(jié) ，其 剛 度亦很重要。如果曲 軸彎 曲 剛 度不足， 則可 能 發(fā) 生 較劇 烈的 彎 曲振 動 ，使活塞 連 桿和 軸 承的工作 條 件大 為惡 化，影響這 些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲 軸 箱局部 應(yīng) 力 過 大而 開 裂。曲 軸 的扭 轉(zhuǎn)剛 度差， 則可 能在工作 轉(zhuǎn) 速范 圍內(nèi)產(chǎn)生強 烈的扭 轉(zhuǎn) 振 動 。 輕則 引起噪音，加圖 21 曲 軸 的疲 勞 破壞 a） 彎 曲疲 勞 破壞 b）扭 轉(zhuǎn) 疲 勞 破壞 西安廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計 6 速曲柄 上齒輪 等 傳動 件的磨 損 ；重 則使 曲 軸斷 裂。所以， 設(shè)計時 ， 應(yīng) 保 證 它 有盡可能高的 彎 曲 剛 度和扭 轉(zhuǎn)剛 度。 由于曲 軸 受力復(fù) 雜， 幾何 斷 面形 狀 比 較 特殊，在 設(shè)計時 ，至今 還沒 有一 個 能反映客 觀實際 的 理論 公式可供通用。因此，目前曲 軸 的 設(shè)計 主要是依靠 經(jīng)驗來設(shè)計 。 曲 軸 的材料 在結(jié) 構(gòu) 設(shè)計 和加 工工藝 正確合理的 條 件下，主要是材料 強 度 決定著 曲 軸 的體積 、重量和 壽命 。因此，必 須 根據(jù) 發(fā)動 機的用途及 強 化 強 度，正確的 選用 曲 軸材料，在保 證 曲 軸 有足 夠強 度的前提下， 盡 可能 采用一般材料。作 為曲軸 的材料，除了 應(yīng) 具有優(yōu)良的機械性能以外 ，還 要求有高度的耐磨性，耐疲 勞 性和 沖擊韌 性。同 時 也要使曲 軸 的加工容易和造價低廉。 本 設(shè)計選用 的材料： 45鋼 ； 材料密度： 7850Kg/m3 ； 彈 性模量： ； 強 度 應(yīng) 力極限： b? =600Mpa； 屈服 應(yīng) 力極限： s? =355Mpa； 疲 勞應(yīng) 力 強 度： 1?? =355Mpa； 強 化 處 理：熱處理、滲碳處理。 曲 軸強 化的方法 提高曲 軸 的疲 勞強 度是 設(shè)計 人 員 必 須 努力解 決 的 問題 。 為 了提高曲 軸 的疲 勞強 度，可以采用一系列 結(jié) 構(gòu) 設(shè)計 和 工藝設(shè)計 措施。 在結(jié) 構(gòu) 設(shè)計 方面，可以采用以下措施： 1）提高曲柄 銷 和曲 軸 主 軸頸 的重迭度。 2）采用 較 大的 圓 角半 徑 可以使 圓 角 彎 曲形 狀 系 數(shù) 下降， 從 而提高 彎 曲 強 度。 3） 軸頸 上 設(shè)計卸載 槽使 應(yīng) 力分布更加均 勻 ，而且沿 軸頸 和曲柄臂 寬 度的最大 應(yīng)力較 小 ，還 可能使 軸頸到 曲柄臂 過 渡 圓 角的半 徑 增大。 4）曲柄 銷 的 內(nèi) 卸 載 孔 相 對 其幾何 軸線遠 離曲柄半 徑 中心呈偏心布置使 圓 角處 的 彎 曲 應(yīng) 力降低，提高疲 勞強 度。 5）增大曲柄臂的厚度 和寬 度。 除了 設(shè)計 措施外， 工藝 方面利用特殊的機械加工方法 、熱處 理或化 學處 理方法 強 化表面，以提高曲 軸 的疲 勞強 度。常用的表面 強 化 工藝 有以下幾種： 1） 圓 角高 頻 感 應(yīng) 淬火； 2） 圓 角 滾壓； 3）氮化。 曲 軸 主要尺寸的確定和 結(jié) 構(gòu) 細節(jié)設(shè)計 西安廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計 7 主要尺寸的確定 主 軸頸 的直 徑 D1=? 60mm，寬 度 L1=26mm；主 軸頸軸 端的直 徑 D3=? 72mm，寬度 L3=6mm；曲柄 銷 的直 徑 D2=? 45mm，寬 度 L2=26mm；曲柄 銷軸 端的直 徑D4=? 57mm，寬 度 L4=6mm；形 狀 如 圖 22單節(jié)曲軸尺寸所示。 圖 22 單節(jié)曲軸尺寸 曲柄臂 的寬 度 L=15mm，其形 狀 如 圖 23 單節(jié)曲軸曲柄臂截面尺寸所示。曲柄臂的起模斜度 為 外模α =5176。， 內(nèi) 模β =7176。；各 處 的倒角均 為 R2。 圖 23 單節(jié)曲軸曲柄臂截面尺寸 西安廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計 8 曲 軸兩 端 設(shè)計 曲 軸 上 帶動輔 助系 統(tǒng) 的 驅(qū)動鏈輪 （正 時鏈輪 ）一般 裝 在曲 軸 的前端， 對 多缸發(fā)動 機而言往往把 傳動齒輪裝 在曲 軸 后端。消除扭 轉(zhuǎn) 振 動 的 減 振器 無疑應(yīng)裝 在曲軸 前端，因 為這 里的振幅最大。 驅(qū)動齒輪裝 在前端采用 鍵連 接。曲 軸 后端 設(shè) 有 法蘭 和加粗的 軸頸 ， 飛輪 與后端用螺栓和定位 銷連 接。且定位 銷 的布置是 不對稱 的或只有一 個 。具體尺寸和形 狀 如 圖 14 曲軸前端、 15 曲軸后端所示（未 畫 出定位 銷 ），未 標 注的 圓 角均 為 R2。 圖 24 曲 軸 前端 圖 25 曲 軸 后端 最 終 得到的曲 軸總長為 l=532mm，如 圖 26曲軸零件實體圖所示。具體的 標注 見 曲 軸零件圖 。 西安廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計 9 圖 26 曲 軸零件實 體 圖 西安廣播電視大學畢業(yè)設(shè)計 10 第 3 章 曲 軸終鍛 模 設(shè)計 熱模鍛壓力 機是自 動 化高效率生 產(chǎn) 模 鍛 件的模 鍛設(shè)備 ，也是 被廣泛應(yīng) 用的模鍛設(shè)備 。 熱模鍛壓 機是靠 靜壓力 使金 屬變形 ，因此， 熱模鍛壓 機上的 鍛 模成型 規(guī)律是：金 屬 沿水平方向流 動劇 烈，向高度方向流 動緩 慢。 預(yù)鍛 模膛 設(shè)計 的主要 內(nèi)容是 繪 制 熱鍛件圖 和確定 飛邊 槽尺寸，以下是整 個設(shè)計過 程。 制定 鍛件圖