曲軸畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告

1、<p><b>　　選題的依據(jù)及意義：</b></p><p>　　曲軸是發(fā)動機對外輸出動力的核心部件，是驅(qū)動車、船等運輸工具的重要動力來源。曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動汽車的傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的配氣機構(gòu)以及其他輔助裝置。曲軸的工作情況是極其復雜的，它是在周期變化的燃氣作用力、往復運動和旋轉(zhuǎn)運動慣性力及它們的力矩作用下工作的，因此承受著扭轉(zhuǎn)和彎曲的復雜應(yīng)力

2、。</p><p>　　曲軸是內(nèi)燃機中承受沖擊載荷傳遞動力的關(guān)鍵零件，也是內(nèi)燃機五大件（機體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿）中最難以保證加工質(zhì)量的零件，發(fā)動機曲軸作為重要運動部件，同時因曲軸工況及其惡劣，因而對曲軸材料、曲軸尺寸精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求十分嚴格。其中任何一個環(huán)節(jié)的質(zhì)量對曲軸的壽命和整機的可靠性都有很大的影響。因此世界各國對曲軸的加工都十分重視，不斷地改進曲軸加工工藝，最大可能地

3、提高曲軸壽命。在大批量生產(chǎn)的條件下，傳統(tǒng)工藝已不能滿足當前設(shè)計和生產(chǎn)需求，在長時間、高速運轉(zhuǎn)下，曲軸極容易過早出現(xiàn)失效或斷裂，嚴重影響曲軸的壽命和整機可靠性。曲軸的主要失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂，內(nèi)燃機曲軸部分的結(jié)構(gòu)形狀和主要尺寸對內(nèi)燃機曲軸的抗彎疲勞強度和扭轉(zhuǎn)剛度有重要影響，因而在內(nèi)燃機曲軸設(shè)計時，必須對內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)強度問題予以充分重視。</p><p>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢：</p>

4、<p>　　2.1 國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀</p><p>　　目前車用發(fā)動機曲軸材質(zhì)主要有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)資鋼曲軸成本的三分之一左右，且球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結(jié)構(gòu)形狀，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度，硬度和耐磨性。所以球墨鑄鐵曲軸在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，車用發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國為

5、90%，英國為85%，日本為60%，此為，德國比利時等國家也已經(jīng)大批量采用。國內(nèi)采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯，中小型功率柴油機曲軸85%以上采用球墨鑄鐵，而功率在160KW以上發(fā)動機曲軸多采用鍛鋼曲軸。</p><p>　　2.2 國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)展望</p><p>　　美國，德國，日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家都致力于開發(fā)綠色環(huán)保、高性能發(fā)動機，目前各個廠家采用發(fā)動機增壓、擴缸及提高轉(zhuǎn)

6、速來提高功率的方法，使得曲軸各軸頸要在很高的比壓下高速轉(zhuǎn)動，發(fā)動機正向增壓、增壓中冷、大功率、高可靠性、低排放方向發(fā)展。曲軸作為發(fā)動機的心臟，正面臨著安全性和可靠性的嚴峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)材料和制造工業(yè)已無法滿足其功能要求，市場對曲軸材質(zhì)以及毛胚加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等都要求都非常嚴格。</p><p><b>　　本課題研究內(nèi)容</b></p><

7、p>　　3.1 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　3.1.1 曲軸的材料</p><p>　　根據(jù)曲軸工作在發(fā)動機過程中承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、拉壓等交變應(yīng)力，要求具有較高的抗拉強度、疲勞強度、表面強度及耐磨性，芯部具有一定的韌性。即具有很高的疲勞強度、耐磨性和高淬透性，且進行強化處理時變形小，高溫下具有高的蠕變強度。</p><p>　　隨著發(fā)動機性能的提高，

8、對曲軸的原材料及加工工藝提出新的要求，現(xiàn)代車用發(fā)動機曲軸材質(zhì)主要有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本1/3左右,且球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結(jié)構(gòu)形狀，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性。所以球墨鑄鐵曲軸在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，車用發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國為90%,英國為85%，日本為60%，此外，德國、比利時等國家也已經(jīng)大

9、批量采用。國內(nèi)采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯，中小型功率柴油機曲軸85%以上采用球墨鑄鐵，而功率在 160kW以上的發(fā)動機曲軸多采用鍛鋼曲軸。</p><p>　　我國球鐵曲軸的生產(chǎn)繼QT600-2、QT700-2之后，現(xiàn)已能穩(wěn)定地生產(chǎn)QT800–2、QT900 -2等幾種牌號，目前已能大批量生產(chǎn)QT800-6球鐵曲軸。但從整體水平來看，存在生產(chǎn)效率低，工藝裝備落后，毛坯機械性能不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題。

10、</p><p>　　3.1.2 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計在過去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展。在曲軸的設(shè)計初期一般是按照已有的經(jīng)驗公式計算或者與已有的曲軸進行類比設(shè)計，在進行了初步的設(shè)計后造出曲軸樣品再進行試驗，通過實驗數(shù)據(jù)進行適當?shù)母倪M。曲軸設(shè)計發(fā)展到今天已經(jīng)有了很大的發(fā)展。隨著內(nèi)燃機向高可靠性、高緊湊性、高經(jīng)濟性的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的以經(jīng)驗、試湊、定性為主要設(shè)計內(nèi)容的設(shè)

11、計方法已經(jīng)不能滿足要求，而隨著電子計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機及其零部件的設(shè)計已經(jīng)發(fā)展到采用包括有限元法、優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)設(shè)計等現(xiàn)代先進設(shè)計技術(shù)在內(nèi)的計算機分析、預測和模擬階段。有限元法是最有效的數(shù)值計算方法之一，它使人們對零部件關(guān)鍵參數(shù)的理解和設(shè)計更進了一步。</p><p>　　（1）在設(shè)計內(nèi)燃機曲軸時，應(yīng)根據(jù)內(nèi)燃機的工作條件，選擇不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。內(nèi)燃機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計方法大致如下：</p>&l

12、t;p>　?、?選擇確定結(jié)構(gòu)形式：整體鍛造曲軸、整體鑄造曲軸、組合曲軸。</p><p><b>　?、?確定潤滑油道</b></p><p>　　曲軸主軸頸和曲柄銷一般采用壓力潤滑。潤滑油由主油道送到各主軸承，在經(jīng)曲軸內(nèi)潤滑油道進去連桿軸承。當主軸承為滾動軸承時，潤滑可從假軸承進入曲軸內(nèi)腔，再分配到各有關(guān)軸承。在決定主軸承和曲柄銷上的油孔位置時，主要考慮應(yīng)保證

13、供油壓力和油孔對曲軸強度的影響程度。</p><p>　　③ 確定曲軸平衡塊形式</p><p>　　平衡塊用來平衡曲軸的不平衡慣性力和力矩，減輕主軸承載荷以及減小曲軸和曲軸箱所受的內(nèi)力矩。但曲軸配置平衡塊后重量增加，將使曲軸系統(tǒng)的扭振效率有所降低。因此應(yīng)根據(jù)曲軸結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、曲柄排列等因素來配置平衡塊和平衡精度要求。平衡塊可與曲軸制成一體，也可與曲軸分開制造后再進行裝配。</p>

14、;<p>　?。?）曲軸結(jié)構(gòu)形式的選擇</p><p>　　曲軸結(jié)構(gòu)形式與其制造方法有直接關(guān)系，在進行曲軸設(shè)計時必須同時進行。曲軸有整體式和組合式曲軸兩大類。而摩托車發(fā)動機常采用組合式曲軸，這是因為其加工簡單，不需要大規(guī)模鍛模具設(shè)備，它由曲軸左半部、曲軸右半部及曲軸銷組成。通過液壓壓入的方法將其結(jié)合起來。本設(shè)計中采用滾動軸承做主軸承。這是因為使用它具有以下優(yōu)點：</p><p&g

15、t;　?、?可以采用隧道式曲軸，保證曲軸箱有較高的強度和剛度；</p><p>　?、?可以減少摩擦損失，提高機械效率，因而使燃料消耗下降；</p><p>　?、?發(fā)動機啟動較為容易，尤其在氣溫較低的時候；</p><p>　?、?采用滾動軸承后，對主軸的潤滑較易實現(xiàn)。</p><p>　　3.2 曲軸工藝分析</p><

16、;p>　　3.2.1 曲軸的機械加工技術(shù)</p><p>　　曲軸主軸頸的粗加工、半精加工工藝和精加工工藝，大體分為以下幾種：</p><p>　?。?）傳統(tǒng)的曲軸主軸頸的多刀車削工藝。 生產(chǎn)效率和自動化程度相對較低。 粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達到合理的加工余量。一般精加工采用曲軸磨床，通常靠手工操作，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，尺寸

17、的一致性差。</p><p>　?。?）數(shù)控車削工藝。數(shù)控車削設(shè)備價格相對便宜，不需要復雜的刀具，但只適合小批量生產(chǎn)。</p><p>　?。?）數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝。 內(nèi)銑設(shè)備價格較高，刀具費用也很高，但適合大批量生產(chǎn)。</p><p>　　（4）數(shù)控車—拉、數(shù)控車—車拉工藝。其突出優(yōu)點是可對寬軸徑進行分層加工，切削效率高，加工質(zhì)量好，但車拉刀具結(jié)構(gòu)復雜，技術(shù)含量高，

18、并且長期依靠進口，好處是可集車—車拉工藝加工連桿軸頸要兩道工序于一起。</p><p>　?。?）CNC高速外銑工藝。數(shù)控高速外銑是20世紀90年代新興起來的一種新型加工工藝，其應(yīng)用范圍廣，特別雙刀盤數(shù)控高速外銑以其加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、自動化水平高，已成為當前是曲軸主軸頸粗加工的發(fā)展方向。就比較而言,CNC車—車拉工藝加工連桿軸頸要二道工序，CNC高速外銑只要一道工序就能完成，切削速度高(目前最高可達 35

19、0m/min )、切削時間較短、工序循環(huán)時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數(shù)少、加工精度更高、柔性更好。如德國BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動機曲軸設(shè)計制造的柔性的高速隨動數(shù)控外銑床VDF315OM- 4型，該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服連動控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動跟蹤銑削曲軸的軸頸。其采用一體化復合材料結(jié)構(gòu)床身，工件兩端電子同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；使用SI

20、EMENS840D CNC控制系統(tǒng)，設(shè)備操作說明書在人機界面上，通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動生成加工程序，可以加工長度450～700mm、回轉(zhuǎn)直徑380mm以內(nèi)的各種曲軸軸頸直徑誤差僅為±0.02mm。</p><p>　?。?）數(shù)控曲軸磨削工藝。 精加工使用數(shù)控磨床，采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)控制等控制裝置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保證，精加工還廣泛使用數(shù)

21、控砂帶拋光機進行超精加工，經(jīng)超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級精度。如GF70M- T曲軸磨床是日本TOYADA公工機開發(fā)生產(chǎn)的專用曲軸磨床，是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產(chǎn)需要而設(shè)計的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進給伺服聯(lián)動控制技術(shù)，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心即可完成所有軸頸的磨削；采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架) 和線性光柵閉環(huán)控制，使用TOYADA工機生產(chǎn)的GC50CNC控制系統(tǒng)

22、，磨削軸頸圓度精度可達到0.002mm；采用CBN砂輪，磨削線速度高達120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。</p><p>　　3.2.2 曲軸的強化工藝技術(shù)</p><p>　　目前國內(nèi)外曲軸常見的強化工藝大致有如下幾種:</p><p>　?。?）氮化處理。氮化能提高曲軸疲勞強度的20%~60%。</p><p>　　（2）噴丸處理

23、。曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強度20%~40%。</p><p>　?。?）圓角與軸頸同時感應(yīng)淬火處理。該強化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時，能提高疲勞強度 20%，而應(yīng)用于鋼軸時，則能提高l00%以上。</p><p>　　（4）圓角滾壓處理。球鐵曲軸經(jīng)圓角該壓后壽命可提高 120%~300%，鋼軸經(jīng)圓角液壓后壽命可提高 70%~150%。曲軸圓角滾壓強化工藝主要包括曲軸圓角滾壓和曲軸滾壓校正兩部

24、分。</p><p>　　（5）復合強化處理。它是指應(yīng)用多種強化工藝對曲軸進行強化處理，球墨鑄鐵曲軸采用圓角該滾壓工藝與離子氮化工藝結(jié)合使用，可使整個曲軸的抗疲勞強度提高130%以上。</p><p><b>　　本課題研究方案</b></p><p>　　查閱原始資料，熟悉曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法及曲軸工藝技術(shù)。</p><p&

25、gt;　?。?) 根據(jù)曲軸的工作條件和柴油機工作參數(shù)對曲軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核。</p><p>　?。?）利用曲軸材料和工況分析曲軸的加工工藝。</p><p>　　研究目標、主要特色及工作進度：</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]內(nèi)燃機科技叢書_高速柴油機概念設(shè)計與實踐_許道

26、延_2003</p><p>　　[2]汽車發(fā)動機現(xiàn)代設(shè)計_徐兀_1995</p><p>　　[3]姜洪宇，黃春元．國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展.黑龍江科技信息，2008</p><p>　　[4]內(nèi)燃機學_周龍保_2000</p><p>　　[5]邵立新，段立霞.內(nèi)燃機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法.農(nóng)機使用維修，2008</p>