曲轴设计范文-盘古文库

曲轴设计范文

来源：火烈鸟

作者：开心麻花

2025-09-19

曲轴设计范文（精选12篇）

曲轴设计第1篇

曲轴是发动机最重要的机件之一,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,传递给底盘的传动机构。曲轴就是多拐偏心轴,其加工原理与偏心轴一样,其中的关键是如何进行零件的装夹,传统的偏心工件加工方法都是通过过划线找出偏心点,采用两顶装夹的方法进行加工,工序较多,耗时较长,不利于批量生产。通过设计偏心夹具可以有效地提高零件的加工精度和加工速度。以两拐曲轴零件加工为例, 如图1所示,毛坯材料为45圆钢,尺寸为 Ф45*150,批量生产,其偏心部位较多,装夹比较麻烦,定位的难度高,为方便和较快地加工出符合图纸要求的零件,必须采用偏心夹具来进行装夹定位。

二、偏心距的主要技术要求

上图的两拐曲轴零件两处偏心轴 Φ150-0..31与活塞连杆连接,加工精度比较高,而且这两个轴 Φ150-0..31和主轴 φ42偏心10 mm,偏心距较大,而且同时要保证两个偏心轴与主轴的平行度以及两个偏心轴之间的平面度。为方便加工,设计以下偏心夹具。

三、两拐曲轴偏心夹具的设计原理及相关参数

两拐曲轴偏心夹具(如图2),其相关参数如图3和图4。将两拐曲轴偏心夹具体1通过三爪卡盘连接在机床主轴上,可方便地加工偏心工件。

1—夹具体2、5—定位圆柱3、6—夹紧螺钉4—工件7—挡胶

在夹具体上加工出一个螺钉通孔,都装有螺钉3和螺钉6,并可通过螺钉夹紧工件,调整两个螺钉的位置可以变换工件的偏心距。在夹具体的两侧各安装一块挡胶7,用于抱紧工件,在工件的偏心距变换时保证工件不能转动而只能垂直地上下移动。在夹具体上加工出安装定位圆柱的孔2和5,孔的位置是由工件的半径r0、定位圆柱半径r1、定位圆柱分布的圆周半径R和两定位圆柱之间的距离B而确定的,孔中装有定位圆柱(过渡配合或过盈配合)。工件4以外圆表面在两个定位圆柱5上定位后,用螺钉3夹紧工件,工件中心位置O1就相对于夹具体的中心位置O偏移了一定距离e (图3)。当加工完一个拐轴后,松开夹紧螺钉3,调整夹紧螺钉6,把工件垂直向上移动到与两个定位圆柱2上定位后,用螺钉6夹紧工件,同样道理,工件中心位置O2就相对于夹具体的中心位置O偏移了一定距离e(图4)。由于加工工件时是以夹具体的外圆表面为基准,所以工件上新形成的表面中心位置与O重合,也与工件中心位置O偏移的距离为e,此偏移量e即为工件所要求的偏心距。

有关尺寸参数的选择与计算,可参见图3。偏心量e与以下四个参数有关,即:工件半径r0、定位圆柱半径r1、定位圆柱分布圆周半径R、两定位圆柱中心距B(或两定位圆柱中心所确定的圆心角 ψ)。由图3可得:

适当移项后两边平方,得:

根据两拐曲轴偏心夹具的设计原理和(1)式,由于工件的尺寸r0和偏心距e都是图纸固定的尺寸,所有其他相关参数选取如下:r1取14.64 mm,R取50 mm, 把所有的参数代进(1)式中可得B=50 mm。

四、定位误差分析

对于这一批工件而言,如不计加工过程中的其他误差,则刀具成形表面(工件的被加工表面)在机床上的位置是不变的。因此,两拐曲轴在用偏心夹具加工时最容易产生的误差就是在变换偏心距时,主轴的第二次装夹是否会出现转动的情况,如果转动,则工件的偏心轴会产生位置变换,加工出来的两个拐轴不能保证很好的平面度。通过在夹具体内的两侧,根据工件装夹部分的形状设计挡胶(图2),挡胶与螺钉链接,并通过螺钉固定,可以有效地解决工件在变换偏心距时出现的问题。

五、加工工艺分析

根据加工的实际情况结合专用的偏心夹具,我们可以按照如下工艺来加工:

1.装夹,工件伸出长度110,加工工件,车平端面。

2.粗、精加工外圆Ф42*100。

3.粗、精加工Ф25*35、Ф20*20,控制各部分尺寸。

4.粗、精加工M20*2三角螺纹。

5.车20*5的槽,并加工槽的两端侧面。

6.调头装夹并确定总长145。

7.粗、精加工Ф27*45、Ф25*35,控制各部分尺寸。

8.卸下工件,在卡盘上装夹两拐曲轴的偏心夹具。

9.在偏心夹具处装夹工件Ф27处,并锁紧螺钉7。(如图3所示)

10.粗、精加工左端的偏心轴 Ф15*15,并加工槽的两侧端面。

11.调整偏心夹具,使偏心距向上偏移10,并锁紧工件。

12.粗、精加工右端的偏心轴 Ф15*15,并加工槽的两侧端面。

13.卸下工件,检测。

六、小结

本文重点介绍两拐曲轴的夹具设计,并通过该夹具进行装夹加工,非常方便实用,节省了很多找正的时间,并且精度的要求也得到了保证,适合批量生产该零件。相对于传统的车削偏心零件方法,该生产工艺具有一定的先进性和可行性。采用这种专门设计的偏心夹具加工的速度提高了许多,降低了工人的加工难度,而且加工的精度也容易保证,给生产带来较好的利润。

参考文献

[1]雷小军.一种自定位磨削偏心孔的夹具[J].机械工人冷加工,2006(8):53-62.

曲轴设计第2篇

此次毕业设计任务是对3L-10/8空气压缩机曲轴零件的机械加工工艺、夹具的设计,在曲轴零件的加工工艺过程中轴与轴中心线之间要有位置要求, 以毛坯轴两端定位先加工两中心孔,以两端中心孔定位再粗、精加工各轴的表面，然后以粗、精后的两轴径定位钻螺纹、铣键槽和铣曲拐端面，采用专用夹具加工两斜油孔，最后粗、精磨各轴。

在夹具的设计过程中，主要以V形块和支承板来定位，靠直压板和弹簧来夹紧，钻拐径两孔应采用长型快换钻套，在钻拐径倾斜30的孔时采用平面倾斜的夹具体，在钻拐径倾斜40的孔时使用的是卧式钻床，铣面时2个V形块与铣刀不能干涉，因此V形块高度要降低，夹具设计要方便、简单。

关键词：曲轴；加工工艺；夹具设计

内容摘要 ........................................................................................................................ I 1 绪论 ................................................................................... 错误！未定义书签。 2 零件分析 ............................................................................... 错误！未定义书签。

2.1 零件的作用 ................................................................. 错误！未定义书签。

2.2 零件的工艺分析 ......................................................... 错误！未定义书签。

2.2.1 以拐径为?95mm为中心的加工表面 ............ 错误！未定义书签。

2.2.2 以轴心线两端轴为中心的加工表面 ............... 错误！未定义书签。

2.3 零件加工的主要问题和工艺过程设计分析 ............. 错误！未定义书签。 3 工艺规程设计 ....................................................................... 错误！未定义书签。

3.1 确定毛坯的制造形式 ................................................. 错误！未定义书签。

3.2 基面的选择 ................................................................. 错误！未定义书签。

3.2.1 粗基准选择 ....................................................... 错误！未定义书签。

3.2.2 精基准的选择 ................................................... 错误！未定义书签。

3.3 制定工艺路线 ............................................................. 错误！未定义书签。

3.3.1 工艺路线方案一 ............................................... 错误！未定义书签。

3.3.2 工艺路线方案二 ............................................... 错误！未定义书签。

3.4 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 ......... 错误！未定义书签。

3.4.1 加工两端中心线上的外圆表面。 ................... 错误！未定义书签。

3.4.2 粗车?86 mm 与?93 mm外圆端面，及M12深24mm螺孔错误！未定义书签。

3.4.3 攻M12深24mm螺孔，及攻4―M20螺纹 .. 错误！未定义书签。

3.4.4 钻轴径?86 mm的`端面钻左端?6的锥行孔错误！未定义书签。

3.4.5 铣右端轴径?93mm的上的槽 ........................ 错误！未定义书签。

3.4.6 铣?86处键槽 .................................................. 错误！未定义书签。

3.4.7 钻右端轴径?95 mm的孔（?30mm） .......... 错误！未定义书签。

3.4.8 铣115mm左右两侧面 ..................................... 错误！未定义书签。

3.4.9 铣60mm115 mm平面 .................................... 错误！未定义书签。

3.4.10 钻拐径?95处的两个油孔（?8） ............... 错误！未定义书签。

3.4.11 车磨拐径为?95 mm ...................................... 错误！未定义书签。

3.5 确定切削用量及基本工时 ......................................... 错误！未定义书签。

3.6 时间定额计算及生产安排 ......................................... 错误！未定义书签。

3.6.1 粗车左端外圆?95 mm ...................................... 错误！未定义书签。

3.6.2 粗车左端轴径?90mm ..................................... 错误！未定义书签。

3.6.3 粗车左端轴径?86 mm .................................... 错误！未定义书签。

3.6.4 粗车拐径外侧左、右端面并粗车台肩 ........... 错误！未定义书签。

3.6.5 粗车拐径?95 mm ............................................ 错误！未定义书签。

3.6.6 精车拐径?95mm尺寸 .................................... 错误！未定义书签。

3.6.7 精车右端轴径?95 mm .................................... 错误！未定义书签。

3.6.8 精车右端轴径?93 mm .................................... 错误！未定义书签。

3.6.9 精车左端轴径?95+0.025

+0.003 mm ........................... 错误！未定义书签。

3.6.10 精铣底面60mm115mm ................................ 错误！未定义书签。

3.6.11 钻、攻4―M20螺纹 ...................................... 错误！未定义书签。

3.6.12 铣键槽24mm110mm .................................... 错误！未定义书签。

3.6.13 铣右端轴径?93mm的槽44+0.5

+0.2mm.............. 错误！未定义书签。

3.6.14 粗镗、精镗右端?30mm孔 .......................... 错误！未定义书签。

3.6.15 钻拐径?95-0.036

-0.071 mm斜油孔?8mm ............ 错误！未定义书签。

3.6.16 钻曲拐左侧孔?8mm ..................................... 错误！未定义书签。

3.6.17 粗磨左端轴径?95+0.025

+0.003 mm ......................... 错误！未定义书签。

3.6.18 磨左端轴径?90mm ....................................... 错误！未定义书签。

3.6.19 磨右端轴径?95 mm ...................................... 错误！未定义书签。

3.6.20 精磨拐径?95mm至规定尺寸 ...................... 错误！未定义书签。

3.6.21 精磨左右两轴径?95mm至规定尺寸 .......... 错误！未定义书签。

3.6.22 精磨?90mm至规定尺寸 .............................. 错误！未定义书签。

3.6.23 车1：10圆锥 ................................................. 错误！未定义书签。

3.6.24 磨1：10圆锥?86长124mm ....................... 错误！未定义书签。

4 专用夹具设计 ....................................................................... 错误！未定义书签。

4.1 加工曲拐上端面油孔夹具设计 ................................. 错误！未定义书签。

4.1.1 定位基准的选择 ............................................... 错误！未定义书签。

4.1.2 切削力的计算与夹紧力分析 ........................... 错误！未定义书签。

4.1.3 夹紧元件及动力装置确定 ............................... 错误！未定义书签。

4.1.4 钻套、衬套及夹具体设计 ............................... 错误！未定义书签。

4.1.5 夹具精度分析 ................................................... 错误！未定义书签。

4.2 加工曲拐上侧面油孔夹具设计 ................................. 错误！未定义书签。

4.2.1 定位基准的选择 ............................................... 错误！未定义书签。

4.2.2 切削力的计算与夹紧力分析 ........................... 错误！未定义书签。

4.2.3 夹紧元件及动力装置确定 ............................... 错误！未定义书签。

4.2.4 钻套、衬套及夹具体设计 ............................... 错误！未定义书签。

4.2.5 夹具精度分析 ................................................... 错误！未定义书签。

4.3 铣曲拐端面夹具设计 ................................................. 错误！未定义书签。

4.3.1 定位基准的选择 ............................................... 错误！未定义书签。

4.3.2 定位元件的设计 ............................................... 错误！未定义书签。

4.3.3 铣削力与夹紧力计算 ....................................... 错误！未定义书签。

曲轴设计第3篇

轴向定位油缸和角向定位油缸主要是克服曲轴在V型座上的重力摩擦力，而且V型座上的调整块表面光洁度很好，因此摩擦力很小不要校核油缸及活塞杆的大小。

切削力、夹紧力、油缸尺寸、油压大小校核：

如左图进行受力分析，由于曲轴是不动的因此合力为零，可列方程如下：

N1*cos45°+N2*cos45°=+P①

N1*sin45°=N2*sin45°②

解方程为工件重量200Kg上式中只有一个未知数，P

可列杠杆平衡方程

P左*300=P右*360（P右就是P）③

P左+P右=P总（P总就是液压缸产生的压力）④

根据液压原理中液压缸压力计算公式：P总系统压力P系统压力为5MPaD=100mmd=65mmπ取3.14带入上式

P总=22667N=2313Kg*f将P总带入③④P左=1261P右=1051

即P=1051带入①②N1=N2=1064Kg*f

力偶是由两个力组成的特殊力系，它的作用只改变物体的转动状态。因此，力偶对物体的转动效应，可用力偶矩来度量，而力偶矩的大小为力偶中的两个力对其作用面内某点的代数和，其值等于力与力偶臂的乘积即F*d，与矩心位置无关。因此切削力矩只和切削力和孔的大小有关。

根据被加工零件的材质，被加工孔的直径（按大于最大孔Φ22mm来计算）钻削产生的力矩M切=F*dF为切削力

按照GUHRING（德国钴领）钻削样本中提供的资料，来选取切削参数，所加工的曲轴为42CrMoA，来选取切削速度和进给率代号（确定进给率）因此计算出F=3857N，M切=F*d=3857*0.022=85N.m。当满足压板压力产生的摩擦力矩加上重力产生的摩擦力矩大于钻削力矩就能保证在钻削过程中的工件稳定性，完成加工。

上面已经计算出正压力和重力产生的摩擦力P、N1、N2根据公式MP=P*f*r（r为被夹压曲轴的轴颈见表一12M26为Φ117.8的一半），摩擦系数f取光滑对光滑0.2，

MP=1051*9.8*0.2*0.0589=121N.m

MN1=122.8N.m

MN2=122.8N.m

总的摩擦力矩=121+122.8+122.8=366.6N.m>85N.m证明摩擦产生的力完全可以保持工件不旋转。满足夹紧要求。由于有可能加工更大的孔，所以安全系数比较高。以备后续加工其他零件用。

曲轴复合车削机床的结构布局设计第4篇

目前发动机曲轴外圆车削加工的方式是主轴颈和连杆颈分别装夹切削,且连杆颈的切削是以连杆颈轴线为旋转轴线,由于曲轴的质量中心不在回转中心线上,因此惯性矩很大,要求机床主轴的转速低,加工效率也因此而大大降低,严重影响了曲轴的加工质量和产量。随着我国工业经济的迅速发展,对曲轴的需求量不断增加,而国内专业设计制造曲轴加工设备的机床企业不多,一些设备还需依赖进口,不仅价格昂贵,而且交货周期长。

针对以上问题,我们设计了一台曲轴复合车削加工机床。此机床能实现一次装夹完成曲轴外圆的加工。曲轴装夹时,以其主轴颈轴线为回转轴线,以几何中心孔定位旋转,由于曲轴本身的质心和几何中心均在主轴颈轴线上,这样就有效地避免了动不平衡,提高了加工精度和效率。

复合化加工机床能实现一次装夹完成工件的全部加工,其所具有的优势不言而喻。我们所设计的曲轴车削机床也是一台复合式机床,其所具有的总体结构与传统机床既有相似之处,又有诸多不同之处。在介绍普通机床结构布局的基础上,本文着重介绍曲轴复合车削机床的结构布局设计。

2 机床的结构布局分析

机床总体结构布局设计是在机床切削功率、进给功率计算的基础上,根据被加工零件加工精度要求及机床工艺方案要求的机床结构型式,选择通用部件,绘制机床总图,也即确定机床各主要部件之间的相对位置关系以及它们之间的所需要的相对运动关系。机床的结构布局是与加工毛坯的形状、尺寸、毛坯在装料、加工与卸料时的状态、刀具的形式及其与毛坯相对位置等因素有关的。现代化的工序机床,如果按x、y、z三个空间坐标轴配置,机床可有如图1所示几种的布局形式。

总的来说,机床的结构布局形式有立式、卧式及斜置式等;其中基础支撑件的形式又有底座式、立柱式、龙门式等;基础支承件的结构又有一体式和分离式;通过图1,可知空间坐标轴配置的不同也导致机床结构布局的不同。所以,总体结构布局方案就有很多,因此需要我们再评价,去除不合理的方案。

3 曲轴车削机床结构布局的设计要求分析

(1)在保证机床刚度的条件下,又要保证机床运动件的质量最小,这就是机床的最大设计难点。

(2)方案设计时必须根据其规定的相应参数来计算机床的加工工作空间,比如要加工曲轴的长度规定在800-1000mm,并结合曲轴的其他具体尺寸等要求,对工作空间目标进行分析和综合,确定机床的行程及其他要求,尽量保证该机床的适应范围广,使用批量大。

(3)此机床是通过刀架与连杆颈的同步转动而进行加工的,因此,刀架的结构以及从主轴到刀架的传动链的设计,是设计中的重要一步。

(4)加工中心的转台、刀库、换刀方式也必须和复合车削机床的参数相匹配。选择合适的伺服控制系统,以保证机床的计算速度和可靠性,同时,要有很好的人机界面等。

(5)影响机床精度的因素很多,如各组成元件本身的精度,机构设计的水平和装配过程中存在的误差,刀架与连杆颈的同步精度,主轴箱和尾架箱的同步转动精度等。因此,在实现预期设计要求和运动要求的基础上,使机床精度达到所预期的要求。

(6)技术经济学要求,即符合精度要求、零件数量最少、占地面积最小;符合人机工程学的要求,劳动舒适,维修方便,安全,噪声小,并要求外形美观。

4 曲轴车削机床的总体结构布局设计

结合该机床的工作原理并通过以上的分析,我们选择了主轴部件中心线固定不动,刀架安装在十字滑台上的布局形式。限于篇幅,本文只对该曲轴复合车削加工机床设计完成的结构情况进行介绍,机床总体装配如图2所示。

1.前床身2.尾架移动手轮3.尾架箱4.轴向滚珠丝杠5.十字滑台6.后床身7.径向滚珠丝杠8.刀架9.差速器10.挂轮机构11.伺服电机12.主轴箱13.三爪卡盘

本机床主机部分主要由前床身1、后床身6、主轴箱12、差速器9、尾架箱3、水平十字滑台5、挂轮机构10、刀架8等部分组成,机床的辅机包括中心架等机构。

(1)床身与导轨:床身和导轨是机床总体布局中的一项重要内容。其布局形式对机床整体结构和使用性能有较大影响。床身和导轨的布局主要有水平床身、倾斜床身、水平床身斜滑板、立式床身等。考虑到此曲轴加工机床所承担的加工工艺要求,以及床身本身的加工制造等问题,床身不宜制成整体结构,因此将床身分为前后床身1、6两部分。前床身主要放置主轴箱12与尾架箱3,后床身主要放置十字工作台5与刀架部分8,导轨设计成十字滑台的结构。前后床身采用螺栓连接,且后床身上铸有导轨以与十字滑台的下滑板配合进行径向进给。

(2)定位夹紧机构:曲轴导入,两端由顶尖顶住曲轴几何中心孔进行定位,并在主轴箱12和尾架箱3主轴上安装三爪卡盘13进行夹紧定位。曲轴进行定位夹紧后,刀架通过摇动径向手轮驱动十字滑台中的下滑板进行进给加工。

(3)主轴箱:主轴箱是曲轴复合车床重要的组成部件,主轴箱的质量和精度直接关系到该新型加工设备能否实现曲轴高速、高效、高精度的加工。主轴箱通过V带与主电机连接,内部采用4级齿轮传动。

(4)尾架箱:由于本机床要加工不同规格的曲轴,所以尾架箱3设计成活动的结构,并与和前床身主轴在一起的的导轨配合运动。通过摇动手轮2,尾架箱内部的齿轮与固定在前床身上的齿条进行啮合,从而带动尾架箱移动。待移动到加工的尺寸位置要求后,转动尾架箱右部的操作手柄,通过内部的凸轮机构进行夹紧。

(5)双驱动:由于传统机床加工过程中主轴箱和尾架箱没有进行同步的转动而导致曲轴加工过程中产生扭转,导致曲轴不同相位的连杆颈之间存在相位误差和扭转变形,因此本机床采用双驱动的机构。主轴通过主轴箱内部的齿轮传动,带动双驱动轴转动,通过齿轮啮合带动尾架箱主轴旋转,这样实现主轴箱和尾架箱的主轴同步转动,从而降低曲轴加工过程中产生的相位误差。有利于保证主轴箱与尾座的同步性,提高了机床运转的平稳性。

(6)刀架:刀架与曲轴连杆颈同步转动,此时就要保证刀架的回转半径和曲轴的回转半径相等,由于此机床可加工不同规格的曲轴,而不同的曲轴又有大小不等的回转半径,于是需进行刀架回转半径和相位的调整,以保证与曲轴的回转半径相等。这个功能是由伺服电机11通过挂轮机构10和差速器9这条传动链来进行实现的。而在加工过程中,由于一些原因导致刀架和连杆颈存在同步转动误差时,也需要通过伺服电机11带动挂轮机构10和差速器9来进行误差补偿,此时的差速器起到误差补偿的作用。5结语

本文着重介绍了曲轴复合车削机床的结构布局设计,此机床能实现一次装夹,完成曲轴的全部粗加工,极大地提高了曲轴的加工效率,并能保证曲轴的加工精度和质量。在汽车和船舶业迅速发展的今天,曲轴的需求量会越来越大,因此,在此机遇下产生的曲轴复合车削机床将会发挥很重要的作用。

参考文献

[1]隋秀凛.实用机床设计手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

发动机曲轴连杆实习报告第5篇

结构特点：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。曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。

全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。如六缸发动机全支承曲轴有七个主轴颈。四缸发动机全支承曲轴有五个主轴颈。这种支承，曲轴的强度和刚度都比较好，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。柴油机和大部分汽油机多采用这种形式。

非全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目少或与气缸数目相等。这种支承方式叫非全支承曲轴，虽然这种支承的主轴承载荷较大，但缩短了曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。有些汽油机，承受载荷较小可以采用这种曲轴型式。

曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目和气缸数相等。V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。

曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，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。

曲轴前端装有正时齿轮，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档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。

曲轴的形状和曲拐相对位置（即曲拐的布置）取决于气缸数、气缸排列和发动机的发

火顺序。安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续作功的两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠现象。作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，而且各缸发火的间隔时间以曲轴转角表示，称为发火间隔角。四行程发动机完成一个工作循环曲轴转两圈，其转角为720，在曲轴转角720内发动机的每个气缸应该点火作功一次。且点火间隔角是均匀的，因此四行程发动机的点火间隔角为720/i，（i为气缸数目），即曲轴每转720/i，就应有一缸作功，以保证发动机运转平稳。

浅谈对船用曲轴试样的检测第6篇

关键词：船用曲轴；船舶柴油机；拉伸试验；硬度试验；冲击试验；化学成分分析；金相分析

中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0075-02

船用曲轴是船舶柴油机中最重要和承受负荷最大的部件之一，船舶柴油机工作过程中，船用曲轴承受着拉伸、压缩、弯曲复合应力的作用，它在很大程度上决定并影响着船舶柴油机的整体性能，船舶柴油机的可靠性和寿命也在很大程度上取决于船用曲轴的强度。随着船舶柴油机不断向高指标、高增压方向发展，要求船用曲轴具有更高的强度、刚度及冲击韧性、耐磨性。下面就实际检测工作中船用曲轴试样的检测谈些体会。

船用曲轴试样的检测分为拉伸试验、硬度试验、冲击试验、化学成分分析、金相分析。

1 拉伸试验

拉伸试验考核抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率四个指标。为避免缺口效应而造成应力集中，拉伸试样必须光滑，达到一定的粗糙度要求，拉伸中试验速率应保持恒定。四个指标中抗拉强度、屈服强度是强度指标，如果屈服不明显，应试用引伸计测试0.2%伸长的应力，也即非比例屈服强度。断后伸长率、断面收缩率是塑性指标，试验过程中应防止操作不当，如试样夹偏，试验如发生试样在标距外断裂或出现两个及以上缩颈则无效，应重新试验。

2 硬度试验

硬度试验以布氏硬度为指标考核，实质上是测试材料表面抵抗塑性变形的能力。硬度试验操作简单，主要是要多点测试，试样表面要平整光滑，表面粗糙度≤Ra3.2?m，以保证压痕边缘清晰、测量准确。

3 冲击试验

船用曲轴是在动载条件下工作的，因此不光要用静载力学性能的指标来衡量，还需要用冲击试验来考察材料的抗冲击能力和材料的可靠程度。冲击试验对材料使用中至关重要的脆性倾向问题和冶金质量内部缺陷问题极为敏感，因此也是检查材料脆性倾向和冶金质量的比较方便的方法。冲击试样选取3个，取平均值为冲击值，试验温度为室温，试验缺口选用V型，试验尺寸取（10×10×55）mm，

如果发现试样上淬火裂纹应重新制作。如金属韧性太大，试样未能折断，应在试验记录中注明“未折断”字样，并在值前加“>”符号。

4 化学成分分析

船用曲轴的材质一般选用42CrMoA，由于合金元素Cr少部分溶于Fe3C中，大部分溶于铁素体，还有合金元素Mo，可使材料具有较高的淬透性和较好的强度，减轻了材料的回火脆性倾向，因此化学成分重点考查合金元素。测试方法可用光谱分析法、复核化学分析法。

5 金相分析

金相分析可以从三个方面进行：非金属夹杂物、低倍组织、晶粒度。

5.1 非金属夹杂物

非金属夹杂物分为脆性夹杂物：B类氧化铝类、D类球状氧化物类；塑性夹杂物：A类硫化物类、C类硅酸盐类。这些非金属夹杂物积聚严重时将割裂基体材料的连续性，使强度和冲击值明显降低。在实际中出现曲轴经调质后校直时发生断裂，因此为保证曲轴的性能，非金属夹杂物的级别应按照GB/T10561-2005评级图标准脆性夹杂物和塑性夹杂物单项控制在1.5级以内，总和控制在2.5级以内，试样取样方向为沿轴向方向。试样在砂轮机上磨平，用粗砂纸粗磨，再用1500目左右的细砂纸研磨，然后在抛光机上抛光，用酒精擦洗表面后烘干按GB/T10561-2005评级图评级。试样抛光时，最重要的是避免夹杂物的剥落、变形或抛光表面被污染，以便检验面尽可能干净和夹杂物的形态不受影响。对于每一类夹杂物，按检验面上最恶劣视场相符合的标准图片的级别数评级。评定时如果两夹杂物之间的纵向距离小于或等于40?m且沿轧制方向的横向距离小于或等于10?m时，则应视为一条夹杂物或串（条）夹

杂物。

5.2 低倍组织

低倍组织推荐采用热浸法，用1：1盐酸水溶液加热至70℃，放入试样70℃～80℃试样维持20分钟，再拿出试样放入碳酸钠水溶液（中和盐酸）用刷子刷净表面，烘干后按GB/T1979-2001图谱评级。可考查一般疏松、中心疏松、锭型偏析、一般点状偏析四项，一般疏松、中心疏松、锭型偏析单项控制在2级以内，一般点状偏析不允许出现。评定时各类缺陷以目视可见为限，其轻重程度介于相邻两级之间，可评半级。

5.3 晶粒度

试样制作从取样至抛光按非金属夹杂物，抛光后将试样抛光面向上放入炉中在860℃±10℃下加热，保温1小时，然后淬入冷水中。根据氧化情况，试样适当倾斜10°～15°进行研磨和抛光，尽可能完善显示出氧化层的奥氏体晶粒。评定可采用比较法与GB/T6394-2002标准系列评级图对比来评定平均晶粒度。晶粒度大小可控制在8级以内。影响晶粒度的因素很多，有加热温度温试、时间、含碳量、合金元素、未熔第二相质点（如夹杂物），通过对晶粒度的判定，也能对热处理工艺进行调整。如实际中高温保留过长及进控冷线以前冷却速度不够都是造成晶粒度偏大的原因。再如合金元素Ti、V、Wu、Mo、Nb能起细化晶粒的作用，而Mn则促使晶粒长大。

从以上几个方面通过对曲轴试样的检测，能够判断出曲轴在承受动载、静载、交变应力时的性能，为曲轴的设计、制造提供了科学依据和参考。

作者简介：尤高君（1976—），男，江苏靖江人，江苏省靖江市产品质量监督检验所助理工程师，研究方向：产品质检。

基于UGNX的曲轴三维造型设计第7篇

曲轴是摩托车、汽车和其它通用机械发动机中最重要三大部件之一(其他两种是箱体和缸头)。曲轴承受连杆传来的力,并将该力转变为转矩后驱动发动机上其他附件工作。它具有形状复杂、结构紧凑、位置尺寸精度要求比较高、难加工等特点。当前主要采用CAD/CAM软件对曲轴进行设计和制造,并用数控机床进行加工。三维造型的准确性、造型的快慢直接影响曲轴的质量和生产周期,进而影响产品的质量和生产周期。所以研究曲轴的造型设计不仅对提高汽车、摩托车和其它通用机械的产品的质量具有重要意义,同时对缩短相关产品的生产周期也具有重要意义。本文采用世界上先进的UG软件,对曲轴的造型设计进行说明。

2 曲轴造型软件

UG软件起源于美国的麦克唐纳·道格拉斯飞机公司。广泛应用于机械、模具、汽车和航空航天领域。

UG软件共有10大模块:UG入口模块、UG实体建模模块、UG特征建模模块、UG装配模块、UG工程绘图模块、UG自由曲面建模模块、UG加工模块、UG型芯、型腔铣削、UG平面铣削和UG车削模块。曲轴采用UG实体建模和特征建模来完成。

3 曲轴的三维造型设计实例

3.1 造型注意事项

1)生成实体时,草图一定要封闭,且无交叉、重合线段和点;2)生成裁剪面时采用“一般二次曲线”命令;“一般二次曲线”对话框注意点的坐标值与角度设置;3)创建凸台时,定位采用点到点方式;4)镜像体之前要创建基准平面。

3.2 曲轴造型分析

由于曲轴具有对称性,利用UG软件提供的“镜像体”命令,可以提高作图速度。图1中只要把1、2、3、4号件完成,利用“镜像体”命令,生成右半部分的5、6、7、8号件;从图中可以看出“1”号件与“2”号件左右对称,因此利用UG软件提供的“镜像体”命令,由“1”号镜像生成“2”号件;而“3”号件是由“2”号件旋转而来,“4”号件由“3”号件镜像而来。经过分析,“1”号件是整个曲轴成型的基础,后面经过镜像和旋转而成。

3.3 曲轴的锥

1)作图准备。首先启动UG程序后,新建文件名quzhou.Prt,单位选mm,并更改背景颜色,设置图层;2)进入草图,画草图,生成实体,修剪实体,创建凸台后“1”号件生成,如图2所示。

3)镜像实体(如图3)。

4)旋转生成“3”号件,“3”号件镜像生成“4”号件(如图4)。

5)再次镜像,并修改两端凸台(如图5)。

4 结语

本文通过曲轴的三维造型分析,得到了曲轴的造型设计的一般方法,并用实例验证了这种方法。

参考文献

[1]陈忠建.UG NX 7.0产品造型设计应用实例[M].北京:冶金工业出版社,2010.

[2]朱慕洁.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0模具设计实例教程[M].北京:电子工业出版社,2013.

某型柴油机曲轴圆角优化设计研究第8篇

某型柴油机曲轴的过渡圆角由两个R3和一个R9圆弧圆滑过渡而成,见图1。其特点是在受弯曲应力最大的区域采用较大的圆弧,而在应力较小的区域采用半径较小的圆弧。此方案可有效地减小应力集中而不减小轴颈的有效长度,但是因圆角要求光洁度高,三段R圆弧必须通过磨削加工保证,而受一般数控曲轴连杆颈磨床和曲轴主轴颈磨床的功能及编程软件限制,在现有条件下无法实现柴油机曲轴的高精、高效的数控磨削加工。而其对应的V型柴油机的强化程度更高,主轴颈和曲柄销的直径更大,曲轴的过渡圆角却采用了R 7.5的单圆弧结构,见图2。这种圆角结构既能满足曲轴弯曲和扭转强度要求,又具有良好的工艺性。

我们对某型柴油机曲轴采用单圆弧和组合圆弧两种过渡圆角方案通过建立有限元模型的方式进行曲轴单位曲拐的应力分析计算,并与同系列V型曲轴圆角方案的应力进行对比,得出柴油机曲轴过渡圆角优化设计方案,为柴油机曲轴过渡圆角的优化设计,改进轴颈圆角加工的工艺性,降低轴颈圆角加工难度提供了依据。

1 曲轴弯曲和扭转强度分析

1.1 曲轴的工作条件和设计要求

曲轴是在周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩(扭矩和弯矩)共同作用下工作的,使曲轴既扭转又弯曲,产生疲劳应力状态。实践与理论表明,对于各种曲轴,弯曲载荷具有决定性意义,而扭转载荷仅占次要地位(不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏,由于目前多缸发动机曲轴普遍采用减振措施,这种情形很少发生)。曲轴破坏的统计表明,80%左右是由于弯曲疲劳产生的。因此,曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。

曲轴形状复杂,应力集中现象相当严重,特别是曲柄销或主轴颈的过渡圆角是曲轴应力集中最严重之处。因此合理设计过渡圆角的尺寸和形状,是十分重要的。

1.2 弯曲时的形状强度

曲拐弯曲时,最大应力发生在过渡圆角处。曲轴的弯曲疲劳破坏,多为自圆角开始而横断曲臂。因此研究弯曲时圆角处的应力集中就具有十分重大的意义。r/dp对应力集中的影响很大,图3为不同的r下应力沿圆角的分布情况及r/dp对形状系数ɑδ的影响。

显然设计时圆角半径r不宜取得过小。从减小弯曲应力集中的角度看,希望r取大些,但r取得大,又将使轴颈的有效长度减小。从图3(a)可见r/dp对ɑδ的关系曲线较陡,当r/dp小于0.05时弯曲应力集中将过于严重。因此,一般取r/dp的最小值为0.05。通常取r/dp=0.05~0.08。

1.3 扭转时的形状强度

曲轴的扭转疲劳破坏大多开始于扭转应力集中处,如油孔边缘及轴颈过渡圆角处,逐渐沿曲柄销或主轴颈表面的斜向发展成疲劳裂纹。

圆角处的应力集中:扭转时影响整体式曲轴圆角处的应力集中的主要结构参数是,过渡圆角半径r/d,轴颈重叠度e/dp,曲臂宽度b/dp。曲臂厚度h/dp及轴颈开内孔也有一定影响,但影响较小。

图4是圆角半径r/d(rp/dp,rj/dj)和轴颈重叠度e/dp对扭转形状系数ɑτ的影响的试验结果。由图4可见,当重叠度相同时,形状系数随r/d的增加而减小。当r/d>0.05时,r/d继续增大,对形状系数的影响渐趋平缓。所以从减少扭转时的应力集中来看,取r/d=0.05~0.06已足够了,更大的r/d对形状系数减少甚微。

1.4 轴颈过渡圆角

过渡圆角半径r的大小对应力集中和疲劳强度有重要影响。图5是曲轴疲劳试验的结果,它表明采用适当大小的圆角半径,可使应力集中减小,从而大大提高曲轴的弯曲和扭转疲劳强度。当r/d﹥0.06时,曲线变得比较平坦。因此,实际上圆角半径通常取为轴颈直径的5%~8%。船用柴油机曲轴圆角半径不得小于轴颈直径的5%,而且应采用韧性较高的钢。现代船用柴油机曲轴圆角半径r的范围:r=(0.05~0.07)d或r=(0.1~0.22)h。这里d和h分别为轴颈直径和曲臂厚度。

通过以上分析,对某型曲轴R 9多级圆弧过渡圆角与同系列V型机曲轴R 7.5单级圆弧过渡圆角和改进曲轴R 7.5单级圆弧进行比较,具体数据见表1。改进的曲轴r/d和r/h均介于原曲轴和V型曲轴之间,由于以上比值只能反映圆角应力集中的趋势表明圆角的取值设计处于合理的范围之内,且多圆弧结构圆角由R 9过渡到R 3圆弧曲率半径骤然减小的应力趋势通过以上经典曲线难以确定,所以要借助有限元分析软件对曲轴过渡圆角更改前后进行有限元对比分析,获得更加准确的圆角应力分析数据。

2 对单位曲柄进行有限元分析

为了对曲轴圆角应力进行更加精确的分析,我们采用Pro/E软件建立了曲轴的三维模型。再用Pro/MECHANICA对单位曲柄模型进行应力分析计算。

2.1 边界条件的确定

在单位曲拐的计算中,边界条件非常复杂,总的可分为两大类:约束边界和载荷边界。其中载荷边界包括连杆推力、主轴承的支持力、相邻曲拐传递的扭矩和弯矩、自身旋转产生的离心力以及自身的重力,这些载荷都可由传统的动力计算以及平衡计算得到。由于主要讨论的是曲轴圆角处的应力集中,在施加边界条件的时候对各力做了如下假设:

a.不考虑轴颈扭矩和支撑弯矩的作用。

b.各力都不是集中力,假设曲柄销力边界条件为轴承载荷分布。

c.忽略油孔处压力峰值突起的影响,不考虑油孔处的应力集中。

另外根据动力学分析可知,曲柄销承受的最大作用力在上止点附近,即膨胀行程开始与排气行程终了。笔者只计算两个工况下的压缩载荷,即曲柄销受最大爆发压力冲击时的计算。

2.2 模型求解

单位曲拐模型各种约束边界条件和载荷边界条件都加载完成后,就可以对模型进行有限元求解计算了。

通过Von Mises Stress分析的应力云纹图可以看出,三种曲轴应力集中的区域都在主轴颈与曲柄臂邻接的过渡圆角处和连杆颈与曲柄臂邻接的过渡圆角处,这和曲轴实际的工作受力情况基本吻合,验证了有限元模型的正确性。

图6显示的是等效应力图即第三强度理论塑性材料的屈服应力。从图6(a)右上角分析颜色与数2据分布图可以看到最大区域应力为4.64710~5.163 MPa;图6(b)最大区域应力为1.030~1.145 MPa;图6(c)最大区域应力为2102 210101.261102~1.401102MPa。由以上数据可以看出,由三圆弧圆角改进单圆弧后圆角处的应力明显减小,只比V型机曲轴圆角应力略有增加,三圆弧结构的应力最大处在三圆弧的R 3与主轴颈连接处,且有一条很明显的应力集中带,见图6(a),改进结构的曲轴圆角应力集中与V型机曲轴圆角应力分布相近最大处在主轴颈与曲柄臂邻接的过渡圆角处,但没有明显的应力集中带,应力分布比较均匀。

3 结论

我们通过对某型柴油机曲轴三圆弧圆角与同系列V型柴油机曲轴单圆弧和改进单圆弧结构三种方案的弯曲扭转分析和有限元的应力分析,证明由原来的三圆弧改为单圆弧在不影响弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度的情况下,能有效地减小过渡圆角处的应力集中,同时改善圆角的加工工艺性,使圆角的车削和磨削难度降低,能够实现某型柴油机曲轴的高精、高效的数控磨削加工。

参考文献

[1]陈大荣.船舶柴油机设计[M].北京: 国防工业出版社,1980.

[2]周龙保.内燃机学[M].北京: 机械工业出版社,2005.

[3]二代龙震工作室,Pro/MECHANICA Wildfire 3.0/4.0 结构/热力分析[M].2008.

曲轴设计第9篇

1系统的原理和结构

本系统使用的磁粉探伤是利用磁化仪将曲轴磁化,使曲轴缺陷处产生漏磁场,浇上荧光磁粉悬浊液后,荧光磁粉会吸附在曲轴缺陷处,进而在紫外光照射下,荧光磁粉会呈现高亮的黄绿色,与没有荧光磁粉的地方形成鲜明对比。利用机器视觉技术对曲轴缺陷的图像进行采集,并通过数字图像处理,去除干扰信息并进行缺陷识别。系统通过计算机自动控制,不仅减轻了工人的劳动强度,且比人工识别的效率和准确率更高。本系统的硬件构架如图1所示。

本系统由图像采集和图像处理两部分组成。图像采集部分包括紫外光源、CCD相机和机电传动控制模块,图像处理部分为数字图像处理软件,通过算法对采集的图像进行预处理和缺陷识别。实验过程中发现,磁粉悬浊液的效果不佳,改用油性荧光磁悬液,其附着力更强、覆盖更均匀,有利于图像的采集和分析。

2系统设计

本系统由机电传动控制模块、图像采集模块、图像处理模块和缺陷识别模块组成。其中,图像采集、图像处理和缺陷识别是基于labview vision开发的软件来完成的。系统流程和软件界面分别如图2和图3所示。

2.1机电传动控制模块

该模块控制曲轴的转动,进而对曲轴对方位采集图像。该模块由步进电机、驱动器(驱动型号为HD-8860-C5,采用共阴极接法)和单片机组成。控制程序已经下载到单片机,通过单片机输出脉冲由驱动伺服传递给步进电机,从而控制曲轴的转动。驱动伺服还能提供内部脉冲,且能通过手动调节驱动伺服来控制曲轴转速。

2.2图像采集模块

图像采集模块利用黑白CCD相机对曲轴进行采集,可得到灰度图像并保存,以供后续阶段使用。为了确保曲轴的工作面都能被检测到,设定图像捕捉为曲轴每旋转120°采集一次,则曲轴旋转一周采集3张图像,从而全面分析该曲轴的缺陷。可根据曲轴的转动速度,在软件操作界面手动选择采集时间。

由单片机控制曲轴转动。为了使采集图像无误和减小采集误差,需要对单片机脉冲输出进行验算。假设曲轴转速n=5r/min,已知一个机器周期t=1.09μs,一个脉冲步进电机转动的角度α=3.6°,则脉冲频率为8.33,一个脉冲所需要的机器周期数为110 091.74,计算拍照间隔为4.00 s,理论所需拍摄间隔为4.00 s。由此可见,计算拍照间隔与理论所需拍摄间隔相同,因此,单片机控制转速可与采集时间间隔配合。

此外,如果不需要连续采集,则可以通过改变电机脉冲的输入方式为驱动内部输入,进而可采用手动调节曲轴转动的方式,配合单次采集,实现目标图像的采集。

2.3图像处理模块

图像处理模块是利用数字图像处理技术对采集到的图像进行二值化、滤波等预处理工作的。图4为图像处理过程。

2.3.1图像二值化

在数字图像的处理中,灰度图像的每个像素点用0~255表示该点的亮度,0为纯黑,255为纯白。二值化是设置一个阈值,将灰度值小于阈值的点变为0,大于阈值的点变为255,则图像变为由灰度值为0和255的点组成。本项目开发的曲轴探伤系统可将阈值简化为0~1,且使用了荧光磁粉检测,得到的图像亮暗分明,通常将阈值设为0.5,但可根据实际情况调节阈值,除去良好的曲轴部分(灰暗区),留下伤痕区(光亮区)。

2.3.2中值滤波

经过二值化的图像存在许多噪点,需要进一步处理将干扰因素排除。对于本装置的设计,采集到的图像主要出现“椒盐噪声”,表现为零散的白点,如图5中的a,应使用中值滤波进行处理。中值滤波是将数字图像中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替,使周围的像素值接近的真实值,从而消除孤立的噪声点。考虑到不影响光亮伤痕聚集区域,本系统使用3×3区域的中值滤波,即选取图像上3×3区域内共计9个像素点,按灰度值对其排序,再用中间值替代各点的值,从而消除噪声。

2.4缺陷检测模块

缺陷识别模块可计算缺陷区域与采集区域面积的比值,从而更加直观地表现出被测曲轴的伤痕情况,使工人更快判断曲轴的质量。框选面积由图片像素点确定,参数选择为:左上点(200,280),右下点(1080,550)。框选面积为237 600.对像素点进行分析,光亮点记为1,进行累加,假设42 950个光亮点,则面积比为18.1%,即缺陷部分占总面积的18.1%.

3曲轴表面缺陷检测系统实验验证

如图5所示,框选的面积比为0.182,即伤痕区域与采集区域面积的比之为18.2%.

4结束语

本文对自动曲轴探伤装置的硬件结构和系统的软件组成模块进行了分析,设计了一套比较完整的解决方案。该系统可以一定程度上满足工业生产的自动化要求,在提高效率的同时,还提高了准确度,降低了工人的劳动强度。

参考文献

[1]钱其林.荧光磁粉探伤法应用技术探讨[J].无损探伤,2002(06).

[2]马驰,张红云,苗夺谦.改进的多阈值动态二值化算法[J].计算机工程,2006,32(06).

柴油机曲轴箱通风系统优化设计研究第10篇

随着节能减排的呼声日益高涨,排放法规也越来越严格,国Ⅲ法规规定车用柴油机必须采用闭式的曲轴箱强制通风系统。曲轴箱强制通风系统如果不能“旁通混合气”中的机油清除干净,将会有可能导致柴油机的PM排放量升高,机油耗高和空滤堵塞等不良后果。

通常曲轴箱通风系统由一级分离系统和二级分离系统组成。一级分离系统又称预分离系统,主要负责将“旁通混合气”中的较大的油粒清除,以减轻二级分离系统的工作压力;二级分离系统则负责将经一级分离系统处理过的混合气中的绝大部分油粒清除,必要时,旁通气体经调压阀进入发动机的进气系统。根据柴油机开发经验,预分离系统对于保障整个曲轴箱通风系统的长期、可靠运行,具有重要作用。笔者主要以某款柴油机做基础,针对一级分离系统的结构优化设计研究。

1 试验方法

1.1 测量参数及设备精度要求

试验用的所有设备及仪表需经过校验,在有效使用期内,测量的各参数及设备精度要求见表1。

1.2 试验方案

试验主要是为了验证这两种优化设计方案的隔板对一级分离系统的油气分离效果的影响,及整个曲轴箱强制通风系统对“旁通混合气”净化是否达标。为此,设计了两个试验来验证这两种优化方案的效果。

该柴油机的基本参数如下:排气量为1.8 L,标定点功率及转速为80 k W,4 000 r/min。标定工况下,发动机活塞漏气量为39 L/min。在所有试验前,都必须要对发动机的性能进行调试和确认。

试验一,将调压阀拆除,分别收集采用方案1和方案2的缸盖罩的发动机的油气分离器回油口处的机油量做对比。

该试验主要针对缸盖罩部件进行试验,把调压阀拆除,油气分离器回油用瓶收集,曲轴箱通风是自然通风。具体试验步骤如下:

a.进行外特性对比,要求测量活塞漏气量。

用方案1缸盖罩部件试验。

用方案2缸盖罩部件试验。

b.标定点油气分离器回油机油量测试。

试验前首先测试机油收集器的质量。

发动机标定点运行预热10 min。

安装机油收集器,发动机标定点运行1 h。

试验结束后再一次测试机油收集器的质量。

分别进行方案1缸盖罩部件、方案2缸盖罩部件试验。

试验二,分别收集采用方案1和方案2的曲轴箱通风系统的油气分离器出气口的机油量做对比。

该试验针对整个曲轴箱通风系统的效能进行测试,油气分离器回油接油底壳,曲轴箱通风是强制通风,油气分离器出口用绝对滤清器收集机油。具体试验步骤如下:

a.进行外特性试验,要求测量活塞漏气量,不装绝对滤清器。

b.标定点绝对滤清器收集机油量测试。

试验前首先测试绝对滤清器的质量。

发动机标定点运行预热10 min。

安装绝对滤清器,发动机标定点运行1 h。

试验结束后再一次测试绝对滤清器的质量。

分别进行方案1缸盖罩部件、方案2缸盖罩部件试验。

2 油气分离室的设计优化

2.1 现有一级分离系统简介

柴油机的一级分离系统布置在柴油机的缸盖罩上,主要由缸盖罩迷宫、出气接管和隔板组成;二级分离系统由调压阀和油气分离器组成。

如图1和图2所示,该柴油机曲轴箱通风系统的一级分离系统布置在缸盖罩上,由缸盖罩、隔板和出气接管等组成了缸盖罩的油气分离室。其中缸盖罩内布置了简单的迷宫结构。原曲轴箱强制通风系统窜气的含油量为10.5 g/h,自然通风状态下,油气分离器回油量为590 g/h,可见该一级分离系统具有很大的优化空间。

2.2 油气分离系统的优化目标

柴油机在标定工况下运转,强制通风情况下,曲轴箱窜气含油量不能超过3 g/h。

2.3 一级分离系统的设计优化方案

2.3.1 一级分离系统的油气分离原理

混合气体在油气分离室中流动,可看作定熵流动。根据变截面管道中稳定定熵流动的连续方程:

m=ρc A=ρ1c 1 A 1=ρ2c2 A 2=定值

式中ρ,c,A分别表示同一截面上气体的密度、流速及截面积。

如图3所示,当油气混合气从腔室1经过通道3进入腔室2时,气体的流通截面积变小,使得气体的流速提高,即c2>c1。当气流的速度提高后,混合气体在腔室2内的运动加剧,从而使得油气混合气中的机油颗粒被吸附在腔室壁上,利用重力的作用,最终达到分离油气混合气中的机油颗粒目的。

2.3.2 两种一级油气分离系统的设计优化方案

根据一级油气分离系统的油气分离原理,经设计小组讨论,认为原缸盖罩部件方案(图1、图2),内部迷宫过于简单,油气混合气流经此预分离系统时,混合气流速没有提高,油气分离效率不高;同时由于迷宫内部存在压力差,原缸盖罩隔板的结构也不利于将分离出来的机油清除。另外缸盖罩部件的出气接头太短,迷宫内的机油跟随气流很容易就排出去。针对这些问题,设计小组决定从以下两方面改进来提高一级油气分离系统的分离效率。

a.提高油气混合气的流速。

b.利用压力差原理,在隔板上设置合理的机油清除结构。

c.加长出气接管,让出气口在油气分离室内处于悬空状态,机油直接流出缸盖罩的难度增加。

此次研究共设计了两种优化方案:短通道节流隔板和长通道节流隔板,同时将出气接管加长。具体如下:

方案1短通道节流隔板见图4、图5,在隔板上设置了两块平板,其中在顺着气流方向的第1块平板上开了若干个通孔,作用是对混合气进行导流加速,第2块平板则对混合气流进行阻拦,以便将混合气中的油粒拦截下来。

该隔板的盖板由钢板冲压成型,上面布置了进气口、集油坑,集油坑上安装了两块挡板和U型回油钩。其中一块挡板上钻了若干个圆形通孔。

隔板的集油坑底部安装了U型回油钩,该结构利用液面高度差,可使得集油坑中的机油在重力的作用下,顺利排出油气分离室。

方案2长通道节流隔板见图6、图7,在缸盖罩油气分离腔内设置了两块挡板,挡板上安装有圆形长管,作用是对混合气进行导流和加速。

隔板由尼龙注塑成型,同样上面也布置有进气口、2个集油坑和2个通气管。

集油坑的作用是将分离的油粒汇集,其中集成了泄油通道。通气管的作用是将混合气流加速。

3 两种设计优化方案的试验结果

3.1 试验一的试验结果

经试验表明,这两种方案的缸盖罩部件对发动机的外特性性能差别很小,见图8~图10(图中,1为方案1缸盖罩部件试验结果,2为方案2缸盖罩部件试验结果)。

试验前后分别测量了机油收集瓶的质量,结果见表2。

方案二的机油分离效率远优于方案一。

3.2 试验二的试验结果

经过曲轴箱通风系统对比试验表明,这两种缸盖罩方案对于发动机的外特性能影响不大,曲轴箱压力都在可控的范围内,见图11~图13(图中1为方案1缸盖罩部件试验结果,2为方案2缸盖罩部件试验结果)。

由图11~图13可见,这两种方案的缸盖罩部件对发动机的性能影响很小。

由图14可见,这两种方案的缸盖罩部件对发动机的外特性的曲轴箱压力有一定影响,用方案1的发动机在中高转速段的曲轴箱压力较低,但这两种方案的曲轴箱压力都在可控范围内。

试验前后分别测量了绝对滤清器的质量,结果见表3。

方案二的试验结果达到了设计目标。

3.3 试验结果分析

经过缸盖罩部件的对比试验,从其结果可以看出方案一相对原设计方案改善不大,经分析其主要原因是其隔板上的节流板是钢板结构,与缸盖罩迷宫壁配合间隙大,所以混合气的流速提高不多,致使油气分离效率不高。

方案2缸盖罩部件的油气分离能力要远优于方案1,并且通过曲轴箱通风系统的试验验证,方案2缸盖罩部件已经达到了预期设计目标低于3 g/h。

4 结束语

最后组织了专家组对两种优化设计方案的试验结果进行了评审,将方案二缸盖罩部件作为定型的技术方案。由此解决了该发动机曲轴箱强制通风系统平衡气体中含油量过多的问题。

曲轴箱通风系统的一级分离系统的设计要点是提高“旁通混合气”在油气分离室内的流速,增大油粒与腔壁的接触机会,再利用重力的作用,使得机油颗粒从混合气中分离,从而达到分离油粒的目的。

摘要：为了解决某款柴油机曲轴箱强制通风系统的“旁通混合气”中机油含量高的问题,依据定熵过程的原理,优化设计了两种缸盖罩油气分离室,这两种油气分离室的特点是通过设置隔板,对分离室的混合气进行节流,从而得到加快混合气流速度的效果。再通过台架试验两种优化方案,试验结果表明方案2达到了设计的要求。

关键词：曲轴箱强制通风系统,油气分离室,缸盖罩部件,定熵流动

参考文献

[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]严家騄.工程热力学北京:高等教育出版社,2006.

[3]张伟,陈文义.流体力学天津:天津大学出版社,2009.

[4]濮良贵,纪名刚.机械设计高等教育出版社,[M].[M].[M].北京:2001.

数控系统曲轴磨削技术的研究与开发第11篇

【关键词】数控系统；曲轴；磨削

1.曲轴数控磨削工艺

曲轴是发动机的核心零件，曲轴连杆轴颈在发动机中会直接承受各种复杂的交变载荷，轴颈与轴瓦间长期处于高速相对运动状态，因此对连杆颈的制造有非常严格的要求，包括它的形状、位置精度以及表面粗糙度。

1.1曲轴的加工工艺和材料

一般曲轴在运转时主要受交变的扭矩和弯矩载荷的影响，这就必须要求曲轴必须具备足够的强度和刚度以及高精度才能够承受荷载！综上所述，曲轴的加工方法以及必要地提高加工精度则显得尤为重要！一般地，球墨铸铁和调质钢以及非调质钢是曲轴常用的材料！首先制造业的发展需要考虑成本因素，因此，一般用球墨铸铁，由于球墨铸铁的力学性能接近调质钢，性能也比较好，并且成本只有调质钢的1/3左右，在工业中得到广泛使用。根据统计资料来看，车用发动机的曲轴一般用球墨和铸铁材料所占的百分比来合成，例如美国为90%，英国为85%，日本为60%。在我国的汽油机曲轴中，和国外不同的是我国一般采用球墨铸铁来进行制造，国内采用的材料牌号主要有：qt700-2、qt800-6、qt900-6、等温淬火球墨铸铁等。在柴油机曲轴的制造中，通常采用调质钢或者非调质钢来进行制造，其中调质钢通钢所用的材料主要有：40cr和42crmo等；非调质钢通常所用的材料主要有：48mnv、38mnv6等。

1.2曲轴磨削的工艺要求

国内磨削工艺一般分为粗磨和精磨，磨削工艺主要兼顾两个问题，第一点是如何保证曲轴质量，第二点则是要有利于消除或减少磨削裂纹！

1.2.1曲轴磨削的工艺精度要求

在设备加工中，曲轴磨削的工艺精度要求极高，这不仅仅只是为了考虑误差因素，更多的是工业发展中对技术的一种认可！在机床的加工生产中，对工件的精度有非常严格的要求，比如长度超过6m以及重量超过5t的工件，主轴颈和脸干精度则必须要达到Ra=0.4～0.6μm，主轴颈、连杆颈直径公差必须控制在0.008mm，并且它们的直线度要控制在0.01/200mm；而对于连杆颈分度±15′的技术要求是在加工不同角度和不同偏心量的连杆颈磨削的大型曲轴磨床时，精度必须更加准确才能合格！

1.2.2曲轴磨削的质量指标及理论公式

曲轴磨削的质量指标主要包括磨削粗糙度、磨削力以及砂轮损耗等因素；

磨削力的主要特征及计算

如图所示，对于砂轮来说，虽然单个磨粒的切削厚度比较小，但是砂轮是整体运转，大部分的磨粒同时与被磨金属层进行挤压、刻划和滑擦的话，并且在机械加工中磨粒的工作角度有时候不会特别合理，这就使得磨削力的总量值变得非常大；所以在测量和计算中，一般会把总磨削力进行分解，分别是三个相互垂直轴向（F）x、径向（Fy）和切向（Fz）磨削力；根据图1可以分析磨削力主要包括以下几种特征：

1.根据计算，径向磨削力F应该最大。原因是磨粒的刀棱主要是以负前角来进行工作，并且在刀棱钝化了以后，棱面变小，而与磨粒与工件的实际接触面积增大了，使得径向磨削力Fy增大，通常径向磨削力Fy=（1.6～3.2）Fz。

2.轴向磨削力Fx在磨削力计算中一般很小，所以可以忽略不计。

3.不同的磨削阶段磨削力一般会发生变化；首先在初磨阶段，磨削力的变化幅度较大，一般由小变大；其次进入稳定阶段以后，磨削力比较稳定，主要原因是工艺系统的弹性变形达到了一定程度；最后，达到光磨阶段后，实际磨削深度基本为零，此时的磨削力渐渐变得很小。

1.2.3关于曲轴磨削粗糙度在实际生产中的影响因素

在实际生产中，关于曲轴磨削粗糙度在实际生产中的影响因素主要包括几何因素、物理因素以及工艺系统振动！

1.3曲轴数控磨削的加工流程

曲轴数控磨削的加工流程在现代工业技术中并不繁琐，主要融入了很多现代先进的设计和工艺技术，使得加工精度得到完善，加工效率得到提高！

曲轴制造工艺的进展一般包括球墨铸铁曲轴毛坯铸造技术（熔炼和造型）、钢曲轴毛坯的锻造技术以及机械加工技术等！

2.曲轴的数控加工技术

曲轴是汽车等发动机中最重要而且是承受负荷最复杂的零件，鉴于曲轴的复杂性和重要性，对曲轴的数控加工技术的研究显得尤为重要！

2.1曲轴的特征分析

曲轴的作用是把活塞的往复运动转化为旋转运动，输出发动机的功率。主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端是曲轴的主要结构特征；而曲轴对机械加工要求较高的部分主要是主轴颈和连杆颈，主轴颈的作用是为了保证曲轴始终工作在同一轴线上，并且在主轴承上转动灵活，使摩擦尽可能减小；连杆颈的主要作用是连接连杆（连杆颈处载荷较大，对其强度和刚度要求高）。

2.2曲轴加工技术及其特点

曲轴加工技术主要包括四点，分别是曲轴车削技术、曲轴铣削技术、曲轴车—车拉技术以及车—车拉曲轴加工技术；车—车拉曲轴加工技术是将以前曲轴铣削、车—拉和计算机数控技术融于一体而产生的，它代表着当今曲轴加工的最新技术水平！

2.3曲轴NC加工实现

曲轴NC加工的实现需要一系列繁琐的数控程序和过程，主要步骤是（以Pro/Engineer集成软件为例）。

结束语

本文主要对数控系统曲轴磨削加工技术做了初步的分析研究；通过对曲轴磨削技术的论述，来研究基于磨削技术在加工中的重要作用。首先在分析国内曲轴磨削工艺的基础上，结合我国机械制造当前的生产条件，对曲轴数控磨削工艺的流程以及要求进行分析，以此来阐述实际生产过程中该工艺的各项影响因素；通过对曲轴数控磨削技术进行侧重论述，来体现数控磨削作为磨削技术的主要发展方向之一的重要作用。数控技术可以提高磨削的自动化程度，实现高速高精度加工。对曲轴磨削技术的深入研究，有利于我国机械制造业的发展，对提高我国的磨削制造水平具有重要的意义！我国目前工业化发展迅速，现代化的设计工艺与技术也为当前磨削数控系统的智能化、高速高精度加工的发展提供了很多发展机遇，使得曲轴磨削数控加工技术在现代化的工业浪潮中得到不断完善，工业化进程也得到提高！

参考文献

曲轴设计第12篇

关键词：曲轴,工艺,规划设计

0前言

大型船用曲轴是大型船用发动机中的关键部件, 对柴油机的平稳、安全运行起着至关重要的作用, 柴油发动机的强大动力是通过曲轴传递给螺旋桨推动轮船前进的。

曲轴也被誉为船用柴油机的“心脏”, 大型船用曲轴寿命要求与船舶寿命相等, 终身免维修, 使用期限一般在二三十年以上。造价占一台柴油发动机总价的1/3, 重量级达几十吨或上百吨以上。其设计和制造工艺相当复杂, 对精加工要求非常高。正因为制造技术精度高, 性能要求苛刻, 工艺复杂, 所以是否能自主研制大型船用曲轴代表着一个国家的造船工业水平。

2005年前日本、韩国、捷克、西班牙等少数几个具备制造大型船用半组合式曲轴能力的国家垄断着国际上大型船用曲轴市场。而我国在“十一五”期间, 船舶工业呈现快速发展趋势, 船用柴油机曲轴生产企业陆续投产, 船用大功率低速柴油机半组合曲轴市场完全由国外企业所垄断的局面才有所改变。

1 船用组合式曲轴的生产现状

1.1 国际船用组合式曲轴的生产现状

目前国外生产大型船用曲轴的国家主要有日本、韩国、捷克、西班牙等少数几个国家, 其中日、韩两国的产品约占世界产量的80%。截止至2007年, 主要国家船用曲轴产能情况见表1。

随着近些年各国在船用曲轴制造方面的发展, 斗山重工已具备了生产全部型号曲轴的能力, 拥有曲轴车床8台。2007年生产曲轴170-180根, 其中自需一半以上, 2008年制造曲轴约250根。由于斗山重工拥有完整的曲轴热加工生产工艺, 曲轴毛坯的供应无后顾之忧, 在国际市场上具有较强的竞争力。

韩国现代具有年产400根的生产能力, 拥有8台曲轴车床;日本神户制钢年产量近400根;捷克维特科维策股份公司也具有较强的实力, 2008年生产达到150-180根。西班牙曲轴厂实力较弱, 具备可以年产100根能力。波兰曲轴厂也具备了年产百根曲轴的能力, 发展也很快。

1.2 国内船用组合式曲轴的生产现状

目前国内主要有四家规模比较大的半组合式船用曲轴制造厂家, 上海船用曲轴有限公司、大连华锐船用曲轴有限公司、中船重工青岛海西重工有限公司及苏州恒鼎船舶重工有限公司四家大型船用曲轴生产企业, 其生产能力见表2。

MAN曼恩 (丹麦MAN B&W公司) 和WARTSILA (瑞士W.NSD公司) 两种柴油机由于其技术的领先和完善的全球服务网络, 是世界远洋船舶普遍应用的主机, 占世界市场90%以上。

MAN公司的MC和ME系列的船用低速大功率柴油机是目前生产和使用最多的机型, 按气缸直径 (cm) 来划分, 船舶配套需求主要集中在中缸径机型 (50-70机) , 占到市场总量的近2/3, 大缸径机型 (80-98机) 和小缸径机型 (35-46机) 分别只占1/7和1/5左右。预计今后低速机曲轴生产的发展一是大曲轴的制造, 二是考虑全面覆盖, 并提高生产效率, 降低制造成本以满足国内市场需求和继续参与国际竞争。

2 组合式船用曲轴的制造工艺

2.1 组合式船用曲轴曲拐锻造工艺方法

对于全纤维小型曲轴, 我国很早就掌握了其制造工艺, 组合式船用曲轴的制造难度相对前者来说要大得多。单个大型组合式船用曲轴曲拐的锻造方法主要有:

(1) 块锻法。先将毛坯锻成一个方块, 再通过机加工将曲臂之间多余的金属除去, 如图1所示。块锻法锻制出来的曲拐切断了曲拐的金属纤维, 大大降低了大型船用曲轴的承载能力。总之, 该锻造工艺生产的锻件不仅加工余量大, 成本高, 而且质量很难达标, 废品率比较高。

(2) 环锻法。该锻造方法首先制得环状毛坯, 然后在中间将其分开, 一次性制得两个曲拐锻件, 生产流程如图2所示。该锻造方法的优点是锻件机加工余量小, 材料利用率高, 并且锻件内部有良好的金属流线纤维。其缺点是该工艺对设备和工人的操作技能要求很高, 在生产中不易实现, 而且锻件中仍然存有气孔的危险。

(3) 模锻法。该锻造方法的生产流程见图3, 即首先将钢锭压成类似块状毛坯, 然后把它放进模具型腔中, 盖上预压模, 然后施加压, 最后利用冲头的强迫作用使两个曲臂分开。利用模锻法生产大型船用曲轴曲拐的主要优点是曲拐内部可以得到良好不间断的金属流线, 机加工量少, 材料利用率高, 产品合格率也高。其主要缺点是不同型号的曲拐需要用不同的模具, 生产成本会相对较高, 尤其利用模锻法生产大型船用曲轴曲拐时要求压力机有很高的吨位, 此外对模具的强度也有非常高的要求, 在实际生产中的应用不易实现。

(4) 镦锻法。其成形工艺流程过程如图4所示, 该工艺的优点为是机械加工量小、材料利用率高、金属锻造流线连续且流线方向分布与曲拐外形相吻合, 进而大大提高了曲拐零件的综合力学性能。该方法的缺点是生产中的制造成本太高, 不适合小批量生产。

(5) 弯锻法。弯锻法是目前我国船用曲轴生产厂家生产大型船用曲轴曲拐普遍采用的一种方法, 该法主要包括弯曲和压平两个阶段, 其工艺流程见图5。利用该工艺生产大型船用曲轴曲拐可以在曲拐内部得到良好的金属纤维, 并且模具简单, 所需成形力较小, 在生产中容易实现。弯锻法的缺点是受弯曲变形特点的影响, 容易出现影响锻件质量的缺陷。此外, 利用该法进行生产时, 坯料的材料利用率普遍不高。

综上所述, 对大型组合式船用曲轴单个曲拐的锻造, 采用环锻法成形比较困难, 工艺复杂, 不易操作, 而且锻件中仍然存有气孔的危险。采用块锻法生产的曲拐质量很难得到保证, 产品的合格率较低。模锻法受到锻压设备以及工模具的限制, 不适合大型船用曲轴曲拐的生产。镦锻法与模锻法类似, 所需投入设备很大, 成本高, 即使在拥有专利的日本制钢所也不多用。相比较, 弯锻法是一种比较好的方法, 利用该法生产的曲拐金属纤维流向好, 模具简单, 操作简便, 所需设备功率相对较小。如果弯曲工序前的坯料形状尺寸设计合理, 可保证成形质量, 也可以有效的减少机加工量, 从而提高材料利用率。弯锻法成形被应用于低速机半组合曲轴的曲拐毛坯生产中, 这种方法生产的曲轴占世界产量的八成以上, 弯锻法也是我国目前生产组合式船用曲轴曲拐应用最广的方法。

2.2 组合式船用曲轴生产工艺流程

文中规划建设的企业按外购钢锭送入生产车间考虑, 其大型船用半组合曲轴产品弯锻法工艺流程如下:

外购钢锭→检测原材料→加热→锻造制坯→加热→弯锻成型 (弯曲和压平) →第一热处理 (扩氢) →粗加工 (粗加工外表面、气割大孔) →最终热处理 (性能热处理, 调质) →检验→精加工 (各个部件加工、整体红套、整体精加工、抛光打磨) →成品检验→包装入库

由上述工艺流程可看出, 大型船用曲轴每个轴和曲拐部分的毛坯首先要进行单独加工, 再通过热装配的方式装配成一个整体继续加工。在毛坯件加工阶段, 非工作表面就已经加工完成, 工作表面则必须在热装配之后再进行精加工。

3 船用组合式曲轴加工设备配置

在曲轴毛坯的加工过程中, 国内的机床是完全能够保证的, 以车削加工为主的曲轴加工也需要镗、铣加工作为辅助加工工序, 比如平面、斜面以及端面孔的精确加工。而为保证加工精度, 对于曲拐及曲轴的精加工, 目前国内的几个主要曲轴生产厂家设备配置以引进设备为主, 国产设备为辅。

大缸径曲轴车床的加工周期是中缸径曲轴车床的1.4倍时间, 而小缸径机曲轴约为0.8左右, 为满足全系列船用曲轴制造, 其曲轴车床按大、中和小配比, 其最佳比例约为1.1:3.2:1。

文中规划建设的企业配备的典型加工设备包括:加热炉、热处理炉、自由锻压机、数控曲拐专用立车、数控曲轴车床、数控落地铣镗床、龙门铣床、各类重型卧式车床及红套装置等。

4 总结

尽管近几年我国船用低速柴油机发展迅速, 但是相应的曲轴制造技术还处于不断发展中, 必须依靠成熟、先进的生产规划设计理念推动行业良性发展。在我们取得现有成绩的基础上, 还需要船舶业、曲轴制造企业、专家、学者们的大力关注和努力探索, 以促进我国成为曲轴技术强国。

参考文献

[1]许嵩.金融危机导致国产大型船用曲轴竞争压力增大[J].船舶与设备, 2009.