汽车发动机曲轴四缸工艺规程及夹具设计开题报告文档格式.docx

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2017年4月6日

1.课题名称：

汽车发动机曲轴（四缸）工艺规程或夹具设计

2.课题研究背景：

2.1国内外曲轴加工技术的现状

目前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

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。

2.3曲轴的强化工艺技术

目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有如下几种:

（1）氮化处理氮化能提高曲轴疲劳强度的20%~60%。

（2）喷丸处理曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度20%~40%。

（3）圆角与轴颈同时感应淬火处理。

该强化方式应用于球铁曲轴时，能提高疲劳强度20%，而应用于钢轴时，则能提高l00%以上。

（4）圆角滚压处理球铁曲轴经圆角该压后寿命可提高120%~300%，钢轴经圆角液压后寿命可提高70%~150%。

曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚压校正两部分。

（5）复合强化处理它是指应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，球墨铸铁曲轴采用圆角该滚压工艺与离子氮化工艺结合使用，可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。

2.4曲轴的先进的机械加工技术

（1）数控车削工艺数控车削设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具，但只适合小批量生产。

（2）数控内铣铣削工艺内铣设备价格较高，刀具费用也很高，但适合大批量生产。

（3）数控车—拉、数控车—车拉工艺其突出优点是可对宽轴径进行分层加工，切削效率高，加工质量好，但车拉刀具结构复杂，技术含量高，并且长期依靠进口，好处是可集车—车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序于一起。

（4）CNC高速外铣工艺数控高速外铣是20世纪90年代新兴起来的一种新型加工工艺，其应用范围广，特别双刀盘数控高速外铣以其加工效率高、加工质量稳定、自动化水平高，已成为当前是曲轴主轴颈粗加工的发展方向。

就比较而言,CNC车—车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，CNC高速外铣只要一道工序就能完成，切削速度高（目前最高可达350m/min）、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好

（5）数控曲轴磨削工艺精加工使用数控磨床，采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅闭环控制等控制装置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。

如GF70M-T曲轴磨床是日本TOYADA开发生产的专用曲轴磨床，是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床。

该磨床应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削；

采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅闭环控制，使用TOYADA工机生产的GC50CNC控制系统，磨削轴颈圆度精度可达到0.002mm；

采用CBN砂轮，磨削线速度高达120m/s，配双砂轮头架，磨削效率极高。

2.5曲轴的失效形式

依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹:

弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲一扭转疲劳裂纹

（1）弯曲疲劳裂纹

曲轴的弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹。

弯曲疲劳试验表明，过渡圆角处的最大应力出现在曲柄臂中心对称线下方。

应力沿曲轴长度方向的分布是在中间的和端部的曲柄有较大的弯曲应力峰值。

因此，曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴的中间或两端的曲柄上。

曲轴弯曲疲劳破坏通常是在柴油机经过较长时间运转之后发生。

因为长时间运转后柴油机的各道主轴承磨损不均匀，使曲轴轴线弯曲变形，曲轴回转时产生过大的附加交变弯曲应力。

此外，曲轴的曲柄臂、曲柄箱或轴承支座（机座）等的刚性不足，柴油机短时间运转后，也会使曲轴产生弯曲疲劳破坏。

（2）扭转疲劳裂纹

曲轴在扭转力矩作用下产生交变的扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严重时会引起曲轴的扭转疲劳破坏。

扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中严重的油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45°

角的两个方向扩展。

这是因为轴颈的抗扭截面模数较曲柄臂的小，所以扭转疲劳裂纹多自过渡圆角向轴颈扩展，而很少向曲柄臂扩展。

但若同时存在较强的弯曲应力，则裂纹也可自圆角向曲柄臂扩展，造成曲柄臂弯曲断裂。

通常扭转疲劳裂纹发生在曲轴扭振节点附近的曲柄上。

发生扭转疲劳裂纹的时间一般是在柴油机运转初期和曲轴的临界转速位于工作转速范围内时。

扭转疲劳断裂的断面与轴线相交成45°

角，断面上的裂纹线近似螺旋线。

（3）弯曲--扭转疲劳裂纹

曲轴的疲劳破坏还可能是由于弯曲与扭转共同作用造成。

常常由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上产生弯曲疲劳裂纹，继而在弯曲与扭转的共同作用下使裂纹扩展、断裂，最后断裂面与轴线成45°

角。

断面上自疲劳源起约2/3的面积为贝纹区，呈暗褐色；

剩余l/3的面积为最后断裂区，断面凹凸不平，晶粒明亮。

圆形波纹状纹理是弯曲疲劳造成的，放射状纹理是扭转疲劳造成的，两种纹理交织成蛛网状。

弯曲一扭转疲劳裂纹有时也呈以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主的破坏形式。

因此，在具体情况下，应根据断面上的纹理、裂纹方向和最后断裂区进行分析判断。

生产中，曲轴的弯曲疲劳破坏远远多于钮转疲劳破坏。

其主要原因是由于曲轴弯曲应力集中系数大于扭转应力集中系数，曲轴的弯曲应力难于精确计算和控制。

柴油机运转中，曲轴的各道主轴承磨损是很难掌握和计算的，由它所引起的曲轴变形和附加弯曲应力也就难于讨算和控制了。

相反，曲轴的扭转应力可以通过计算准确掌握，并可采取有效的减振措施予以平衡，只要避免柴油机在临界转速运转和扭转应力过载，曲轴的扭转疲劳破坏就会得以控制。

3.课题研究意义：

（1）培养了自己进行综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的。

（2）培养了自己调查研究，熟悉有关技术政策，运用国家标准、规范、手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。

（3）使自己建立正确的设计思想；

初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段；

从而使自己受到一次工程师的基本训练。

4.文献查阅概况

（1）李海国，陆俊峰（滨州海得曲轴有限责任公司），发动机曲轴材料及其发展，材料应用，2012年第9期，45-47

摘要：

曲轴在发动机中属关键零件，运转中承受冲击载荷和惯性力，对抗拉强度、疲劳强度、硬度、耐磨性等都提出了非常高的要求。

针对不同工况条件的曲轴选材非常关键。

曲轴材料选用首先应考虑服役的安全性、质量的稳定性和可靠性，再考虑加工工艺的可行性、应用表面强化工艺的可能性、轻量化设计要求、节能环保要求、经济性等方面。

球墨铸铁和调质钢是常用的曲轴材料，另外还有等温淬火球墨铸铁和非调质钢等新型材料。

（2）康永，王坤（陕西金泰氯碱化工有限公司），汽车发动机曲轴材料选择及工艺设计，汽车工艺，2016年第6期，28-30

本文介绍了汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求以及汽车发动机曲轴材料的选择。

并分析了曲轴的加工工艺路线及热处理工艺、曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施和曲轴在使用过程中可能产生的失效形式。

（3）高广阔，刘景峰，辜祖勋（中国第一汽车集团公司铸造有限公司），轿车发动机曲轴材料及工艺的研究，汽车工艺与材料，2005年第6期，3-9

摘要：

曲轴是汽车发动机关键零件之一,其性能直接影响汽车的质量和寿命。

通过几年的攻关,解决了球铁曲轴材料及工艺上许多难题,研究开发了曲轴壳型铸造新工艺;

保温发热冒口解决曲轴内部缩孔缩松问题;

底注式双向陶瓷直孔过滤网过滤铁水的工艺;

低镁球化剂处理、三次孕育处理工艺;

解决淬火裂纹和硬度不均的问题;

采用Cu、Cr、Ni、Mn合金元素改善曲轴组织性能的工艺。

实现了捷达、宝来和高尔夫轿车发动机曲轴毛坯的国产化。

（4）冯继军，郭文芳（东风汽车有限公司工艺研究所），汽车发动机曲轴常见的失效形式及原因分析，失效分析与预防，2006年第2期，7-12

本文简要介绍了汽车发动机曲轴常见的失效形式,分析了各种失效形式可能的原因。

指出汽车发动机曲轴在其设计、制造、使用中的任何一个环节的不当,都可能会造成其失效,汽车发动机曲轴的失效原因,涉及到从材料、加工、结构、受力、服役环境到相关零件分析的多个过程,并给出一些典型工程失效分析案例,提出了相应的预防改进措施。

（5）李永强（山东科技大学），汽车发动机曲轴机械加工技术，南方农机，2015年第6期，35-38

通过对汽车发动机的原理和曲轴机械加工技术进行了解,研究该技术在汽车制造中的具体应用,从而为提高技术效率提出有效建议,提高汽车工业的整体制造水平

（6）马亚亚（重庆电讯职业学院）,浅谈汽车曲轴加工工艺,山东工业技术，2015年第4期，39

本课题根据目前国内外汽车发动机曲轴结构、工程规范及工作特点,主要探讨当前主流曲轴生产厂家曲轴加工的工艺路线,采用的主要加工设备以及各种加工设备的优缺点。

同时各种曲轴加工过程中容易出现的问题。

（7）祁捷（常州市建东职业技术学院）曲轴加工的工艺浅析祁捷，山东工业技术，2015年第6期，20

曲轴是汽车发动机中重要的零部件之一,加工的工艺比较复杂、精度高。

针对汽车发动机,进行分析曲轴的机械加工工艺,解析曲轴加工的工艺

（8）施继民（武汉工学院汽车工程系）车用发动机曲轴结构强度研究，武汉工学院学报，1992年第2期，15-19

针对引进车用柴油机,本文一方面运用有限元法对发动机曲轴进行三维有限元分析,另一方面在整机上进行了曲轴静态应力电测试验,分析了曲轴连杆过渡圆角处应力分布,提出了提高曲轴结构强度的措施。

（9）陈惠民（菏泽安源黄河水利工程维修养护有限公司第四分公司），汽车发动机的工作原理和总体构造，科技信息，2010年24期，719

摘要:

汽车是由发动机,底盘,车身以及电器与电子设备四大部分组成。

发动机是汽车的动力装置,它将燃料燃烧产生的热能转变为机械能,人们通常把发动机比作汽车的心脏,由此可见发动机在整个汽车中的重要性。

（10）马德峰（龙口龙泵燃油喷射有限公司）汽车发动机曲轴机械加工技术，科技创业家，2014年第3期，77

近年来我社会主义市场经济在经济全球化的社会背景下得到了突飞猛进的发展,人民生活水平得到空前的大幅度提高,在市场经济全球化的发展趋势下,人类对物质文明的享受在人类日常生活中越来越占主导地位。

人类对于汽车的需求量也日益增加,其中在欧美等汽车制造工业先进的经济发达国家,一直以来都致力于创新、研究高性能的环保型汽车发动机制造技术。

（11）王森林（齐齐哈尔市润元机械设备有限公司），发动机曲轴加工工艺方法，机械工程师，2014年第4期，189-190

曲轴零件的加工精度要求较高,对于工艺路线的设计也相对要求较高。

文中结合实例对发动机曲轴的加工过程进行了详细阐述,并对每一个工序进行了分析和总结。

该实例中设计的加工工艺方法对曲轴类零件的加工具有很好的推广应用价值。

（12）汤晓宇（机械工业第五设计研究院），汽车发动机曲轴机械加工技术，汽车工艺与材料，2007年第6期，35-36

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、高性能发动机,发动机曲轴正面临着安全性和可靠性的严峻挑战,传统材料和制造工艺已无法满足其功能要求,本文主要介绍曲轴机械加工的欧美型工艺方案和日本丰田型工艺方案。

（13）HUANGYing,SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,Non-linearTorsionalVibrationCharacteristicsofanInternalCombustionEngineCrankshaftAssembly，ChineseJournalofMechanicalEngineering4（2012）797-808

Crankshaftassemblyfailureisoneofthemainfactorsthataffectsthereliabilityandservicelifeofengines.Thelinearlumpedmassmethod,whichhasbeenuniversallyappliedtothedynamicmodelingofenginecrankshaftassembly,revealsobvioussimulationerrors.Thenonlineardynamiccharacteristicsofacrankshaftassemblyareinstructionallysignificanttotheimprovementofmodelingcorrectness.Inthispaper,ageneralexpressionforthenon-constantinertiaofacrankshaftassemblyisderivedbasedontheinstantaneouskineticenergyequivalencemethod.Thenonlineardynamicequationsofamulti-cylindercrankshaftassemblyareestablishedusingtheLagrangeruleconsideringnonlinearfactorssuchasthenon-constantinertiaofreciprocatingcomponentsandthestructuraldampingofshaftsegments.Thenaturalfrequencyandmodeshapesofacrankshaftassemblyareinvestigatedemployingtheeigenvectormethod.Theforcedvibrationresponseofadieselenginecrankshaftassemblytakingintoaccountthenon-constantinertiaisstudiedusingthenumericalintegralmethod.Thesimulationresultsarecomparedwithalumpedmassmodelandadetailedmodelusingthesystemmatrixmethod.Resultsofnon-lineartorsionalvibrationanalysisindicatethattheadditionalexcitationtorquecreatedbynon-constantinertiaactivatesthe2ndorderrollingvibration,andtheadditionaldampingtorqueresultingfromthenon-constantinertiaisthemainnonlinearfactor.Theincreasedtorsionalangulardisplacementevokedbythehighorderexcitationtorquerelatestothenon-constantinertia.Thisresearchprojectisaimedatimprovingnonlineardynamicstheory,andtheconfirmednonlinearparameterscanbeusedforthestructuredesignofacrankshaftassembly.

（14）YaoZiyun,DiagnosisandSelf-RecoveryEngineeringResearchCenter,Multi-bodydynamicsimulationresearchontheinfluenceofpistonenginecrankshaftthrustbearingsabrasion,HighTechnologyLetters4（2016）426-435

Faultdiagnosisstudyingonpistonengine,crankshaftandgearboxisfocusedinthispaper.Thethrustbearingabrasioncausedbyaxialmovementofthecrankshaftwillaffecttheforceoftiminggearsandoilpumpgears,whichwillresultinthefractureofgears,abnormalignition,connectingrodcrackingandcollisionofcylinder.SimulationbasedonCREOsoftwareisdonetobuildthree-dimensionalmodelsofcrankshaftandgearsofaWP10dieselengine.ThemodelsareimportedintoADAMStocompletemulti-bodydynamicssimulations.Theforceanalysisofgearsindifferentkindsofaxialmovementsisfinishedandvariationsrulesofgeardynamicloadisobtained.Thepresentedresultsshowthatthecrankshaftaxialmovementcancauseoverloadandvibrationongears.Combinedwiththerealisticcasedata,thefaultfeaturethroughsimulationresearchisvalidatedandearlywarmingparametersofgearfaultareproposed

（15）LIANGXingyu，LIANGXingyu，IdentificationofAxialVibrationExcitationSourceinVehicleEngineCrankshaftsUsinganAuto-regressiveandMovingAverageModel，ChineseJournalofMechanicalEngineering6（2011）1022-1027

Violentaxialvibrationofavehicleenginecrankshaftmightleadtomultipledefectstotheengine.Muchresearchonmechanismandcontrolmeasureshasbeendoneonengines,suchasusingthedynamicstiffnessmatrixmethod,rayleighdifferentialmethod,andsystemmatrixmethod.Butthesourceofaxialvibrationhasnotbeenidentifiedclearlybecausetherearemanyexcitationfactorsfortheaxialvibrationofacrankshaft,suchascoupledtorsional-axialvibrationandcoupledbending-axialvibration,etc.Inordertoimprovethecalculationreliabilityandidentifytheexcitationsourceofaxialvibrationofinvehicleenginecrankshafts,thispaperpresentsamethodtoidentifytheaxialvibrationexcitationsourceofcrankshaftsforhighspeeddieselenginesbasedonanauto-regressiveandmovingaverage（ARMA）model.Throughdetermininginitialmovingaveragevariablesandmeasuringaxial/bending/torsionalvibrationsofacrankshaftatthefree-endofa4-cylinderdieselengine,autoregressivespectrumanalysisisappliedtothemeasuredvibrationsignal.Theresultsshowthattheaxialvibrationofthecrankshaftismainlyexcitedbycoupledbendin