天津大学
硕士学位论文
4102系列柴油机曲轴设计与工艺分析
姓名：张洪波
申请学位级别：硕士
专业：动力工程
指导教师：谢辉;耿文浩
20030701
中文摘要
４１０２系列柴油机曲轴设计与工艺分析
动力工程专业
研究生：张洪波指导老师：谢辉副教授耿文浩高级工程师
［摘要】曲轴是内燃机的主要零部件之一，负责将活塞往复运动转变为旋转
【关键词】运动，承受着复杂的交变应力，直接影响着内燃机的寿命，而设计先进性和合理的强化、加工手段是提高曲轴寿命、保证内燃机正常运转的重要保证。本文以ＣＹ４１０２型柴油机曲轴为例，通过对该曲轴设计尺寸与经验公式比较，分析其设计合理性；着重分析了目前常用的曲轴强化手段和朝柴的曲轴氮化工艺，通过对各种强化手段的比较，提出不同曲轴应采用不同的强化手段；并经过对朝柴现行曲轴加工工艺的介绍，与世界先进加工工艺作比较，对朝柴现行曲轴工艺提出改进方向。曲轴设计．７－艺强化氮化圆角滚压
英文摘要
Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｓｆｏｒｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ，ｗｈｉｃｈ
ｉｓｉｎｃｈａｒｇｅｏｆｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｐｉｓｔｏｎｂａｃｋａｎｄｆｏｎｌｌｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎｔｏｒｏｔａｔｉｎｇｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｕｎｄｅｒｇｏｅｓｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓ，ｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｓ，ｔｈｅ
ｍｅａＢ．ｓａｒｅａｄｖａｎｃｅｄｄｅｓｉｇｎ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ｌｉｆｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕａｒａｎｔｅｅｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓｅｒｖｉｃｅａｎｄｋｅｅｐｔｈｅｅｎｇｉｎｅｉｎｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｔａｋｅｓｔｈｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ．ｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｗｉｔｌｌｔｈｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｆｏｒｍｕｌａ，ｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅ
ＤｉｅｓｅｌｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅａｎｓｆｏｒｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓａｎｄＤｏｎｇｆｅｎｇＣｈａｏｙａｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ（ＤＣＤ）
ｃｒａｎｋｓｈａｆｔｎｉｔｒｉｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｄｓｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ
ｕｓｅｍｅａｌｌｓａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｇｉｖｅｎｔｈａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓｓｈｏｕｌｄ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅａｎｓ．ＡｎｄｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＤＣＤ’Ｓｃｒａｎｋｓｈａｆｔ
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｇｉｖｅｎ，ｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｗｏｒｌｄｃｕｒｒｅｎｔａｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒＤＣＤ’ｓｃｒａｎｋｓｈａｆｔｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｅｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｆｏｒｔｈ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ？
Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ；ｄｅｓｉｇｎ；ｐｒｏｃｅｓｓ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ：ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ：ｒｏｕｎｄａｎｇｌｅｒｏｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茔或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：弓如荽、１当、签字日期：Ⅻｐ弓年８月ｚ日
学位论文版权使用授权书
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学位论文作者签名：弓冶Ｊ２．瞍导师签名：獬龆签字日期：≯帕｛年孑月≯日签字日期：朝炒｛年８月心日
第一章绪论
第一章绪论
现代汽车技术日新月异，尤其新材料新技术的不断开发利用，给汽车工业带来更多的选择。汽车自身功能越来越多，这就要求发动机再尽可能小的前提下，提供最大的功率，以满足汽车的动力性需求。作为发动机五大件之一的曲轴，如何选择材料、结构设计紧凑和强化，来保证曲轴的正常运转，更显得尤为重要。本文针对朝柴４１０２系列柴油机的曲轴在结构设计、强化和机加工艺方面做了一些研究工作，就取得的结果，得出～定的结论和意见。
１．２世界机械工业发展趋势
以信息技术为代表的现代科学技术的发展对装备制造业提出了更高、更新的要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中不可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，机械工业将伴随高新技术和新兴产业的发展而共同进步，并充分体现先进制造技术向只能化、柔性化、网络化、精密化、绿色化合全球化方向发展的总趋势和时代特征。
ｌ、地位“基础化”
发达国家重视装备制造业的发展，不仅在于其在本国工业重出口、积累、就业、贡献均占前列，更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质基础，是经济高级化不可或缺的战略性产业。即使是迈进“信息化社会”的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。
２、产品高技术化
先进的装备制造业是高新技术的重要重要组成部分，是促进相关产业技术生机和发展的重要依托。进入９０年代，随着信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果的应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含量已经成为市场竞争取胜的关键。
３、服务个性化
为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要求，先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代化管理技术等信息，并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销
苎二兰些丝
售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。
４、经营规模化
一方面规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强，例如在汽车产业领域，目前年产超过４００万辆的企业集团已经有６家，产量占世界汽车产量的８０％以上；在电力设备领域，世界前三大公司控制了全球大型电力设备市场的７０％。另一方面，各大跨国公司在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，纷纷收缩战线，剥离非主营业务，以精干主业，提高系统成套能力和个性化、多样化市场适应能力。作为规模化生产的前提和条件，生产高水平的零部件和配套产品的“中场作业”快速发展，社会化生产服务体系不断完善，产业化的国际化步伐不断加快。
１．３汽车设计与制造业的技术发展过程
汽车工业已经成为当今世界中最重要的产业。如果没有汽车，我们现在的生活简直无法想象，无怪乎有人说：汽车是改变世界的机器。汽车工业的历史，是不断发展技术、扩大生产、推动社会前进的历史，同时又要克服其自身发展带来的环境污染，人身安全等问题。１９９７年１２月世界各国进一步提出排放的废气量要低予４９９０年的排除量的７—９％，这就要求积极推进提高发动机的燃烧率，减轻车身行驶时的阻力、减轻车身质量等技术的实用化。
汽车从诞生的那天起，就给人类带来无数不幸。全世界平均每天有千余人丧于车祸，每年死于交通事故的人数达到几十万，受伤人数为百余万。交通安全是一个重要课题，而汽车本身性能是一个重要因素。因此，进入２ｌ世纪，世界各国都把汽车的安全性，特别是被动安全问题作为汽车工业发展的另一个重要目标。
计算机在汽车上的应用，带来了汽车设计与制造的新理念。传统的汽车是从纸上的构思、设计开始，通过模型定型，测取数据来加工零部件。在总装线上形成汽车。现代汽车工业则完全不同，它要求在新型汽车设计的第一个环节，所有环节的人都要参加，用集体的思维和数据来构造汽车。通过计算机辅助设计技术，设计出完全满足市场需求、符合国家安全法规的约定、造型优美、生产、服务成本均低廉的汽车。通过计算机网络来协调所有环节的步调，以保证汽车的生产秩序，同时也构成企业的依据。在汽车设计开发中，完全数字化、信息化并贯穿生产、管理、服务的科学化的全过程。２
第一章绪论
每个零部件的生产依据是计算机网络传送来的数字化零部件，如：数字化发动机、数字化底盘、数字化车身等。
１．４内燃机制造技术
内燃机的发展水平取决于其零部件的发展水平，而内燃机零部件的发展水平，
是由生产制造技术等因素来决定的。也就是说，内燃机零部件的制造技术水平，对主机的性能、寿命及可靠性有决定性的影响。同样，制造技术与设备的关系也是密不可分的，每当新一代设备或工艺材料研制成功，都会给制造技术的革新带来突破性的进展，进入新世纪后，科学技术的发展会异常迅猛，新设备的研制周期将越来越短，因此，新世纪内燃机制造技术必将形成迅速发展的局面。
由于铸造技术水平的提高，气冲造型、静压造型、树脂自硬砂造型制芯、消失模铸造，使内燃机铸造的主要零部件如集体、缸盖可以制成形状复杂曲面及箱型结构的薄壁铸件。这不仅在很大程度上提高了机体刚度，降低了噪声辐射，而且是内燃机达到轻量化，由于象喷涂、重熔、烧结、对韩、电化学加工、激光加工等局部表面强化技术的进步，使材料功能得到完善的发挥；由于设备水平提高，加工制造技术向高精度、高效率、自动化方向发展，带动了内燃机零部件生产向高集中化程度发展，另一方面，柔性制造技术的推广，使内燃机产品更新换代具有更大的灵活性和适应性，多品种小批量生产的柔性制造系统引起了内燃机制造商们的广泛认同，也顺应了生产技术发展及市场形势的变化。电子技术及计算机在设计、制造、试验、检测、工艺过程控制上的应用，推动了行业的技术进步，提高了内燃机的产品质量，新材料的发展也推动了内燃机零部件生产工艺的变革，特别是工程塑料、陶瓷材料及复合材料在内燃机上的运用，有力地促进了内燃机制造技术的发展。随着内燃机电控技术的发展，电控系统三大组成部分（传感器、执行器、控制单元）将成为内燃机零部件行业的重要分支，同时向传统的内燃机制造业提出了新的课题。
科学技术的进步为内燃机发展不断注入新的活力，由此可以推断：２ｌ世纪，内燃机制造技术将向高进度、多元化方面飞速发展，它的发展速度和方向不仅关系到内燃机的质量，还直接对内燃机的未来产生重大影响，就其产品技术进步快慢而言，汽车内燃机发展最快，其次是机车、船舶、发电机组、工程机械、农业机械等。
综上所述：新世纪的内燃机将面临来自各方面的挑战，它将义无反顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高可靠性、降低排放和噪声、减轻质量、１
苎＝童篁笙
缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发展。在２１世纪，天然气、醇类、植物油及氢等代用燃料将为内燃机增添新的活力，而内燃机电子控制技术在提高品质的同时也延长了内燃机行业“生命”，新材料、新工艺的技术革命，为２ｌ世纪内燃机的发展产生了新的推动力，２１世纪的内燃机，将在造福人类的同时不断弥补自身缺陷，以尽可能完美的形象为人类做出新的贡献。
１．５论文背景及主要工作
曲轴作为内燃机的一个重要零部件，国内、外对其研究开发都很重视。欧美汽车工业发达的国家，经过多年的积累，对曲轴的结构已经有了可套用的经验公式，一般经过计算机三维设计，，再通过计算机模型模拟测试系统对曲轴的各项强度指标进行分析，使曲轴在初期达到完美的设计。而国内在设计分析手段上比较落后，只能后期通过实验和测试来加以修正。在加工工艺方面，国内、外基本相同，不同的是采用的设备，国外大多采用了先进的数控设备为主，而国内大多以手动设备为主，精度差，效率较低。
作为发动机五大件之一的曲轴，如何选择材料、结构设计紧凑和强化，来保证曲轴的正常运转，更显得尤为重要。本课题主要通过４１０２系列柴油机曲轴的设计与工艺的研究，找出其结构缺陷和加工工艺的不足之处，提出改进意见，并通过几种强化手段的对比分析，找出适合不同曲轴的强化手段。
本人多年从事曲轴加工工作，参加了曲轴氮化工艺的研究和圆角滚压技术试验工作，对内燃机理论和实践有了提高和认识，借助朝柴实验室和力学试验的测试设备以及天大指导教师的指导，完成课题并取得成果。４
第二章曲轴设计与强度分析
第二章曲轴设计与强度分析
曲轴是柴油机中价格最贵的重要零件。其成本大致占整机成本的ｉ／ｌｏ。曲轴承受着由缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力引起的周期性变化的弯曲和扭转负荷。一般情况下，曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳。归纳起来对曲轴设计要求有以下几个方面曲轴的设计要求：
１、足够的疲劳强度，设计时特别要设法缓和应力集中现象，尽可能加强弯曲疲劳强度较弱的曲臂部分，选用适当材料或采用必要的强化工艺措施。
２、尽可能大的弯曲刚度和扭转刚度，以保证活塞连杆组和个轴承的可靠工作，避免产生严重的扭振、纵振和横振。为了提高弯曲刚度，最好是增加轴颈的直径，尽量争取较大的轴颈重叠度和减小跨度。为了提高扭转刚度，也需加粗轴颈和减小曲轴的总长。但是由于曲柄销直径的加大不仅受到活塞拆装的限制，而且会因转动惯量的增加导致扭振固有频率降低，对扭振不利，因此应该主要加粗主轴颈，并尽量将曲柄销作成空心的。同样的道理，应尽量减小平衡块的重量和消除曲柄臂的肩部。
３、应保证主轴承和曲柄销轴承有足够的承压面积和可靠的润滑，轴颈具有良好的耐磨性。为此要在曲轴及轴承材料的选择、制造工艺、降低轴承负荷及合理设计润滑油道等方面给与保证。
４、尽可能采用普通材料，如碳素钢或球墨铸铁，以降低制造成本，采用高合金钢材料，对应力集中比较敏感，表面粗糙度要好，否则疲劳强度会下降，过渡区应应力不能集中。
上述这些要求之间是存在矛盾的。保证曲轴有足够的疲劳强度是曲轴设计的首要问题。曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑条件的要求。另一方面，曲轴轴颈直径增加会使摩擦损失增加。以下根据曲轴设计要求和经验公式对４１０２Ｂ曲轴部分参数进行校验对比。
２．１４１０２Ｂ曲轴设计参数与经验公式比较
４１０２系列柴油机包括：４１０２Ｂ、４１０２ＢＺ、４１０２ＢＺＬ三大类，功率覆盖（６０ＫＷ－－１０３ＫＷ）范围，转数（２８００ｒ／ｍｉｎ），为中巴、轻卡、２吨叉车等车型配套，是国内类似车型的首选配套主机，是朝柴自行开发设计的高索直喷柴油机，曾获省优、部优产品荣誉称号，开发于２０世纪８０年代，成长于９０年代中期，是目前国内同类机型的首选动力，在其５
量三兰些塑垦盐兰璺壅坌堑
成长发展的十多年历史中，其重要的零部件之一的曲轴，从设计到加工工艺也不断改进创新，尤其强化工艺，由当初的表面淬火，圆角喷丸，发展为现在的整体氮化，不断适应柴油机变化，对提高柴油机寿命和可靠性，提供可靠的保证。
ＣＹ４１０２Ｂ系列柴油机体积小，重量轻，功率大是其重要特点，曲轴基本参数如表２－１所示：
表２—１曲轴基本参数
曲柄销直径ｄ。
主轴颈直径也
曲臂厚度ｈ
曲拐半径Ｒ由６４由８０２３曲臂最大厚度平衡块半径岛曲柄销长度Ｌ，主轴颈长度ｋ１３０９８３８５９３４
２．１．１曲柄销直径ｄ，
（１）ｄ，越大，可承受扭矩大，发动机功率越大。
（２）但ｄ。增大，则会导致拆卸困难。
（３）ｄｌ增大，则曲轴转动惯量越大，易产生共振。
（４）ｄｌ增大，若曲臂薄，则易产生应力集中。
（５）ｄｌ增大，圆周速度增加，连杆瓦易磨损烧伤。
基于以上原因，高速柴油机的经验数据ｄｌ／Ｄ＝０．６’０．７５，对于４１０４柴油机ｄｌ／Ｄ＝６４／１０２４０．６２７，在经验公式范围内，但偏低。承载
能力Ｌ
２．１．２曲柄销长度Ｌ。
（１）比压要满足ｐ－－ｐ：９－ＩＤ２／４ｄ，Ｌ。
（２）Ｌ，／ｄｌ要适当，从理论上Ｌ。／ｄ。＝ｏ．３时，承载能
力最大，但实际中考虑设计紧凑性和其他
相关零部件要求，一般Ｌ，／ｄ，应在０．５’０．７５范围内，ＣＹ４１０２．ｆ‘＼‘Ｉ．
０１、’一柴油机曲轴Ｌ。／ｄ。＝ｏ．５９（如图２－１所示）。
２．１．３主轴颈直径ｄ：０．２０３０４０．５０．６图２．１Ｌ１／ｄ从理论上讲，主轴径承受力要比曲柄销小一半，但为了提高整根曲轴的刚度，一般设计要ｄ：＞ｄｔ，ｄ２／Ｄ：Ｏ．６’ｏ．８，ＣＹ４１０２柴油机ｄ２／Ｄ＝８０／１０２＝０．７８。在经验公式范围内偏
第二章曲轴设计与强度分析
高，主轴径直径偏大。
２．１．４主轴颈宽度Ｌ。
一般经验数值ＬＪＤ＝Ｏ．４、０．５５，通常为提高曲轴整体刚性，中间主轴颈比其余的宽一些，ＣＹ４１０２Ｂ曲轴ｋ／Ｄ＝３４／１０２＝Ｏ．３３，低于正常值，但因生轴颈承受载荷比曲轴柄低一半，相对比压要低得多，一般不会有太大影响。
２．１．５曲柄臂的宽度（ｂ）和厚度（ｈ）
由曲柄臂受力６“＝６Ｍ／ｂｈ２来分析，曲柄臂厚ｈ尽可
能大一些，以降低６ｍ，一般经验ｈ／Ｄ＝Ｏ．２４￣ｏ．３３，而
宽度ｂ相对影响小一些，但也适当大些，以降低６。。
ＣＹ４１０２Ｂ型柴油机ｈ／Ｄ＝２３／１０２＝ｏ．２３，低于正常值，导
致承受力不足，从目前柴油机断轴故障来看，也符合
该规律，只能采用高合金钢来提高曲轴的曲臂强度。
从以上对曲轴基本参数分析对比可以看出，
ＣＹ４１０２Ｂ柴油机设计比较紧凑（缸心距１１８ｍ），致使
图２．２
曲轴的设计参数基本达到极限或低于正常经验值，如
曲柄销直径、主轴颈宽度及曲臂的厚度［为了弥补由于这些参数造成的曲轴强度不足，而选用了合金钢材料和氮化工艺来提高曲轴的整体强度，从而保证了曲轴的正常运转。］这也正体现了ＣＹ４１０２Ｂ柴油机体积小，功率大，结构紧凑的这一特点。尤其是曲臂厚２３，低于正常值，承载能力略显不足［若能做到２５，则其承载能力可提高１８％，从现有基础看应该是可以做到的，可以将主轴颈宽减小２ｍ，做到３２，比压升高并不明显，应该在承受范Ｉ重Ｉ之内］，并且弯曲、变形造成跳动超差，给加工工艺带来困难。
２．２曲轴结构强度的电测试验
我们在开展电测曲轴应力的过程中，同时采用了静动应力测量。通过静态曲轴应力模拟试验可较全面地研究曲轴应力的分布情况以及各种因素对曲轴强度的影响，同时也为动态应力测量提供了必要的条件。
２．２．Ｉ曲轴的静态应力模拟试验７
第二罩曲轴设计与强度分析
为了实现不同的目的，静态应力模拟试验可以有不同的模拟加载方式。我们大
致采用三种模拟加载方式，这也是利用电测法的特点。
（１）材料拉、压试验机上进行简支的加载方式
此加载方式对于定性地了解曲轴应力的特征，各参数对曲轴应力分布和圆角应
力集中的影响是非常可取的，它将现象简化和抽象了，便于方案的选取和规律性的探索。其加载示意图见图２—３。
（２）发动机上静态模拟加载
实际上曲轴所受的弯曲载荷图２－３简支加载示意图余了静不定粱的特征外，在每一主轴颈上承受复杂的弯矩力系，再考虑缸间的影响（此影响往往是不可忽略的，例如在加载相邻缸的曲柄，即使未见其他外力，由于加载缸加载的影响，产生的应力为加载缸曲柄应力的２５％），因此开展一定量的发动机上加载模拟试验往往是必要的。
此时，所加的力应按发动机工作条件来换算，考虑到喷油提前角，曲轴的最大加力应是最大爆发压力减去此时的活塞连杆组是惯性力。丽在三角形弯矩加载模拟中只要有相当量级的力矩就可以了，因为在一定范围内其受力与加力是成线性关系的。这从后面的试验结果中就可见。
加载方式可用机械或油压（高压泵之类）等方式。（３）机械谐振式弯曲疲劳试验机上的加载
墨三量些塑堡茎兰塑蹩坌堑一
为了寇缝遣了褥益辘敷力静特征，建纛起菡角楚与疲劳稷限桶关系，我｛ｆｊ曾在我所曲轴弯曲疲劳试验机进行过应力测量，其工作原理及详细试验结果请参考［５］、［９］。此时曲轴受力如图２－４。
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ｔ｝（－９．舰
＋１珍）图２－４弯曲疲劳试验机上加载看专懑图为了试骏蛇方便，静档燃一蜞§熊迅崩。ｖ‘舣承，位辨搿，１＃ｐ性毪绺斌、汽浊溥洗（凝加工晒轴可省掉此道工序），并用“００”号砂纸打光厢，再用丙酮等清洗剂消洗，即可开始贴片。５０２胶本霹常漫鑫然霾鼹。静态试验中对应变片的要求主甏是标题，因为我们最关心的部位是曲轴上的最大应力楚，一般是捂连籽辘臻鬻建赴懿淹力，魏筵庭力瓣度缀大，在９０。的圆弧内，其应力的峰值是该处平均值的１．２倍以上。应变片的标距愈大则引入的误差也愈大，簸好是ｌｘｌ勰或爨小静敷交片，限于条彳牛此次静态试验都用２ｘ３ｍｍ标距的应变片。片予的中心所贴部位也很有关系，按［７］的光蛋试骏结果，片子中心线应位予圆弧的离曲柄臀６０。处。
２．２．２曲轴的动态虚力试验
戆辘蘩态痤力试骏～般蘩搔发动嫒实嚣滚行情掇下溅定蒸动态旋力。盘予趣赣簸９
第二毒蓝辘设计等强度分祈
于旋转和高于常温（大致８０－ｉＩＯ＇Ｃ之间）的条件运转，其受力为非对称的交变应力，这两个特点就要求我嬲一要解决倍墨（应交片感受的信号）的弓ｌ出方式，二要解决应交片豹激发补偿溺题。
旋转件应变信号的引出以前大都采用各种类型的引电器，最多的是水锻式和炭刷式引电器。臣前，尤其是对于柴油搬睦ｌｌｊ皱的转送，大都采鹰淡刷式弓ｌ电嚣。但是，照着近代科学技术的发袋，尤其是半鼯俸器｛牟和鬃藏电路的阏激，遥测技术已弓ｉ入封实验应力分析中来了，曲轴的应力测缀也早被采用过。我们目前使用的是刷式引电器，并准备耀邋溅技术应用予曲轴应力鲍动态实测。
盛爱片的温度补偿并不是困难酌离题，只要手头有适予黻轴材料并且怒小标距豹自补偿片。问题就可解决。我们前几次用的应变片限于条件只有３ｘ５的箔戏应变片，作为低予１００＂Ｃ的动态廒变测量是可以懿。但是妇予不是皇专｝髅冀，载无法嚣分交变应力静正、负值——也邵零线飘移。阏时，萁测量鹣绝对值也螫芍ｌ入误差。豳２－５是在烘箱中对两种片子性能的对比试验曲线，由图可知，适用于１００℃左右的温度自补偿片，在１００＂Ｃ农右对零飘极小，两３ｘ５的一般藩式片却蠢７００微交乏多数飘移。健是，我髑试验辩奁黯辆平衡块端颟贴了补偿泞，它与工僚片之间温度熬有限，所以，由温度引起的误差很小的。
在烘稽墨我们将鼹誊｝Ｉ片子蠖澄必ＩＯＯＸＰ，诧懿应变便宅簸母餐电位嚣将飘移
图２－５应变片温度试验曲线
金罄谲罄零，再嬲载试骏，这时自褂楼片所褥数德强予常温辩数值，丽３ｘ５箔式应变片却比常温时偏小１６％左右。为此，我们拟定了～个试验方案，在曲柄平衡块断部无应ｌｏ
蔓三童些塑堡笪兰堡墨坌堑
力区贴一补偿片，试验前应变仪调好零位，开车并加载使曲轴内部温度稳定后停车，在调一次零位。这样，我们发现在试验中其零飘就极小了。
所用应变片胶水很重要，动态测量时我们选用的是ＪＳＦ－Ｉ胶水做为粘结剂，其固化加热条件示于图２—６。
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鬟
时间（分）
图２－６ＪｓＦ一１胶固化加热示意曲线
应变片及其引线用环氧树脂固封，引线最后通过主轴颈加工孔引出机外，与引电器滑环接线柱焊牢且包扎好。图２—７为引线示意图。
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图２—７曲轴引线示意图
静态模拟试验一般可用带多点旋转箱的静态应变仪或动静应变仪，动态应变试验则“
图２－８曲轴动态应力试验装置原理方框
卜水利测功器４——＿稳压器卜ＤＳ６／Ｒｓ型动态应变仪６——ｓｃ一１０型紫外线记录仪７——ＦＹ６０型电源箱１——－９５系列柴油机２一ｓＲ一４型集流器
８＿—－ｓＢｌ４型示波器
ｚ－３４１００型柴油机曲轴疲劳强度的研究
该柴油机具有较先进的技术经济指标：平均有效压力ｐ。＝７．１６公斤／厘米ｚ；升功率Ｎｔ２１５・９Ｐ／Ｌ；单位马力重量Ｇｗ＝５．６Ｋｇ／ｐ。随着发动机强化程度的提高，重量的减轻，发动机零件的负荷将相应增加。为了保证４１００型柴油机有良好的可靠性和寿命，合理地设计发动机的主要受力零件——曲轴，使之具有足够的疲劳强度，便成为设计工作中的重要问题。
为了解决这个问题，多年来我们曾围绕几个方面，进行了一些试验和研究工作。以下介绍４１００型柴油机球墨铸铁曲轴的静态弯曲应力测定情况。
由于曲轴形状复杂及其断面沿轴线方向的急剧变化，引起了曲轴应力分布的极不均匀。为了掌握曲轴应力的分布规律，摸清曲轴各处应力的大小，我们对４１００型柴油机球墨铸铁曲轴进行了静态弯曲应力测量。曲轴的主要尺寸如下：
主轴颈直径７５ｒａｍ
连杆轴颈直径６５衄
过渡圆角半径４ｒｉｍ
曲轴颈重叠度ｌＯ岫
曲柄臂宽度１１５咖
曲柄臂厚度２３．５１１，
第二章曲轴设计与强度分析
使试验状态更加接近于发动机的实际工作情况，被测曲轴按发动机实际情况装于缸体上。曲轴所承受的载荷由油压机通过活塞连杆组传给曲轴。试验时各缸依次施加载荷为６２００公斤。试验采用规格为３ｘ４皿ｎ的纸基电阻丝应变片。应变片分布于曲轴连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处，且位于通过连杆轴颈中心线的平面内。从曲柄臂对称平面起每隔１０。贴１片（参见图２－９）。圆角的编号顺序从正时齿轮端开始至功率输出端分别为ｌＲ，２Ｒ，３Ｒ，４Ｒ，５Ｒ，６Ｒ，７Ｒ，８Ｒ。同时在各连杆轴颈中央截面贴片，其序号分别为：Ｉ中，ＩＩ中，Ⅲ中，Ⅳ中（参见图２一ｌＯ）。
４１００型柴油机球墨铸铁曲轴静态弯曲应力测量结果绘成曲线示于图２－１１中。从图中可以看出：
１）某一曲拐而言，连杆轴颈圆角处的弯曲应力均大于连杆轴颈中央截面的应
力。连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处最大弯曲应力均出现在曲柄臂对称平
面内。其数值为：
∥沁
（溯粼）≮幼
图２－９应变片在连杆颈圆角处的分布情况
第一曲拐：圆角ｌＲ处最大应力为１７．４ｋｇ／ｍ２；连杆轴颈中央截面Ｉ中最大应
力为５．４ｋｇ／ｍｍ２；圆角２Ｒ处最大应力为９．９６ｋｇ／Ⅱ衄２；即圆角１Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ｉ中处的３２３％，圆角２Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ｉ中处的１７８％。
第二章曲轴设计与强度分析
第二曲拐：圆角３Ｒ处最大应力为１０．７ｋｇ／ｍ２；连杆轴颈中央截面ＩＩ中最大应
力为５．２５ｋｇ／ｍｍ２；圆角４Ｒ处最大应力为９．７ｋｇ／ｍｍ２；即圆角３Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅱ中处的２０４％，圆角４Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面ＩＩ中处的１８５％。
第三益拐：圆角５Ｒ处最大应力为９．６ｋｇ／ｔｍ２；连杆轴颈中央截面ＩＩＩ中最大应力
为５．８ｋｇ／ｍｍ２；圆角６Ｒ处最大应力为ｌＯｋｇ／ｍｍ２；即圆角５Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅲ中处的１８５％，圆角６Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面ＩⅡ中处的１９３％。
第四曲拐：圆角７Ｒ处最大应力为１３ｋｇ／ｍｍ２；连杆轴颈中央截面Ⅳ中最大应力
为５．５８ｋｇ／ｍ２；圆角８Ｒ处最大应力为１４．１ｋｇ／ｍｍ２；即圆角７Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅳ中处的２３３％，圆角８Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅳ中处的２５３％。
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１４
第二章曲轴设计与强度分析
雾雾、ｎ，饕、”／
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么弧陔勿
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黛缓＝Ｓ。。一＝
图２．１０球墨铸铁曲轴应力分布
２）就整个曲轴而言，两端曲柄臂圆角处弯曲应力最大，分别为：ｌＲ处最大应
力为１７．４ｋｇＡｍ２；８Ｒ处最大应力为１４．４ｋｇ／ｍｍ＇。
３）某一曲拐受力时除该曲拐产生应力外，其它曲拐也产生应力；当用６２００ｋｇ的力作用于第二曲拐时，除第二曲拐连杆轴颈圆角处产生拉应力外，且在其它连杆轴颈圆角处产生拉应力，这种影响随着曲拐的远离而减小。其数值为：圆角５Ｒ处最大压应力为４．５６ｋｇ／ｍＺ；圆角６Ｒ处最大压应力为３．９９４．５６ｋｇ／ｍｍ２；圆角８Ｒ处最大压应力为０．７２４．５６ｋｇ／ｎｍｔ２。
４）主轴承瓦盖螺栓的扭紧力矩改变，影响曲轴应力的分布。当第二主轴承瓦
盖扭紧力矩为１５ｋｇ・Ｉｌｌ及８蚝ｍ时，第一曲拐应力变化如下：
１５岖・ｉｎ时，（ｏ一）ｌＲ＝１７．４ｋｇ／ｚｍ２；（０．。）２—９．９６ｋｇ／ｍｍ２；】５
第二章曲轴设计与强度分析
（０．。）Ｉ十＝６．４ｋｇ／ｍｍ２；
８蝇・ｍ时，（０。）”＝１７．００ｋｇ／ｎⅢｎ２；（０．。）２Ｒ＝１１．６０ｋｇ／珊ｎ２；
（０．。）Ｉ÷＝５．６７ｋｇ／ｎｍｎ２。
引起的变化分别为：增加５％；增加１７％；缩小２．５％。
通过本次试验可以清楚地看到曲轴受力时，其上面的应力分布是极其不均匀的。在曲柄臂与连杆轴颈过渡圆角处有严重的应力集中。圆角最大应力是轴颈中央截面应力的２－３．５倍。造成这种现象的原因是由于曲轴沿轴线截面的急剧变化和形状复杂所致。因此，曲轴结构设计是十分重要的。在可能的条件下，采用较大的轴颈重叠度和过渡圆角半径，采用轴颈的空心结构及卸载槽等结构来减少曲轴过渡圆角处的应力集中，从而达到提高曲轴疲劳强度的目的。
本次试验看到的另一现象是，曲轴两端曲柄臀和连杆轴颈过渡圆角处的最大应力分别是中间各曲柄臂相应处最大应力平均值的１．６６倍和ｌ＿３４倍。这种应力分布规律是和４１００型柴油机球铁曲轴的疲劳断裂情况相吻合的。造成这种现象是由于两端第一和第四曲拐受力时曲轴的中间曲拐产生连续变形，在中间主轴承产生相应的支反力，这个支反力的方向对中间曲柄臂起了一种卸载的作用。而两端曲柄臂处在曲轴最外端，无此种作用，因而应力最大。近年来，许多柴油机曲轴均采用不等厚曲柄臂（见表２—２），道理也就在于此。
表２－２
Ｐｅｒｋｉｎｓ－４．２３６ＴＡ
１Ｒｅｎａｕｌｔ一５９１２３．３
２２４１１５２７．５２４．５
２４．５
２８４１００２５．５２３．５２３．５２０．８６１６．８４１８．７７１９．７０
１９．６８
１８．７８
１８．９０曲２３柄臂厚度２２２２２１．５４５２３．５２３．５２８２４．５６７
８２２．３２１．２２３．５２３．５（哪）２４．５２７．５
１３６
１５２３．１６１２４６．３２３９０２５．５１３０１０曲柄臂宽（衄）轴颈重叠度（衄）
主轴颈和连杆颈圆角１２．５Ｒ３．６８－３．９４Ｒ２沉割Ｒ４＋１Ｒ４（姗）
注；①此表四种柴油机均为四冲程四缸机。Ｐｅｒｋｉｎｓ－４．２３６ＴＡ用于拖拉机。Ｒｅｎａｕｌｔ一５９１型用于发电机组。
②表中４１００型柴油机曲轴为改进结构后的尺寸。
（要）ＰｅｒＭｎｓ一４．２３６ＴＡ型及Ｒｅｎａｕｌｔ一５９１型曲轴尺寸是钡４绘该机１９６５年产品得到的。１６
第二章曲轴设计与强度分析
２．４从结构上提高曲轴疲劳强度的几种措旌
２．４．１采用空心轴颈，改善应力分布状况
通常连杆颈都是实心，应力分布如图（２－１２ａ）所示，局部应力偏高，不均匀，若采用中空形式，如图（２—１２ｂ）所示，应力分布比较均匀，可以减小比压，减少磨损，相应提高疲劳寿命。该结构铸铁曲轴实现相对容易一些，可在铸造时下芯宜接铸造成型；对锻钢曲轴则需要锻后加工成型。另外，通常空心孔中心向上偏离曲轴中心，会更加减小离心惯性力。
刃勿钐扮
《◇
２．４．２尽量提高重叠度（Ａ）蹩夕图２・１２应力分布状态比较
理想讲Ａ越大越好，可以提高曲轴整体强度，不易弯曲变形。一方面可以通过加
大主轴颈和曲柄销直径来获得Ａ增大，但由于发动机
厂。、尺寸限制，不能无限增大；另一方面，也可以减小曲产刈
＼一／目，拐半径Ｒ来获得，从发动机设计上采用短冲程、高转ｄ１＋ｄ２）协Ｒ速，这也是内燃机发展的一个方向。
２．４．３改善过渡圆角ｒ１７
苎三童蝗塑堡生兰塑壅坌堑一————
嘲２－１４曲轴过渡必角
通常因角过渡采用图（２－１４ａ）所示形式，应力分布不均明显，应力巢中这也是最常见的形妓，易加工。
在近几年，采用沉害《槽形式如图（２－１４ｂ）所示逐渐增多，尤其在国外，明鼹改善了应力集中坟援，使褥夔麓疲劳强度有骥显增翅，这逸楚先遴魏翅工设餐带来鼹突酸性进展，如车一拽床、圆角滚压技术的完祷等。
另鲮，遥．＝年鸯醣突袭赞，建渡嚣袋焉ｒ逐漱递减麴秘线形式，黧强（２—１４ｃ），会避好地改善应力集中状况，这样也不必采用昂贵的车执床和滚鹾机床，依然可以采用普逶车寐、磨工净就霹戳解决。
２．４．４提赢表面质麓
一是轴颈表瑟犍糙度，再裁是凝角过渡裹瑶威量，也是提裹疲劳强度豹有效手段。２．４．５改善润滑油孔的布鼹
陌擀勃＼
整争１５滤涛漆我鼢纛萋
通常，润滑潞扎虫主轴颈豪接钻通剿照橛镄袭露，如圈（２—１５ａ），这秽结梭生要有以下两个缺点；～是连杆颈的孔口有一侧是锐角，应力集中非常大，即使倒钝后也ｌ鐾
蔓三童些塑丝盐兰塑星坌塑
不规则；二是由于离心力作用，杂质会聚集到孔口，造成偏磨。
如改成图（２－１５ｂ）形式，油孔由曲臂钻入到主轴颈，再由曲柄销和主轴颈表面垂直钻通，这样布嚣，工艺稍复杂一些，但能够有效解决以上缺点，是提高曲轴疲劳强度的一个有效措施。
２．５曲轴的材料
指标不太高的内燃机，曲轴通常用球墨铸铁铸造。除了成本低外，铸造曲轴很容易作出中空轴颈，从而使材料利用率提高，应力分布比较均匀。铸铁的内摩擦阻尼比钢大，在同样的激振扭矩下扭振振幅较小。铸铁曲轴的耐磨性较好，配软质的巴氏合金轴瓦不需要把轴颈淬硬，使成本进一步降低。球墨铸铁曲轴不仅价格低廉，制造方便，不需大型锻压设备，而且对应力集中不敏感。并且可通过合理的造型，达到最低的应力集中，疲劳强度接近中碳钢。但它的延伸率和冲击韧性，弹性模数小，所以综合性能不如中碳钢。且铸造质量不稳定，使它的应用受一定限制。
现代高速柴油机一般用４５钢锻钢曲轴，锻后进行正火处理或调质处理，然后在各轴颈表面淬火，提高疲劳强度。但是，随着发动机强化度的提高，特别是对于尺度、质量要求高的中高速强载发动机，由于曲轴工作应力的提高，有必要采用机械性能和瘪劳橡眼更高的合金钢锻造曲轴。在这类发动机中，轴承负荷也较大，因而轴承材料也霈采用承载能力大的铜铅合金或铝合金，这就要求曲轴须有很高的硬度，而合金钢硬摩棼高，且适合氮化等表面处理。因此，中高速柴油机中，合金钢曲轴得到广泛应用。
兰三兰
第三章些塑塑！！堂璺些兰垦曲轴的几种强化手段
作为内燃机的重要零部件的曲轴，它与连杆相结合，将活塞的直线往复运动转变为圆周运动，并输出动力。曲轴工作时，主要承受复杂交变的弯曲、扭转载荷和冲击载荷，同时由于曲轴高速旋转，要求轴颈表面耐磨，因此，曲轴的主要破坏形式是疲劳断裂，裂纹源多数发生在轴颈与台肩凸台端面的过渡圆角处。轴颈磨损严重是去轴的另一种主要损坏形式。由于曲轴形状复杂、刚性差，所以加工难度也很大。
３．Ｉ轴颈表面淬火强化
高频淬火是利用高频感应电流的频率越高其流动越靠近金属表面的性质而对钢进行淬火的～种方法，其特征如下：
１）由于直接加热，所以热效率非常高。
２）可以进行局部淬火。
３）处理时间短，可以提高生产效率。
４）工作环境相对较好。
５）高频淬火件的疲劳强度高。
正是基于以上优点，ＣＹ４１０２Ｂ曲轴（精选４５＃钢锻造）采用高频淬火强化工艺，同时由于加热速度快，钢中的碳不易扩散均匀，因此锻造毛坯进行调质处理，预先获得较好索氏体组织。右图是普通淬火和高频淬火得到的最高硬度，右图可以看出，原始组织为索氏体和珠光体两种材料，经过高频淬火后，硬度有明显差别。
原始组织为索氏体的钢经过高频淬火后的硬度比普通淬火的高一般认为这是由于急冷急热所产生的残余应力所引起的，例如：把经过高频淬火的方钢切断，与切断前的硬度相比，切断后的硬度降低ＨＲＣ２以上，这一实验结果可以作为上述问题的实例。因此，高频淬火工作在回火时硬度降低较多，尽管如此，由于残余应力是造成开裂和损坏的根源，所以，高频淬火后最好进行回火。
曲轴轴颈表面经高频淬火后得到较高的硬度，提高了抗磨损能力，并在一定程度上提高了曲轴的疲劳强度单由于圆角部位未得到强化，所以曲轴安全系数比较低，因此在生产中又引入了圆角喷丸强化工艺。
３．２高频淬火＋圆角喷丸
材料的疲劳破坏，通常是由于在拉应力的反复作用下，在表面产生疲劳裂纹，而后又在这～拉应力作用下，裂纹逐渐发展，以致最后呈脆性断裂。在材料表面产生２０
蔓三垩些塑塑些苎璺些至垦
预压应力后，反复作用的拉应力会受到部分抵消，从而使材料的疲劳强度得到了提高。同时，即使材料在拉应力的反复作用下出现了疲劳裂纹，由于预压应力的存在，也会使裂纹的发展得到减缓，这从曲轴的疲劳实验中叶得到了证实。正是基于这一理论，朝柴自行研究出圆角喷丸强化措施，具体实旅如下图３一ｌ所示：
图３－ｌ曲轴圆角喷丸示意图
将曲轴放入一封闭容器内，可由电机带动旋转，喷嘴对准圆角中心呈４５０角，喷丸（ｏ・２－０・８ｍ），由压缩空气带动油喷嘴喷射在圆角及其附近，在其表面形成于预压应力。
曲轴圆角经过喷丸强化后，疲劳强度有了显著提高，安全系数达到１．７以上，该工艺实施后，为我公司柴油机发展做出了巨大贡献，一直延续使用十几年，但随着市场需求的不断变化提高，我公司又相继开发出４１０５、４１０２ＢＺ等新机型，功率相应提高，导致曲轴疲劳强度不足，为此，去轴的材料选用４２ｃ工Ｉ№，整体氮化。
３．３离子氦碳共渗
渗氮是Ａ・弗利（Ａ．Ｆｒｙ）于１９２３年提出的方法，其后随着工业化的迅速发展，气体渗氮、盐裕渗氮和离子渗氮等都获得了广泛应用。
离子渗氮是１９６７年在西德首先投入使用的渗氮方法，是离子轰击热处理的核心技术。我国也正在迅速采用。这种方法是在真空容器通入氮或氮氡混合气体，以工件为阴极，以容器壁为阳极，在卜１０Ｍｐａ的气压下，利用辉光放电使离子化的氮扩散渗２１
兰三童些苎塑些翌塑些王丝
入钢中。离子渗氮的优点是气体利用率高，无公害，钢中的氮浓度可以进行一定浓度的调节，但是，设备投入较高，周期较长。
朝柴机随着市场需求不断提高，在原１０２基础上先后开发出１０５及１０２增压机型，功率增加了，因此对部分零部件的使用性能要求大幅度提高，尤其是曲轴。曲轴与连杆相结合，将活塞的直线往复运动转变为圆周运动，并输出动力。工作时，主要承受复杂交变的弯曲、扭转载荷和冲击载荷，同时由于曲轴高速旋转，要求轴颈表面耐磨。因此，曲轴的主要破坏形式是疲劳断裂，裂纹源多数发生在轴颈与止推凸台端面的过渡圆角处。轴颈磨损严重是曲轴的另一种主要损坏形式。由于曲轴形状复杂，刚性差，所以加工难度大，因此提高曲轴疲劳强度、保证曲轴加工精度是开发新型柴油机的关键。而渗氮处理不但能提高曲轴疲劳强度，同时还能提高其轴颈表面的耐磨性。因此我们采用了渗氮工艺中的离子氮碳共渗工艺对曲轴进行强化，经过多次试验，取得了成功（首先在６１０５机曲轴）。
朝柴６１０５型柴油机曲轴材质是４２ＣｒＭｏ钢。钢曲轴渗氮处理最大的难题是畸变，主要表现为曲轴渗氮后主轴颈跳动超差。国内对钢曲轴渗氮变形控制认识很少，没有成型的经验和技术，只有潍坊柴油机厂的斯太尔曲轴材质为４２０ｒＭｏ钢，但其对变形要求比较宽松，主轴颈跳动小于或等于０．３０ｍ为合格，且毛坯为进口，渗氮设备也是进口是。而朝柴６１０５型柴油机渗氮后主轴颈跳动为不超过０．０６ｍ，这是一个很难实现的要求。
要解决曲轴渗氮变形问题，主要是在渗氮前彻底消除曲轴的组织应力和加工应力。我们提出了八个试验方案，放慢切削速度，加长加工工序节拍，改变轴颈加工顺序等方法均未取得理想的效果。后来我们又提出了合理安排去应力退火工序，采用加大工序留量逐步加工，增加磨工序，全过程不校直的曲轴加工工艺，取得了成功。在去应力退火工艺规范中，我们对炉型、装炉方式及装炉量、保温温度几及时间、加热及冷却规范等均做了大量的研究。最终将曲轴主轴颈跳动变化量控制在Ｏ．毗以内。
在工艺技术攻关过程中，另一个主要问题是如何保证曲轴渗氮质量。根据６１０１５曲轴渗氮技术要求及生产能力，我们选用了ＬＤＭ０１５０型辉光离子渗氮炉。经过大量的试验研究，我们摸索出了曲轴变形最小、渗氮质量最佳的离子氮碳共渗工艺。在试验过程中，我们先后解决了试装曲轴拉瓦，渗氮表面出现黑色沉积物和曲轴嚼角渗氮层不均，渗氨电击伤，渗氮表面硬度低等质量问题。
为了控制离子氮碳共渗曲轴质量，我们编制了（４２ＣｒＭｏ钢曲轴离子氮碳共渗质量检验》企业标准。每炉曲轴渗氮质量通过随炉试样和曲轴本体试样的检查，结果证２２
整三童些苎塑些茎堡些三墼
明，曲轴渗氮质量全部达到图纸及国家技术标准要求，为进一步验证曲轴渗氮效果，我们对离子氮碳共渗曲轴在ＤＣ－１型电动谐振式曲轴疲劳试验机上进行试验，测得安全系数为２．５以上。较以前提高８３．４％。渗氮曲轴装机１０００小时全速全负荷可靠性试验、５００小时超供油试验等均合格通过，并解剖曲轴发现轴颈表面几乎无磨损。
６ｔ０５型柴油机离予氦碳共渗曲轴工艺从１９９３年下半年开始研究，历时两年半，共进行４９炉、１５中方案的试验，最终取得成功。为朝柴１０５及１０２增压系列发动机提供可靠的保障。同时６１０５型柴油机离子氮碳共渗曲轴工艺，曲轴材质为合金钢，国产毛坯，冷热加工所用设备及工艺材料也全部为国产，这在国内是首家，填补了国内曲轴加工工艺的一项空白。在以后的几年中先后应用了６１０２ＢＺ、４１０２ＢＺ、４１０２ＢＺＬ等型柴油机上。
３．４曲轴的圆角滚压
曲轴圆角滚压其实质是在机械力的作用下，使其金属表面冷作硬化，从而产生残余压应力的一种预应力强化方法。材料的疲劳破坏，通常是由于在拉应力的反复作用下，在表面产生疲劳裂纹，而后右在这一拉应力的反复作用下，裂纹逐渐发展，以致最后呈脆性断裂。在材质表面产生一个预压应力后，反复作用的拉应力会受到部分抵消，从而使材料的疲劳强度得到了疲劳裂纹，由于预压应力的存在，也会使裂纹的发展得到减缓，这从曲轴的疲劳试验中也早己得到了证实。
曲轴圆角滚压强化的方法具有工艺简单，工艺周期短及经济等特点，并适用于各种金属材料。滚压后其表面光洁无裂痕，且其疲劳强度的提高比较明显。因此，目前在国内外获得越来越广泛的应用。下面以北京内燃机总厂对４１００型曲轴采用圆角滚压工艺取得的明显效果作以叙述。
３．４．１圆角滚压装景：
由以下三部分组成
①滚压头：上下滚压头对分。对滚压加力系统，采用“剪刀式”的杠杆系统联结，上压头有两个滚轮，下滚压头装有两个支承滚柱。而对弹簧加力系统，上、下滚压头则是通过销子来联接的。
②滚轮形式：采用等圆弧、变弧长式的滚轮。这种滚轮允许被强化的圆弧尺寸有一定的偏差。滚压时滚轮侧锥面与轴颈圆柱面相切可防止起棱。另外，就是这种结构的滚轮弧长在２５—１００％范围内变化向产生侧面推搓和载荷脉动。从而增强了强化效２３
墨三兰些塑塑丛壁塑些王壁
果，制造也比较方便。其结构如下图。其滚轮圆弧宽度在２４０度范围内有２５一ｌｏｏ％变化。滚轮材料为ＧＣｒｌ５，淬火硬度为豫ｃ６０＿６５。
③加载方式：采用如下加载规律。
４０
３０
２０
１０
转
３０－３５
图３－２加载方式
３．４．２实验参数
１、曲轴的材料及性能
表３—１曲轴材料及性能
Ｒｅ残
ｏ．０５７７＼Ａ
ＢＳｉ‰０．５ＰＳＣｕＭｏＭｇ残０．０６１球化等级１Ｂ球径０．０４—０．０６２．３３ｏ．０５８０．０２１０．４３Ｏ．１８２．５５Ｏ．５０．０５００．０２０．４２０．１６０．０４０．０５９１Ａ０．０４—０．０６＼
Ａ
Ｂ表３－２球铁的机械性能ｏ。（ｋｇ／埘舻）７６６ｏ。（ｋｇ／ｃｍ２）ＨＢ８％７％５．２ｌ７６２６５２４１７８
钢曲轴为优质４５号钢，锻造毛坯２、曲轴有关尺寸
第三章貔辅戆建静强捷警致
表３－３曲轴尺寸
连杆轴颈由６５１３０（球铁轴）！
戆辆臀宽度
主轴颈垂７５１１０（段钢轴）ｊ圆角Ｉ（４２６．５（第ｌ、８曲臂）Ｉ
｝趋糖鹫厚度｛ｌ辘颈重叠凌１０
｝２３．５（其他精臂）｜Ｉ
３、圆建滚送鹾力
用压缩弹簧来拥力的滚压装置：主蘩用于球铁辘。连秆轴颈１００公斤，２００公斤、４００公斤；主轴颈２００公斤
耀渡珏系绕：主要雳予辅麴，连抒麓联４０ｋｇ／ｃｍｚ；
主辅颈３００ｋｇ／ｃｍ２
４、机康及槐床转速：Ｃ６３０车庆，转遗２８转／分，４８转／分
５、润滑油：１０号机油
３．４。３滚送试验结果
ｌ、两种不同材质的曲轴经过两种滚聪工具滚压厝，均获得了较好的滚压效果。躁角表瑟趱糙发达劐ＲａＯ。４激上。
２、滚压强化层的深度。通过对４００公斤滚压力作用下的球铁黼轴进行解剖，测其嘲角区域的照微硬度（结果如图３—３）。凼测量结果看出，其滚压层的深度约在１．６—２爨涨以内。
３、圆角滚鹾后其残余殿力的测量。曲轴匿角在游行滚压强化磷，其表面产嫩残余威力。通过对４００公斤滚服力的滚压的球铁曲轴用Ｘ射线应力测纛仪进行测量，残余疲力为１０－２０ｋｇ／ｍｍ。。
４、圆角滚隧强化后的燹形问题。在球铁曲轴迸舒泼筮强化后，虽然滚压压力不同，但其主轴娥、连杆颈的轴颈尺寸、椭阙度及曲拐＿爽角１８００等的变化十分微小，兄警溺量不氆寒。嚣其变形主要表瑗在烹辍径雾§动憨交纯是蘧罄滚箧力翡增大露增大，样见表３－４
第三章昭轴的几种强化手段
５００ｆ
４００＼．’’～
３∞｝
；
２３
图３－３圆角区域的最微硬度
＼表３－４滚垂嶷形数掇
１００２００３００
＇
２Ｏ。０３Ｏ。０６Ｏ。２６３０．０２５０．１５Ｏ．３８４Ｏ．０２０．１００．２４在滚压过程中，曲轴的弯曲变形比较有规律，如图３－４所示圈（ａ）未滚聪对
第三章曲轴的几种强化手段
小头支点
大头支点
节二二苫一二二斤
ｆ
图（ｂ）主轴颈滚压后
Ｉ
４、疲劳试验结果。４１００型柴油机曲轴采用圆角滚压强化后，其疲劳强度有显著的提高。球墨铸铁曲轴在滚压强化后，其疲劳强度提高了４４％，４５号锻钢曲轴经过４０公斤／厘米２滚压力后，其疲劳强度提高２０％，尤其球铁轴提高的更明显。
５、圆角滚压工艺的几点注意事项
①滚轮圆弧应与曲轴圆角尺寸尽可能一致为好。圆角过大或过小均会造成滚压后出现起毛、起棱等现象。为此，一定应控制曲轴圆角的加工尺寸，最好采用沉割槽形式，用数控车床成形车刀，圆角比较稳定，容易控制。
②滚压开始前应很好地调整滚轮的位置（即滚轮的
撑开角），以实现切线滚压，否则会起棱，从而达不到强化效果，反而会带来损失，起棱处会形成应力集中，产生疲劳源。
③滚压时润滑业的选用稀一些为好，同时应该加强润滑，这样滚压后表面粗糙度会更好。
通过以上４１００型柴油机曲轴圆角滚压试验来看，该工艺还有两个问题需要加以研究解决。
一个是滚压时圆角尺寸与滚轮圆弧尺寸尽可能一致。通常曲轴圆角都是通过磨
兰三兰些塑塑！！登塑±兰王壁
削得到，由于普通砂轮磨损等原因，圆角尺寸会不稳定（立方氮化硼砂轮由于其硬度高耐磨，圆角尺寸较稳定），这就需要对砂轮勤于修整，最好用数控磨床，带自动修整功能。而普通手动磨床，如ＭＱ８２４０、ＭＱ８２６０等，手工修整砂轮是难以保证圆角尺寸一致的。因此，目前国内外许多发动机曲轴采用滚压强化工艺的，一般设计成带沉割槽形式，这样一来使轴颈有效宽度增大的同时，又可以将曲轴圆交涉机尽可能大，降低应力集中。沉割槽时通过车加工得到，一般用数控机床，成型车刀完成，圆角尺寸相对一致性较好，为圆角滚压创造较好的条件。机床一般采用数控车床、数控拉一
车或车一车拉。
圆角滚压另一个问题也是比较难以解决的问题是滚压后主轴颈跳动变化较大。
如前面统计数据，中间主轴颈跳动值达到０．３８ｍ，这对任何曲轴都是难以接受的，虽然各发动机对曲轴的跳动要求不尽相同，有的要求在０．１５ｍ以内，有的要求在０．０４ｍｍ
以内，但目前车用柴油机曲轴主轴颈跳动还没有超过０．２ｍｍ的，若采用普通的校直方法，用压力机压，圆角则会重新受到拉应力，从而抵消掉滚压后的预压应力，使圆角滚压失去意义。因此，普通圆角滚压工艺应用具有一定的局限性，如果其主轴跳动要
求不大（０．１５啪以内）还是可以应用的。若主轴跳动要求较严，就绪压阿奥采用相应的
技术和设备，滚压和校直同时完成，避免滚压后的弯曲变形，但还需要进口工艺设备，投资较大。
朝柴公司先后与二汽研究所进行曲轴圆角滚压强化试验，材料为４２ＣｒＭｏ，有朝柴提供半成品曲轴，
二汽技术研究所制作工艺装备兵进行滚压，虽然滚压后疲劳强度有所
提高，但是还是有以上两个问题没能避免，主轴颈跳动在０．１ｍ以内（要求在０．０４ｍｍ
以内），另外就是滚压后轴颈表面起棱，手触摸能明显感觉到，这就是滚轮圆弧与曲轴圆角尺寸不一致所造成的，虽然经过几轮改进，最终也未能得到解决。
３．５
曲轴圆角滚压强化后的疲劳试验结果４１００曲轴在不滚压强化时的疲劳试验结果
３．５．１
①球铁曲轴
第三章曲轴的几种强化手段
表３－５球铁曲轴疲劳试验结果
开始出现裂纹
试件
拐号
芎
Ｉ
试验弯矩
（ｋｇ・ｃｍ）
曲臂名义应力
的循环次数
（ｋｇ／ｒａｍ２）
疲劳源位置
（次）
＞５ｘ１０６１．０３ｘ１０６＞５ｘ１０５＞５ｘ１０６
Ｏ．５ｌｘｌ０６
１０５００１２０００１０５００１１５００１１５００
７．４５８．５２
ＩＩ
Ａ
４Ｒ凸台边沿空
心处
ⅡＩ
７．４５８．１７８．１７８．５２
Ⅳ
Ｉ
Ｂ
４Ｒ凸台边沿空
心处（同上）
Ⅱ
１２００００．８８４ｘ１０６
②钢轴
表３－５
试件
拐号
号
（ｋｇ・ｃｍ）
钢轴疲劳试验结果
试验弯矩
开始出现裂纹
曲臂名义应力
（ｋｇ／啪Ｚ）
１２．３５２
的循环次数
（次）
＞５ｘ１０６＞５ｘ１０６４．９７３ｘ１０６１．５５ｘ１０６＞５ｘ１０６２．３９ｘ１０６＞５ｘ１０６３．３９ｘ１０５
疲劳源位置
Ｉ
１２５００
Ⅱ
Ａ
１２５００１２５００
１３０００１３５００１２５００１２５００１５０００
１２．３５２１２．３５２１２．８６１３．３６１２．３５２
１２．３５２１４．８３
４Ｒ处
７Ｒ处
ｍ
Ⅳ
Ｉ
Ⅱ
Ｂ
３Ｒ处
Ⅲ
Ｉｖ
７Ｒ处
注①循环基数选为５ｘ１０６。疲劳试验时，超过此数即为通过。
②主轴颈圆角都经过敲击强化。
③曲臂名义应力＝试验弯矩／ｗ。Ｗ为抗弯曲截面系数。
对球铁曲轴Ｗ＝１４．ＯＢｃｍ３。钢轴的第一、八臂Ｗ＝１１．９２ｃｍ３，其它臂Ｗ＝ＩＯ．１２ｃｍ３。
３．５．２
轴颈圆角滚压强化后的疲劳试验结果
１、球铁曲轴
表３－６球铁曲轴在滚压力为ｌＯＯｋｇ时数据
开始出现裂纹
试件
试验弯矩
曲臂名义应力
拐号
的循环次数
疲劳源位置
号
（ｋｇ・ｃｍ）
（ｋｇ／ｎｕｎ２）
（次）
Ｉ
１３５００
９．５９０．９４５ｘ１０８
Ａ
２Ｒ处
ＩＩ
１２５００
８．８７
＞５ｘ１０６
表３－７球铁曲轴在滚压力为２００ｋｇ，精磨０．３０
叫时数据
开始出现裂纹
试件
试验弯矩
曲臂名义应力
拐号
的循环次数
疲劳源位置
号
（ｋｇ・ｃｍ）
（ｋｇ／ｍｍ２）
（次）
Ｉ
１２５００８．８７＞５ｘ１０６
３Ｒ处
Ａ
ＩＩ
１３０００
９．２３２．２８ｘ１０５
６Ｒ处
ｌＪＩ
１３５００
９．５９
０４１５ｘ１０６
表３－８球铁曲轴在滚压力为４００ｋｇ，精磨０．３０ｒｍｎ时数据
试件
试验弯矩
曲臂名义应力
开始出现裂纹
号
拐号
的循环次数
疲劳源位置
（ｋｇ・ｃｍ）
（ｋｇ／皿ｎ２）
（次）
Ｉ
１５０００
１０．１１．３１ｘ１０６ＩＩ
１４０００
９．９５
）５ｘ１０６
Ａ
Ⅲ
铸造缺陷
１３０００９．２３＞５ｘ１０６
Ⅳ
１５０００ｌＯ．１
＞５ｘｌ矿
Ｉ
１５０００
ｌＯ．１
）５ｘ１０６圆角处
Ｂ
ＩＩＩ
１４０００
９．９５
２．６１４ｘ１０６Ⅳ
）５ｘ１０６’严重疏松
１６０００１１．３６
Ｉ
１６５００
１１．７２＞５ｘ１０６Ｃ
ＩＩ
１６０００１１．３６）５ｘ１０６Ｉ
１６０００１１．３６）５ｘ１０５Ｄ
ＩＩ
１５０００ｌＯ．１＞５ｘ１０６ｍ
１７０００
１２．１
＞５ｘ１０６
第三章曲轴的几种强化手段
２、钢轴
表３＿９滚压力连杆轴颈为４０ｋｇ／ｍ２，主轴颈为４０ｋｇ／ｍｍ２
开始出现裂纹
试件
县
试验弯矩
拐号
（ｋｇ・ｃｍ）
曲臂名义应力
的循环次数
（ｋｇ／ｉｍ２）
疲劳源位置
（次）
Ｉ
ｌ
１４５００１４５００
１４５００１５５００
１４．３８＞１０
７
ＩＩ
１４．３８１４．３８１５．３２１５．３２１４．３８２
１５．３２
＞１０。
６Ｒ处
ＩＩＩ
Ｉ
５．９６ｘｉ０６＞１０。３．３０ｘ１０８
ＩＩ
２
１５５００１４５００
１５５００
４Ｒ处
ⅡＩ
＞１０７
＞１０１
Ⅳ
ＩⅡ
３
１４５００
１５５００
１４．３２８
１５．３２１５．３２
＜１０７
＜１０７＜１０７＞１０７
丛处滚啼
３Ｒ处滚叼好
Ⅲ
Ⅳ
Ｉ
１５５００
碌处滚嘛
１５０００１５０００１５０００１５５００１３５００
１４．８２２１４．８２２１４．８２２
１５．３１６１３．３６
＞１０７
＞１０７＜１０７＞１０７
Ⅱ
４
Ⅲ
Ⅳ
注：钢曲轴疲劳试验的循环基数选为１０７。超过此数即为通过。
３．５．３
强度评价
ｌ、载荷估算（以第～曲拐为例）
根据示功图取４１００型柴油机爆发压力Ｐ２＝７８ｋｇ／ｃｍ２，则在图３－５中
Ｐ＝ｌ／４Ⅱｘ１０２ｘ７８
＝６１２６ｋｇ
而１毛＝３１２８．９ｋｇ
取主轴颈约束系数为０．７５，作用在曲柄臂上的弯矩为
Ｍ＝Ｏ．７５ｘ３１２８．９ｘ３．１２５
＝７３３３．４ｋｇ・ｃｍ
３１
墨三皇
些塾塑些翌塑些王垦
２、安全系数ｒｉ：
ｎ＝蛆Ｉ／Ｍ
４１００型球铁曲轴根据疲劳试验札。＝１１５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｒｌｌ＝１１５００／７３３３．４＝ｉ．５７
４１００型球铁曲轴滚压强化后，根据疲劳试验Ｍ－。＝１６５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｎ２＝１６５００／７３３３．４＝２．２５
４１００型钢轴根据疲劳试验Ｍ－。＝１２５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｎ。＝１２５００／７３３３．４＝１．７０
４１００型钢轴经滚压强化后根据疲劳试验Ｍ－。＝１０５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｎ产１５５００／７３３３．４＝２．０４
由上述简单计算可以看出：
第一球铁曲轴经滚压强化后其疲劳强度有显著的提高。ｍ，由１１５００ｋｇ・ｃｍ提
高到１６５００ｋｇ・ｃｍ，提高了４４％。
第二钢轴经滚压强化处理后其Ｍ＿。由１２５００ｋｇ・ｃｌｎ提高到１５０００ｋｇ・ｃｍ，提高
了２５％。
Ｄ
Ｒ
图３－５载荷计算示意图
３．６圆角淬火
曲轴圆角淬火工艺也是强化曲轴疲劳强度的有效手段之一。圆角淬火的基本原３２
理与表面淬火基本相同，旨在提高曲轴圆角部位的硬度，延缓出现疲劳裂纹的时间，从而提高曲轴的疲劳强度。而曲轴圆角的形状特殊性，尤其连杆轴颈的曲臂臂比较薄，
苎三童些塑塑些堂璺些兰垦
容易发生裂纹；另一个问题是弯曲变形较大，变形量较轴颈淬火更为严重，虽然变形弯曲可以通过后序磨削得以矫正，但也造成磨削后淬火硬度不一致，应力分布不均等问题，尤其是曲臂顶部淬裂问题，给朝柴与青海曲轴厂继续合作研究该项目带来障碍。
朝柴曲轴曲臂顶部很薄只有６ｍ，圆角淬火后几次出现裂纹报废，而由于结构所限，
又不能做太大改动，因此项目搁浅。当然，对于曲臂厚的曲轴，圆角淬火也不失为一种可取的强化措施。
３．７盐浴软氮化
盐浴软氮化是将曲轴放在５７０一５８０％的氰化物一氰酸物的熔盐中进行氧化处理
约９０分钟，然后淬入水中，再在热水槽中冲洗，干燥后进行抛光。软氮化后，由于氮的扩散作用，在曲轴表面形成一层氮化铁Ｆｅ３Ｎ和碳化铁Ｆｅ３Ｃ的化合物层，它具有
很高的硬度（ＨＲＣ６５－－７０）和耐磨性其厚度在０．０１３毫米左右；再往里是一层氮的扩
散区，厚度在０．８—１．０毫米。由于氮的渗入金属体积增大而产生残余压应力。这坚
实的表面薄膜和较厚的氮扩层加在一起，使曲轴具有很高的疲劳强度和耐磨性。
软氮化的曲轴不宣再做机械加工，否则疲劳强度又将降低，仅允许稍微抛光处理。因此，氮化之前曲轴必须加工至最后尺寸。然而与圆角滚压不同，软氮化后允许对曲轴变形作校直处理。软氮化不止适用于氮化钢，碳钢、合金钢和球墨铸铁等都可应用。可以使碳钢曲轴弯曲疲劳强度提高６０％一８０％，低碳合金钢曲轴提高２０％－－３０％，球墨铸铁曲轴提高５０％＿一７０％。
然而，尽管盐浴软氮化应用范围非常广，效果也很明显，但是该方法采用的介质是氰化物，产生的废液难以处理，因此，采用这种方法的企业并不多。
综上所述，虽然曲轴强化手段较多，每种方法又有其特殊性，但通过这几年从事曲轴加工工艺的实践来看，有以下两种意见：对于球墨铸铁曲轴，采用圆角滚压强化手段比较适宜，该强化工艺对于疲劳强度有比较明显的提高。另外球铁的疲劳源的扩展并不敏感，变形也比较小。但从发动机发展趋势来看，球铁轴一般用在功率相对较低的发动机上，如朝柴４１００柴油机、４１０２Ｑ、４１０２Ｂ柴油机上采用球铁轴是完全可以的，制造成本会降低。而对于钢轴（无论４５号钢还是４２ＣｒＭｏ或４０Ｃｒ等）丽言，整体氮化是比较可取的，不仅整体疲劳强度有较大提高，而且轴颈表面由于硬度有较大提高，导致磨损极小，曲轴的疲劳断裂和轴颈磨损的二种破坏形式丢得到有效的控制。虽然氮化强化工艺相对圆角滚压工艺来说，存在投入相对较高，强化周期较长等缺点，但对于发动机功率的不断提高，如朝柴机在４１０２Ｂ基础上又先后开发出４１０５、
３３
第三章曲轴的几种强化手段
４１０２ＢＺ、４１０２ＢＺＬＱ等机型，功率提高２０％－一４０％，用钢轴采用整体氮化工艺是十分必
要的，也是十分有效的。
第四章曲轴加工工艺
第四章般轴加工工艺
虽然曲轴设计和强化措施对于发动机性能和可靠性是极其重要的先决条件，而加工工艺先进性则是确保曲轴功能发挥、安全运转的有利保障。
４．１朝柴曲轴工艺介绍
朝柴共有二条生产线，第一条线是四、六缸曲轴混流生产线，是在九五期间引进俄罗斯、意大利等先进设备和一些新旧国产设备组成，其基本流程如下：
锻造毛坯（外协卜。平头打中心孑Ｌ＿—◆粗车中颈—嘲磨中颈（为后序做基准）＋
粗车其余主轴颈和大小头—＿．粗磨ｌ、５主轴颈—＿－铣定位面—◆粗车各连杆颈—◆内
铣全部连杆颈和２、３、４主轴颈——蝴磨各主轴颈—◆热时效—＋钻斜油孔—’半精
磨主轴颈一－精车大小头—呻钻大头端面螺孔—＋精磨连杆颈—斗动平衡、去重
精磨主轴颈—＋精磨小头—＋铣键槽—＋抛光—＿＇探伤—＋整体氮化—◆抛光。
该生产线在一九九五年引进了两台俄罗斯内铣机床加工曲轴的主轴颈和连杆颈，有效地控制了主轴颈和连杆颈的轴向尺寸误差在±ｏ．１ｍ以内，并使连杆颈的相位误差保证在±１５‘以内，而原来老式主轴颈及连杆颈车床采用排刀方式的多刀切削，
拉力较大，让刀现象严重，造成轴向尺寸和连杆颈相位偏差较大，并且弯曲变形严重。一般主轴颈跳差０．８衄左右，为后续加工造成许多麻烦。另外，该生产线还引进了３
台意大利萨普公司的数控磨床（一台连杆颈磨床、２台主轴颈磨床）和上海Ｌａｎｄｉｓ连杆颈磨床，都采用程序控制，单砂轮切削，线速度达到６０ｍ／ｓ，使磨后粗糙度达到ＲａＯ．８以内，采用马波斯主动测量仪，轴颈尺寸得到有效控制，尤其是轴颈圆角，由于砂轮每循环一次，自动修整，圆角尺寸较以前手动磨床的质量有了质的飞跃。此外，该生产线对轴承孔配备了数控车床，抛光工序引进了北京二机床的砂带抛光机等先进设备，应该说，这条生产线经过九五期间的改造后，曲轴加工工艺在当时国内企业处于领先地位，曲轴加工质量较咀前上了一个新台阶。
４．２存在的不足
虽然朝柴曲轴生产线经过九五改造后，曲轴工艺装备上了一个台阶，但是，相
对于国外技术比较还欠缺一个档次，尤其从近几年来发展来看，朝柴曲轴的生产还有
以下几点需要改进：
１、生产工序过多，生产效率比较低。曲轴生产线共４０多道工序，近５０台设备，
３Ｓ
第四章曲轴加工工艺
２班制，生产能力才有３００００件／年，主要有以下几个原因：
（１）毛坯余量过大。由于供货厂家工艺装备多为８吨到１０吨的汽锤锻造，单
边设计余量为４－５ｒａｍ，拔模角７度，加工错模、飞边等因素，最大局部加工余量达到ｔＯｔｍ，这就是在内铣各轴颈前又增加了几台轴颈车床的原因，而目前国内、国外许多
厂家的曲轴毛坯余量只有３响，拔模角做到卜３０，像东风汽车公司锻造厂、贵州锻造
厂都采用８０００吨以上压力机，都可以做到。如果采用这样余量小的毛坯，就可以省掉前面的轴颈车床，直接用内铣加工就可以。
（２）局部机床效率低。
①俄罗斯内铣机床双刀盘加工节拍只能达到１６分钟／件，该种加工方式就决定
了它的生产效率不能太高。若想提高生产节拍，只能多加机床，投入较多资金和厂房
面积，而先进的车一车拉机床采用高速切削，节拍可降低到３分钟以内。
②轴颈的磨床都是单砂轮，意大利萨普磨床的节拍也只能达到１０分钟／件（四
缸曲轴），切削速度６０ｍ／ｓ。要提高磨削效率，只能采用多砂轮或高切削速度，如ＣＢＮ砂轮速度可达到９０－－１２０ｍ／ｓ。
２、关键工序设备不够精。
首先，打中心孔还是老加工方式，钻几何中心孔给后序做动平衡去熏带来后患，造成去重量大，有的甚至要用铣床铣平衡快，造成外观质量差。而做动平衡和去重设备是两台各自独立的设备，需要反复做才能达到平衡要求，造成效率低且质量不易保证，当然，这也和毛坯不规矩有关。现在大部分厂家都采用打质量中心孔，动平衡、去重结合在一起数控完成，这是发展的需要。
３、生产线在线检测能力弱。
朝柴的曲轴生产线经过九五期间改造，虽然部分加工采用了较先进的设备，在很大程度上提高了加工质曩，但检测手段和装备还比较原始，大多是卡尺、千分尺，再就是人工打表检查如连杆颈相位、中心高、主轴颈跳动等，检测效率较低，而大部分是手动操作机床，操作和检测不能同时进行，尤其连杆颈相位中心距检测时间较长，因此曲轴生产线应该多配备卡板、卡规和综合测量仪（相位、摆差、中心距），这样既提高效率优势质量得到有效控制。
４．３先进的加工工艺介绍
曲轴作为内然机的熏要零部件，其加工又有其独特性，前后连贯性非常强。首先毛坯不好造成生产线比较长、生产效率低，又会影响动平衡质量，还会产生较大加
３６
第姬章曲轴加工工艺
工应力；而粗加工质量会影响后面的磨削的轴向尺寸、圆角质量和磨削效率，磨加工质量又影响到氮化效果和抛光质量，一环扣一环。目前理想的加工工序如下：
锻造毛坯（精锻件、余量小于３衄）—＋平头打质量中心孔—＋数控车床（加工下序基准）—◆铣定位面—＋内铣（车一拉更好）—＋各主轴颈、连杆颈—＋热时效苎竺塑－钻斜油孔—＿．半精磨主轴颈—＋数控车大、／１，头—＋钻大头螺孔（组合机）
——卜精磨主轴颈—＋精磨小头竺皇塑－
铣键槽—＋抛光—●氮化—＋抛光—◆综合检测、抽检、入库
该工艺流程工序简单，生产能力较高，年生产纲领可达５—８万件左右，基本采用数控机床，部分为进口的先进设备如车拉，多砂轮磨床等，投资较大，目前一汽大众、二汽柴发等曲轴生产多采用该工艺流程。如一汽大众采用的是自动线生产纲领在１５万件／年，也代表了当今国内外最先进的生产工艺，是现代曲轴生产的典范。
第五章结柬语
第五章结束语
通过以上各方面的研究表明，朝柴１０２系列柴油机曲轴的设计与工艺基本满足了目前发动机的要求，但也还有一定的不足之处，需要加以改进提高。
１、设计上，曲轴曲臂厚度应适当加厚，尤其对后置发动机应重新考虑其结构尺寸，以提高曲轴抗扭震能力；曲柄销长度加大，提高承载能力，减小磨损速度，提高曲轴寿命；
２、对于低功率柴油机，如４１００、４１０２Ｑ等型号采用合金钢材料有些保守，用球墨铸铁就可以。但这要综合考虑，铸铁轴与钢轴不能同线加工，建两条线会有设备开工不足。
３、对于采用圃角滚压还是整体氮化处理，应该视具体情况而定。目前来说，
整体氮化技术国内已经成熟，效果也较好；如果有条件采用国外的圆角滚压技术及设备，虽然短期投资较大，但长期看圆角滚压技术成本低、效率高，而且强化效果也很好。
４、机加工艺方面国内外基本相同，不同的是设备的选用，包括朝柴在内的大部分国内企业采用手动设备较多，精度差、效率低，对于曲轴圆角和轴颈等重要部位应选用先进的数控设备，以提高加工质量。
５、曲轴的设计与工艺是相辅相成、密不可分的，设计是为了满足发动机性能及安装的基本参数，而工艺则是为了达到设计要求而进行的具体生产知道，随着工艺手段和方法的不断改进和研究，也为曲轴设计的更经济实用提供改进意见，应该说，朝柴正是由于曲轴氮化工艺研究的成功，提高曲轴的强度和耐磨性，
才使增压机及增压中冷柴油机的研发得以顺利实现。
以上是本人近期进行研究和多年从事曲轴加工工作的一些结果和体会，有不当之处，请给予批评指正。
参考文献
参考文献
［１］《内燃机结构强度研究》内燃机结构强度研究机械工业出版社内燃机杂志编辑部编
［２］《车用内燃机构造》
［３］《内燃机学》
［４］《热处理指南》
［５］《机械工程材料》
［６］《内燃机学报》
［７］《柴油机设计与制造》
［８］《汽车制造业》
［９］《现代制造工程》
［１０］《机械制造技术》
［１１］《机械工程手册》
［１２］《机械制造工艺学》
［１３］《机械加工工艺手册》
［１４］《制造技术与机床》国防工业出版社魏春源等编著机械工业出版社周龙保等编著机械工业出版社日本热处理技术协会编著大连理工大学出版社王焕庭等编著中国内燃机学会《内燃机学报》编辑部《柴油机设计与制造》编辑部２００３年第一期２００２年第七期机械工业出版社１９９９朱正心等编著机械工业出版社出版机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编，１９８１北京理工大学出版社１９９０年王信义等编著北京出版社出版１９９０年李洪主编２００１年第一期
致谢
致谢
本人十分有幸进入天津大学动力工程硕士班进行学习。在将近三年的学习中，得到天大十几位老师的谆谆教导，使本人在内燃机、计算机和英语等十几门学科知识得到很大提高，尤其在撰写毕业论文的半年时间里，得到天大段家修教授、谢辉副教授和朝柴耿文浩总工程师的指导与帮助，使本人的毕业论文顺利完成，在此，向天大的各位教授和教师以及朝柴的耿总表示衷心的感谢。
张洪波２００３．７．２
4102系列柴油机曲轴设计与工艺分析
作者：
学位授予单位：
被引用次数：张洪波天津大学1次
1. 戴军.DAI Jun 大功率柴油机的曲轴设计[期刊论文]-科技信息2009(31)
2. 杨俊武.邱国平.张有 D4114系列柴油机曲轴设计及三维有限元分析[会议论文]-2002
3. 何仁财.邹文楠 曲轴设计中受力分析[会议论文]-2009
4. 汪云 基于PRO/E的发动机曲轴设计[期刊论文]-重型汽车2006(2)
5. 朱雄 现代CAE技术在柴油机曲轴设计中的应用研究[会议论文]-2007
1.谭昭怡.楚广 小型干冰造粒机传动系统的研究设计[期刊论文]-化工装备技术 2011(5)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y591833.aspx
天津大学
硕士学位论文
4102系列柴油机曲轴设计与工艺分析
姓名：张洪波
申请学位级别：硕士
专业：动力工程
指导教师：谢辉;耿文浩
20030701
中文摘要
４１０２系列柴油机曲轴设计与工艺分析
动力工程专业
研究生：张洪波指导老师：谢辉副教授耿文浩高级工程师
［摘要】曲轴是内燃机的主要零部件之一，负责将活塞往复运动转变为旋转
【关键词】运动，承受着复杂的交变应力，直接影响着内燃机的寿命，而设计先进性和合理的强化、加工手段是提高曲轴寿命、保证内燃机正常运转的重要保证。本文以ＣＹ４１０２型柴油机曲轴为例，通过对该曲轴设计尺寸与经验公式比较，分析其设计合理性；着重分析了目前常用的曲轴强化手段和朝柴的曲轴氮化工艺，通过对各种强化手段的比较，提出不同曲轴应采用不同的强化手段；并经过对朝柴现行曲轴加工工艺的介绍，与世界先进加工工艺作比较，对朝柴现行曲轴工艺提出改进方向。曲轴设计．７－艺强化氮化圆角滚压
英文摘要
Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｓｆｏｒｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ，ｗｈｉｃｈ
ｉｓｉｎｃｈａｒｇｅｏｆｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｐｉｓｔｏｎｂａｃｋａｎｄｆｏｎｌｌｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎｔｏｒｏｔａｔｉｎｇｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｕｎｄｅｒｇｏｅｓｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓ，ｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｓ，ｔｈｅ
ｍｅａＢ．ｓａｒｅａｄｖａｎｃｅｄｄｅｓｉｇｎ，ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ｌｉｆｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕａｒａｎｔｅｅｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓｅｒｖｉｃｅａｎｄｋｅｅｐｔｈｅｅｎｇｉｎｅｉｎｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｔａｋｅｓｔｈｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ．ｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｗｉｔｌｌｔｈｅｃｒａｎｋｓｈａｆｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｆｏｒｍｕｌａ，ｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅ
ＤｉｅｓｅｌｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅａｎｓｆｏｒｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓａｎｄＤｏｎｇｆｅｎｇＣｈａｏｙａｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ（ＤＣＤ）
ｃｒａｎｋｓｈａｆｔｎｉｔｒｉｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｄｓｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ
ｕｓｅｍｅａｌｌｓａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｇｉｖｅｎｔｈａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｃｒａｎｋｓｈａｆｔｓｓｈｏｕｌｄ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅａｎｓ．ＡｎｄｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＤＣＤ’Ｓｃｒａｎｋｓｈａｆｔ
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｇｉｖｅｎ，ｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｗｏｒｌｄｃｕｒｒｅｎｔａｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒＤＣＤ’ｓｃｒａｎｋｓｈａｆｔｃｕｒｒｅｎｔ
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茔或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：弓如荽、１当、签字日期：Ⅻｐ弓年８月ｚ日
学位论文版权使用授权书
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学位论文作者签名：弓冶Ｊ２．瞍导师签名：獬龆签字日期：≯帕｛年孑月≯日签字日期：朝炒｛年８月心日
第一章绪论
第一章绪论
现代汽车技术日新月异，尤其新材料新技术的不断开发利用，给汽车工业带来更多的选择。汽车自身功能越来越多，这就要求发动机再尽可能小的前提下，提供最大的功率，以满足汽车的动力性需求。作为发动机五大件之一的曲轴，如何选择材料、结构设计紧凑和强化，来保证曲轴的正常运转，更显得尤为重要。本文针对朝柴４１０２系列柴油机的曲轴在结构设计、强化和机加工艺方面做了一些研究工作，就取得的结果，得出～定的结论和意见。
１．２世界机械工业发展趋势
以信息技术为代表的现代科学技术的发展对装备制造业提出了更高、更新的要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中不可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，机械工业将伴随高新技术和新兴产业的发展而共同进步，并充分体现先进制造技术向只能化、柔性化、网络化、精密化、绿色化合全球化方向发展的总趋势和时代特征。
ｌ、地位“基础化”
发达国家重视装备制造业的发展，不仅在于其在本国工业重出口、积累、就业、贡献均占前列，更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质基础，是经济高级化不可或缺的战略性产业。即使是迈进“信息化社会”的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。
２、产品高技术化
先进的装备制造业是高新技术的重要重要组成部分，是促进相关产业技术生机和发展的重要依托。进入９０年代，随着信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果的应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含量已经成为市场竞争取胜的关键。
３、服务个性化
为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要求，先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代化管理技术等信息，并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销
苎二兰些丝
售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。
４、经营规模化
一方面规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强，例如在汽车产业领域，目前年产超过４００万辆的企业集团已经有６家，产量占世界汽车产量的８０％以上；在电力设备领域，世界前三大公司控制了全球大型电力设备市场的７０％。另一方面，各大跨国公司在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，纷纷收缩战线，剥离非主营业务，以精干主业，提高系统成套能力和个性化、多样化市场适应能力。作为规模化生产的前提和条件，生产高水平的零部件和配套产品的“中场作业”快速发展，社会化生产服务体系不断完善，产业化的国际化步伐不断加快。
１．３汽车设计与制造业的技术发展过程
汽车工业已经成为当今世界中最重要的产业。如果没有汽车，我们现在的生活简直无法想象，无怪乎有人说：汽车是改变世界的机器。汽车工业的历史，是不断发展技术、扩大生产、推动社会前进的历史，同时又要克服其自身发展带来的环境污染，人身安全等问题。１９９７年１２月世界各国进一步提出排放的废气量要低予４９９０年的排除量的７—９％，这就要求积极推进提高发动机的燃烧率，减轻车身行驶时的阻力、减轻车身质量等技术的实用化。
汽车从诞生的那天起，就给人类带来无数不幸。全世界平均每天有千余人丧于车祸，每年死于交通事故的人数达到几十万，受伤人数为百余万。交通安全是一个重要课题，而汽车本身性能是一个重要因素。因此，进入２ｌ世纪，世界各国都把汽车的安全性，特别是被动安全问题作为汽车工业发展的另一个重要目标。
计算机在汽车上的应用，带来了汽车设计与制造的新理念。传统的汽车是从纸上的构思、设计开始，通过模型定型，测取数据来加工零部件。在总装线上形成汽车。现代汽车工业则完全不同，它要求在新型汽车设计的第一个环节，所有环节的人都要参加，用集体的思维和数据来构造汽车。通过计算机辅助设计技术，设计出完全满足市场需求、符合国家安全法规的约定、造型优美、生产、服务成本均低廉的汽车。通过计算机网络来协调所有环节的步调，以保证汽车的生产秩序，同时也构成企业的依据。在汽车设计开发中，完全数字化、信息化并贯穿生产、管理、服务的科学化的全过程。２
第一章绪论
每个零部件的生产依据是计算机网络传送来的数字化零部件，如：数字化发动机、数字化底盘、数字化车身等。
１．４内燃机制造技术
内燃机的发展水平取决于其零部件的发展水平，而内燃机零部件的发展水平，
是由生产制造技术等因素来决定的。也就是说，内燃机零部件的制造技术水平，对主机的性能、寿命及可靠性有决定性的影响。同样，制造技术与设备的关系也是密不可分的，每当新一代设备或工艺材料研制成功，都会给制造技术的革新带来突破性的进展，进入新世纪后，科学技术的发展会异常迅猛，新设备的研制周期将越来越短，因此，新世纪内燃机制造技术必将形成迅速发展的局面。
由于铸造技术水平的提高，气冲造型、静压造型、树脂自硬砂造型制芯、消失模铸造，使内燃机铸造的主要零部件如集体、缸盖可以制成形状复杂曲面及箱型结构的薄壁铸件。这不仅在很大程度上提高了机体刚度，降低了噪声辐射，而且是内燃机达到轻量化，由于象喷涂、重熔、烧结、对韩、电化学加工、激光加工等局部表面强化技术的进步，使材料功能得到完善的发挥；由于设备水平提高，加工制造技术向高精度、高效率、自动化方向发展，带动了内燃机零部件生产向高集中化程度发展，另一方面，柔性制造技术的推广，使内燃机产品更新换代具有更大的灵活性和适应性，多品种小批量生产的柔性制造系统引起了内燃机制造商们的广泛认同，也顺应了生产技术发展及市场形势的变化。电子技术及计算机在设计、制造、试验、检测、工艺过程控制上的应用，推动了行业的技术进步，提高了内燃机的产品质量，新材料的发展也推动了内燃机零部件生产工艺的变革，特别是工程塑料、陶瓷材料及复合材料在内燃机上的运用，有力地促进了内燃机制造技术的发展。随着内燃机电控技术的发展，电控系统三大组成部分（传感器、执行器、控制单元）将成为内燃机零部件行业的重要分支，同时向传统的内燃机制造业提出了新的课题。
科学技术的进步为内燃机发展不断注入新的活力，由此可以推断：２ｌ世纪，内燃机制造技术将向高进度、多元化方面飞速发展，它的发展速度和方向不仅关系到内燃机的质量，还直接对内燃机的未来产生重大影响，就其产品技术进步快慢而言，汽车内燃机发展最快，其次是机车、船舶、发电机组、工程机械、农业机械等。
综上所述：新世纪的内燃机将面临来自各方面的挑战，它将义无反顾地朝着节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高可靠性、降低排放和噪声、减轻质量、１
苎＝童篁笙
缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向迅猛发展。在２１世纪，天然气、醇类、植物油及氢等代用燃料将为内燃机增添新的活力，而内燃机电子控制技术在提高品质的同时也延长了内燃机行业“生命”，新材料、新工艺的技术革命，为２ｌ世纪内燃机的发展产生了新的推动力，２１世纪的内燃机，将在造福人类的同时不断弥补自身缺陷，以尽可能完美的形象为人类做出新的贡献。
１．５论文背景及主要工作
曲轴作为内燃机的一个重要零部件，国内、外对其研究开发都很重视。欧美汽车工业发达的国家，经过多年的积累，对曲轴的结构已经有了可套用的经验公式，一般经过计算机三维设计，，再通过计算机模型模拟测试系统对曲轴的各项强度指标进行分析，使曲轴在初期达到完美的设计。而国内在设计分析手段上比较落后，只能后期通过实验和测试来加以修正。在加工工艺方面，国内、外基本相同，不同的是采用的设备，国外大多采用了先进的数控设备为主，而国内大多以手动设备为主，精度差，效率较低。
作为发动机五大件之一的曲轴，如何选择材料、结构设计紧凑和强化，来保证曲轴的正常运转，更显得尤为重要。本课题主要通过４１０２系列柴油机曲轴的设计与工艺的研究，找出其结构缺陷和加工工艺的不足之处，提出改进意见，并通过几种强化手段的对比分析，找出适合不同曲轴的强化手段。
本人多年从事曲轴加工工作，参加了曲轴氮化工艺的研究和圆角滚压技术试验工作，对内燃机理论和实践有了提高和认识，借助朝柴实验室和力学试验的测试设备以及天大指导教师的指导，完成课题并取得成果。４
第二章曲轴设计与强度分析
第二章曲轴设计与强度分析
曲轴是柴油机中价格最贵的重要零件。其成本大致占整机成本的ｉ／ｌｏ。曲轴承受着由缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力引起的周期性变化的弯曲和扭转负荷。一般情况下，曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳。归纳起来对曲轴设计要求有以下几个方面曲轴的设计要求：
１、足够的疲劳强度，设计时特别要设法缓和应力集中现象，尽可能加强弯曲疲劳强度较弱的曲臂部分，选用适当材料或采用必要的强化工艺措施。
２、尽可能大的弯曲刚度和扭转刚度，以保证活塞连杆组和个轴承的可靠工作，避免产生严重的扭振、纵振和横振。为了提高弯曲刚度，最好是增加轴颈的直径，尽量争取较大的轴颈重叠度和减小跨度。为了提高扭转刚度，也需加粗轴颈和减小曲轴的总长。但是由于曲柄销直径的加大不仅受到活塞拆装的限制，而且会因转动惯量的增加导致扭振固有频率降低，对扭振不利，因此应该主要加粗主轴颈，并尽量将曲柄销作成空心的。同样的道理，应尽量减小平衡块的重量和消除曲柄臂的肩部。
３、应保证主轴承和曲柄销轴承有足够的承压面积和可靠的润滑，轴颈具有良好的耐磨性。为此要在曲轴及轴承材料的选择、制造工艺、降低轴承负荷及合理设计润滑油道等方面给与保证。
４、尽可能采用普通材料，如碳素钢或球墨铸铁，以降低制造成本，采用高合金钢材料，对应力集中比较敏感，表面粗糙度要好，否则疲劳强度会下降，过渡区应应力不能集中。
上述这些要求之间是存在矛盾的。保证曲轴有足够的疲劳强度是曲轴设计的首要问题。曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑条件的要求。另一方面，曲轴轴颈直径增加会使摩擦损失增加。以下根据曲轴设计要求和经验公式对４１０２Ｂ曲轴部分参数进行校验对比。
２．１４１０２Ｂ曲轴设计参数与经验公式比较
４１０２系列柴油机包括：４１０２Ｂ、４１０２ＢＺ、４１０２ＢＺＬ三大类，功率覆盖（６０ＫＷ－－１０３ＫＷ）范围，转数（２８００ｒ／ｍｉｎ），为中巴、轻卡、２吨叉车等车型配套，是国内类似车型的首选配套主机，是朝柴自行开发设计的高索直喷柴油机，曾获省优、部优产品荣誉称号，开发于２０世纪８０年代，成长于９０年代中期，是目前国内同类机型的首选动力，在其５
量三兰些塑垦盐兰璺壅坌堑
成长发展的十多年历史中，其重要的零部件之一的曲轴，从设计到加工工艺也不断改进创新，尤其强化工艺，由当初的表面淬火，圆角喷丸，发展为现在的整体氮化，不断适应柴油机变化，对提高柴油机寿命和可靠性，提供可靠的保证。
ＣＹ４１０２Ｂ系列柴油机体积小，重量轻，功率大是其重要特点，曲轴基本参数如表２－１所示：
表２—１曲轴基本参数
曲柄销直径ｄ。
主轴颈直径也
曲臂厚度ｈ
曲拐半径Ｒ由６４由８０２３曲臂最大厚度平衡块半径岛曲柄销长度Ｌ，主轴颈长度ｋ１３０９８３８５９３４
２．１．１曲柄销直径ｄ，
（１）ｄ，越大，可承受扭矩大，发动机功率越大。
（２）但ｄ。增大，则会导致拆卸困难。
（３）ｄｌ增大，则曲轴转动惯量越大，易产生共振。
（４）ｄｌ增大，若曲臂薄，则易产生应力集中。
（５）ｄｌ增大，圆周速度增加，连杆瓦易磨损烧伤。
基于以上原因，高速柴油机的经验数据ｄｌ／Ｄ＝０．６’０．７５，对于４１０４柴油机ｄｌ／Ｄ＝６４／１０２４０．６２７，在经验公式范围内，但偏低。承载
能力Ｌ
２．１．２曲柄销长度Ｌ。
（１）比压要满足ｐ－－ｐ：９－ＩＤ２／４ｄ，Ｌ。
（２）Ｌ，／ｄｌ要适当，从理论上Ｌ。／ｄ。＝ｏ．３时，承载能
力最大，但实际中考虑设计紧凑性和其他
相关零部件要求，一般Ｌ，／ｄ，应在０．５’０．７５范围内，ＣＹ４１０２．ｆ‘＼‘Ｉ．
０１、’一柴油机曲轴Ｌ。／ｄ。＝ｏ．５９（如图２－１所示）。
２．１．３主轴颈直径ｄ：０．２０３０４０．５０．６图２．１Ｌ１／ｄ从理论上讲，主轴径承受力要比曲柄销小一半，但为了提高整根曲轴的刚度，一般设计要ｄ：＞ｄｔ，ｄ２／Ｄ：Ｏ．６’ｏ．８，ＣＹ４１０２柴油机ｄ２／Ｄ＝８０／１０２＝０．７８。在经验公式范围内偏
第二章曲轴设计与强度分析
高，主轴径直径偏大。
２．１．４主轴颈宽度Ｌ。
一般经验数值ＬＪＤ＝Ｏ．４、０．５５，通常为提高曲轴整体刚性，中间主轴颈比其余的宽一些，ＣＹ４１０２Ｂ曲轴ｋ／Ｄ＝３４／１０２＝Ｏ．３３，低于正常值，但因生轴颈承受载荷比曲轴柄低一半，相对比压要低得多，一般不会有太大影响。
２．１．５曲柄臂的宽度（ｂ）和厚度（ｈ）
由曲柄臂受力６“＝６Ｍ／ｂｈ２来分析，曲柄臂厚ｈ尽可
能大一些，以降低６ｍ，一般经验ｈ／Ｄ＝Ｏ．２４￣ｏ．３３，而
宽度ｂ相对影响小一些，但也适当大些，以降低６。。
ＣＹ４１０２Ｂ型柴油机ｈ／Ｄ＝２３／１０２＝ｏ．２３，低于正常值，导
致承受力不足，从目前柴油机断轴故障来看，也符合
该规律，只能采用高合金钢来提高曲轴的曲臂强度。
从以上对曲轴基本参数分析对比可以看出，
ＣＹ４１０２Ｂ柴油机设计比较紧凑（缸心距１１８ｍ），致使
图２．２
曲轴的设计参数基本达到极限或低于正常经验值，如
曲柄销直径、主轴颈宽度及曲臂的厚度［为了弥补由于这些参数造成的曲轴强度不足，而选用了合金钢材料和氮化工艺来提高曲轴的整体强度，从而保证了曲轴的正常运转。］这也正体现了ＣＹ４１０２Ｂ柴油机体积小，功率大，结构紧凑的这一特点。尤其是曲臂厚２３，低于正常值，承载能力略显不足［若能做到２５，则其承载能力可提高１８％，从现有基础看应该是可以做到的，可以将主轴颈宽减小２ｍ，做到３２，比压升高并不明显，应该在承受范Ｉ重Ｉ之内］，并且弯曲、变形造成跳动超差，给加工工艺带来困难。
２．２曲轴结构强度的电测试验
我们在开展电测曲轴应力的过程中，同时采用了静动应力测量。通过静态曲轴应力模拟试验可较全面地研究曲轴应力的分布情况以及各种因素对曲轴强度的影响，同时也为动态应力测量提供了必要的条件。
２．２．Ｉ曲轴的静态应力模拟试验７
第二罩曲轴设计与强度分析
为了实现不同的目的，静态应力模拟试验可以有不同的模拟加载方式。我们大
致采用三种模拟加载方式，这也是利用电测法的特点。
（１）材料拉、压试验机上进行简支的加载方式
此加载方式对于定性地了解曲轴应力的特征，各参数对曲轴应力分布和圆角应
力集中的影响是非常可取的，它将现象简化和抽象了，便于方案的选取和规律性的探索。其加载示意图见图２—３。
（２）发动机上静态模拟加载
实际上曲轴所受的弯曲载荷图２－３简支加载示意图余了静不定粱的特征外，在每一主轴颈上承受复杂的弯矩力系，再考虑缸间的影响（此影响往往是不可忽略的，例如在加载相邻缸的曲柄，即使未见其他外力，由于加载缸加载的影响，产生的应力为加载缸曲柄应力的２５％），因此开展一定量的发动机上加载模拟试验往往是必要的。
此时，所加的力应按发动机工作条件来换算，考虑到喷油提前角，曲轴的最大加力应是最大爆发压力减去此时的活塞连杆组是惯性力。丽在三角形弯矩加载模拟中只要有相当量级的力矩就可以了，因为在一定范围内其受力与加力是成线性关系的。这从后面的试验结果中就可见。
加载方式可用机械或油压（高压泵之类）等方式。（３）机械谐振式弯曲疲劳试验机上的加载
墨三量些塑堡茎兰塑蹩坌堑一
为了寇缝遣了褥益辘敷力静特征，建纛起菡角楚与疲劳稷限桶关系，我｛ｆｊ曾在我所曲轴弯曲疲劳试验机进行过应力测量，其工作原理及详细试验结果请参考［５］、［９］。此时曲轴受力如图２－４。
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ｔ｝（－９．舰
＋１珍）图２－４弯曲疲劳试验机上加载看专懑图为了试骏蛇方便，静档燃一蜞§熊迅崩。ｖ‘舣承，位辨搿，１＃ｐ性毪绺斌、汽浊溥洗（凝加工晒轴可省掉此道工序），并用“００”号砂纸打光厢，再用丙酮等清洗剂消洗，即可开始贴片。５０２胶本霹常漫鑫然霾鼹。静态试验中对应变片的要求主甏是标题，因为我们最关心的部位是曲轴上的最大应力楚，一般是捂连籽辘臻鬻建赴懿淹力，魏筵庭力瓣度缀大，在９０。的圆弧内，其应力的峰值是该处平均值的１．２倍以上。应变片的标距愈大则引入的误差也愈大，簸好是ｌｘｌ勰或爨小静敷交片，限于条彳牛此次静态试验都用２ｘ３ｍｍ标距的应变片。片予的中心所贴部位也很有关系，按［７］的光蛋试骏结果，片子中心线应位予圆弧的离曲柄臀６０。处。
２．２．２曲轴的动态虚力试验
戆辘蘩态痤力试骏～般蘩搔发动嫒实嚣滚行情掇下溅定蒸动态旋力。盘予趣赣簸９
第二毒蓝辘设计等强度分祈
于旋转和高于常温（大致８０－ｉＩＯ＇Ｃ之间）的条件运转，其受力为非对称的交变应力，这两个特点就要求我嬲一要解决倍墨（应交片感受的信号）的弓ｌ出方式，二要解决应交片豹激发补偿溺题。
旋转件应变信号的引出以前大都采用各种类型的引电器，最多的是水锻式和炭刷式引电器。臣前，尤其是对于柴油搬睦ｌｌｊ皱的转送，大都采鹰淡刷式弓ｌ电嚣。但是，照着近代科学技术的发袋，尤其是半鼯俸器｛牟和鬃藏电路的阏激，遥测技术已弓ｉ入封实验应力分析中来了，曲轴的应力测缀也早被采用过。我们目前使用的是刷式引电器，并准备耀邋溅技术应用予曲轴应力鲍动态实测。
盛爱片的温度补偿并不是困难酌离题，只要手头有适予黻轴材料并且怒小标距豹自补偿片。问题就可解决。我们前几次用的应变片限于条件只有３ｘ５的箔戏应变片，作为低予１００＂Ｃ的动态廒变测量是可以懿。但是妇予不是皇专｝髅冀，载无法嚣分交变应力静正、负值——也邵零线飘移。阏时，萁测量鹣绝对值也螫芍ｌ入误差。豳２－５是在烘箱中对两种片子性能的对比试验曲线，由图可知，适用于１００℃左右的温度自补偿片，在１００＂Ｃ农右对零飘极小，两３ｘ５的一般藩式片却蠢７００微交乏多数飘移。健是，我髑试验辩奁黯辆平衡块端颟贴了补偿泞，它与工僚片之间温度熬有限，所以，由温度引起的误差很小的。
在烘稽墨我们将鼹誊｝Ｉ片子蠖澄必ＩＯＯＸＰ，诧懿应变便宅簸母餐电位嚣将飘移
图２－５应变片温度试验曲线
金罄谲罄零，再嬲载试骏，这时自褂楼片所褥数德强予常温辩数值，丽３ｘ５箔式应变片却比常温时偏小１６％左右。为此，我们拟定了～个试验方案，在曲柄平衡块断部无应ｌｏ
蔓三童些塑堡笪兰堡墨坌堑
力区贴一补偿片，试验前应变仪调好零位，开车并加载使曲轴内部温度稳定后停车，在调一次零位。这样，我们发现在试验中其零飘就极小了。
所用应变片胶水很重要，动态测量时我们选用的是ＪＳＦ－Ｉ胶水做为粘结剂，其固化加热条件示于图２—６。
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鬟
时间（分）
图２－６ＪｓＦ一１胶固化加热示意曲线
应变片及其引线用环氧树脂固封，引线最后通过主轴颈加工孔引出机外，与引电器滑环接线柱焊牢且包扎好。图２—７为引线示意图。
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图２—７曲轴引线示意图
静态模拟试验一般可用带多点旋转箱的静态应变仪或动静应变仪，动态应变试验则“
图２－８曲轴动态应力试验装置原理方框
卜水利测功器４——＿稳压器卜ＤＳ６／Ｒｓ型动态应变仪６——ｓｃ一１０型紫外线记录仪７——ＦＹ６０型电源箱１——－９５系列柴油机２一ｓＲ一４型集流器
８＿—－ｓＢｌ４型示波器
ｚ－３４１００型柴油机曲轴疲劳强度的研究
该柴油机具有较先进的技术经济指标：平均有效压力ｐ。＝７．１６公斤／厘米ｚ；升功率Ｎｔ２１５・９Ｐ／Ｌ；单位马力重量Ｇｗ＝５．６Ｋｇ／ｐ。随着发动机强化程度的提高，重量的减轻，发动机零件的负荷将相应增加。为了保证４１００型柴油机有良好的可靠性和寿命，合理地设计发动机的主要受力零件——曲轴，使之具有足够的疲劳强度，便成为设计工作中的重要问题。
为了解决这个问题，多年来我们曾围绕几个方面，进行了一些试验和研究工作。以下介绍４１００型柴油机球墨铸铁曲轴的静态弯曲应力测定情况。
由于曲轴形状复杂及其断面沿轴线方向的急剧变化，引起了曲轴应力分布的极不均匀。为了掌握曲轴应力的分布规律，摸清曲轴各处应力的大小，我们对４１００型柴油机球墨铸铁曲轴进行了静态弯曲应力测量。曲轴的主要尺寸如下：
主轴颈直径７５ｒａｍ
连杆轴颈直径６５衄
过渡圆角半径４ｒｉｍ
曲轴颈重叠度ｌＯ岫
曲柄臂宽度１１５咖
曲柄臂厚度２３．５１１，
第二章曲轴设计与强度分析
使试验状态更加接近于发动机的实际工作情况，被测曲轴按发动机实际情况装于缸体上。曲轴所承受的载荷由油压机通过活塞连杆组传给曲轴。试验时各缸依次施加载荷为６２００公斤。试验采用规格为３ｘ４皿ｎ的纸基电阻丝应变片。应变片分布于曲轴连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处，且位于通过连杆轴颈中心线的平面内。从曲柄臂对称平面起每隔１０。贴１片（参见图２－９）。圆角的编号顺序从正时齿轮端开始至功率输出端分别为ｌＲ，２Ｒ，３Ｒ，４Ｒ，５Ｒ，６Ｒ，７Ｒ，８Ｒ。同时在各连杆轴颈中央截面贴片，其序号分别为：Ｉ中，ＩＩ中，Ⅲ中，Ⅳ中（参见图２一ｌＯ）。
４１００型柴油机球墨铸铁曲轴静态弯曲应力测量结果绘成曲线示于图２－１１中。从图中可以看出：
１）某一曲拐而言，连杆轴颈圆角处的弯曲应力均大于连杆轴颈中央截面的应
力。连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处最大弯曲应力均出现在曲柄臂对称平
面内。其数值为：
∥沁
（溯粼）≮幼
图２－９应变片在连杆颈圆角处的分布情况
第一曲拐：圆角ｌＲ处最大应力为１７．４ｋｇ／ｍ２；连杆轴颈中央截面Ｉ中最大应
力为５．４ｋｇ／ｍｍ２；圆角２Ｒ处最大应力为９．９６ｋｇ／Ⅱ衄２；即圆角１Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ｉ中处的３２３％，圆角２Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ｉ中处的１７８％。
第二章曲轴设计与强度分析
第二曲拐：圆角３Ｒ处最大应力为１０．７ｋｇ／ｍ２；连杆轴颈中央截面ＩＩ中最大应
力为５．２５ｋｇ／ｍｍ２；圆角４Ｒ处最大应力为９．７ｋｇ／ｍｍ２；即圆角３Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅱ中处的２０４％，圆角４Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面ＩＩ中处的１８５％。
第三益拐：圆角５Ｒ处最大应力为９．６ｋｇ／ｔｍ２；连杆轴颈中央截面ＩＩＩ中最大应力
为５．８ｋｇ／ｍｍ２；圆角６Ｒ处最大应力为ｌＯｋｇ／ｍｍ２；即圆角５Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅲ中处的１８５％，圆角６Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面ＩⅡ中处的１９３％。
第四曲拐：圆角７Ｒ处最大应力为１３ｋｇ／ｍｍ２；连杆轴颈中央截面Ⅳ中最大应力
为５．５８ｋｇ／ｍ２；圆角８Ｒ处最大应力为１４．１ｋｇ／ｍｍ２；即圆角７Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅳ中处的２３３％，圆角８Ｒ处最大应力为连杆轴颈中央截面Ⅳ中处的２５３％。
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蘑熟么勘么弧
惨烈偿烈
遵篓漠篓鎏鏊
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雾臆蔫雾臆熏雾蓑、外／
糙鞠缈巡醪篱隐心篱醪
１４
第二章曲轴设计与强度分析
雾雾、ｎ，饕、”／
腻熏巡梦烈臆巡梦酌
么弧陔勿
谬民琵覆
黛缓＝Ｓ。。一＝
图２．１０球墨铸铁曲轴应力分布
２）就整个曲轴而言，两端曲柄臂圆角处弯曲应力最大，分别为：ｌＲ处最大应
力为１７．４ｋｇＡｍ２；８Ｒ处最大应力为１４．４ｋｇ／ｍｍ＇。
３）某一曲拐受力时除该曲拐产生应力外，其它曲拐也产生应力；当用６２００ｋｇ的力作用于第二曲拐时，除第二曲拐连杆轴颈圆角处产生拉应力外，且在其它连杆轴颈圆角处产生拉应力，这种影响随着曲拐的远离而减小。其数值为：圆角５Ｒ处最大压应力为４．５６ｋｇ／ｍＺ；圆角６Ｒ处最大压应力为３．９９４．５６ｋｇ／ｍｍ２；圆角８Ｒ处最大压应力为０．７２４．５６ｋｇ／ｎｍｔ２。
４）主轴承瓦盖螺栓的扭紧力矩改变，影响曲轴应力的分布。当第二主轴承瓦
盖扭紧力矩为１５ｋｇ・Ｉｌｌ及８蚝ｍ时，第一曲拐应力变化如下：
１５岖・ｉｎ时，（ｏ一）ｌＲ＝１７．４ｋｇ／ｚｍ２；（０．。）２—９．９６ｋｇ／ｍｍ２；】５
第二章曲轴设计与强度分析
（０．。）Ｉ十＝６．４ｋｇ／ｍｍ２；
８蝇・ｍ时，（０。）”＝１７．００ｋｇ／ｎⅢｎ２；（０．。）２Ｒ＝１１．６０ｋｇ／珊ｎ２；
（０．。）Ｉ÷＝５．６７ｋｇ／ｎｍｎ２。
引起的变化分别为：增加５％；增加１７％；缩小２．５％。
通过本次试验可以清楚地看到曲轴受力时，其上面的应力分布是极其不均匀的。在曲柄臂与连杆轴颈过渡圆角处有严重的应力集中。圆角最大应力是轴颈中央截面应力的２－３．５倍。造成这种现象的原因是由于曲轴沿轴线截面的急剧变化和形状复杂所致。因此，曲轴结构设计是十分重要的。在可能的条件下，采用较大的轴颈重叠度和过渡圆角半径，采用轴颈的空心结构及卸载槽等结构来减少曲轴过渡圆角处的应力集中，从而达到提高曲轴疲劳强度的目的。
本次试验看到的另一现象是，曲轴两端曲柄臀和连杆轴颈过渡圆角处的最大应力分别是中间各曲柄臂相应处最大应力平均值的１．６６倍和ｌ＿３４倍。这种应力分布规律是和４１００型柴油机球铁曲轴的疲劳断裂情况相吻合的。造成这种现象是由于两端第一和第四曲拐受力时曲轴的中间曲拐产生连续变形，在中间主轴承产生相应的支反力，这个支反力的方向对中间曲柄臂起了一种卸载的作用。而两端曲柄臂处在曲轴最外端，无此种作用，因而应力最大。近年来，许多柴油机曲轴均采用不等厚曲柄臂（见表２—２），道理也就在于此。
表２－２
Ｐｅｒｋｉｎｓ－４．２３６ＴＡ
１Ｒｅｎａｕｌｔ一５９１２３．３
２２４１１５２７．５２４．５
２４．５
２８４１００２５．５２３．５２３．５２０．８６１６．８４１８．７７１９．７０
１９．６８
１８．７８
１８．９０曲２３柄臂厚度２２２２２１．５４５２３．５２３．５２８２４．５６７
８２２．３２１．２２３．５２３．５（哪）２４．５２７．５
１３６
１５２３．１６１２４６．３２３９０２５．５１３０１０曲柄臂宽（衄）轴颈重叠度（衄）
主轴颈和连杆颈圆角１２．５Ｒ３．６８－３．９４Ｒ２沉割Ｒ４＋１Ｒ４（姗）
注；①此表四种柴油机均为四冲程四缸机。Ｐｅｒｋｉｎｓ－４．２３６ＴＡ用于拖拉机。Ｒｅｎａｕｌｔ一５９１型用于发电机组。
②表中４１００型柴油机曲轴为改进结构后的尺寸。
（要）ＰｅｒＭｎｓ一４．２３６ＴＡ型及Ｒｅｎａｕｌｔ一５９１型曲轴尺寸是钡４绘该机１９６５年产品得到的。１６
第二章曲轴设计与强度分析
２．４从结构上提高曲轴疲劳强度的几种措旌
２．４．１采用空心轴颈，改善应力分布状况
通常连杆颈都是实心，应力分布如图（２－１２ａ）所示，局部应力偏高，不均匀，若采用中空形式，如图（２—１２ｂ）所示，应力分布比较均匀，可以减小比压，减少磨损，相应提高疲劳寿命。该结构铸铁曲轴实现相对容易一些，可在铸造时下芯宜接铸造成型；对锻钢曲轴则需要锻后加工成型。另外，通常空心孔中心向上偏离曲轴中心，会更加减小离心惯性力。
刃勿钐扮
《◇
２．４．２尽量提高重叠度（Ａ）蹩夕图２・１２应力分布状态比较
理想讲Ａ越大越好，可以提高曲轴整体强度，不易弯曲变形。一方面可以通过加
大主轴颈和曲柄销直径来获得Ａ增大，但由于发动机
厂。、尺寸限制，不能无限增大；另一方面，也可以减小曲产刈
＼一／目，拐半径Ｒ来获得，从发动机设计上采用短冲程、高转ｄ１＋ｄ２）协Ｒ速，这也是内燃机发展的一个方向。
２．４．３改善过渡圆角ｒ１７
苎三童蝗塑堡生兰塑壅坌堑一————
嘲２－１４曲轴过渡必角
通常因角过渡采用图（２－１４ａ）所示形式，应力分布不均明显，应力巢中这也是最常见的形妓，易加工。
在近几年，采用沉害《槽形式如图（２－１４ｂ）所示逐渐增多，尤其在国外，明鼹改善了应力集中坟援，使褥夔麓疲劳强度有骥显增翅，这逸楚先遴魏翅工设餐带来鼹突酸性进展，如车一拽床、圆角滚压技术的完祷等。
另鲮，遥．＝年鸯醣突袭赞，建渡嚣袋焉ｒ逐漱递减麴秘线形式，黧强（２—１４ｃ），会避好地改善应力集中状况，这样也不必采用昂贵的车执床和滚鹾机床，依然可以采用普逶车寐、磨工净就霹戳解决。
２．４．４提赢表面质麓
一是轴颈表瑟犍糙度，再裁是凝角过渡裹瑶威量，也是提裹疲劳强度豹有效手段。２．４．５改善润滑油孔的布鼹
陌擀勃＼
整争１５滤涛漆我鼢纛萋
通常，润滑潞扎虫主轴颈豪接钻通剿照橛镄袭露，如圈（２—１５ａ），这秽结梭生要有以下两个缺点；～是连杆颈的孔口有一侧是锐角，应力集中非常大，即使倒钝后也ｌ鐾
蔓三童些塑丝盐兰塑星坌塑
不规则；二是由于离心力作用，杂质会聚集到孔口，造成偏磨。
如改成图（２－１５ｂ）形式，油孔由曲臂钻入到主轴颈，再由曲柄销和主轴颈表面垂直钻通，这样布嚣，工艺稍复杂一些，但能够有效解决以上缺点，是提高曲轴疲劳强度的一个有效措施。
２．５曲轴的材料
指标不太高的内燃机，曲轴通常用球墨铸铁铸造。除了成本低外，铸造曲轴很容易作出中空轴颈，从而使材料利用率提高，应力分布比较均匀。铸铁的内摩擦阻尼比钢大，在同样的激振扭矩下扭振振幅较小。铸铁曲轴的耐磨性较好，配软质的巴氏合金轴瓦不需要把轴颈淬硬，使成本进一步降低。球墨铸铁曲轴不仅价格低廉，制造方便，不需大型锻压设备，而且对应力集中不敏感。并且可通过合理的造型，达到最低的应力集中，疲劳强度接近中碳钢。但它的延伸率和冲击韧性，弹性模数小，所以综合性能不如中碳钢。且铸造质量不稳定，使它的应用受一定限制。
现代高速柴油机一般用４５钢锻钢曲轴，锻后进行正火处理或调质处理，然后在各轴颈表面淬火，提高疲劳强度。但是，随着发动机强化度的提高，特别是对于尺度、质量要求高的中高速强载发动机，由于曲轴工作应力的提高，有必要采用机械性能和瘪劳橡眼更高的合金钢锻造曲轴。在这类发动机中，轴承负荷也较大，因而轴承材料也霈采用承载能力大的铜铅合金或铝合金，这就要求曲轴须有很高的硬度，而合金钢硬摩棼高，且适合氮化等表面处理。因此，中高速柴油机中，合金钢曲轴得到广泛应用。
兰三兰
第三章些塑塑！！堂璺些兰垦曲轴的几种强化手段
作为内燃机的重要零部件的曲轴，它与连杆相结合，将活塞的直线往复运动转变为圆周运动，并输出动力。曲轴工作时，主要承受复杂交变的弯曲、扭转载荷和冲击载荷，同时由于曲轴高速旋转，要求轴颈表面耐磨，因此，曲轴的主要破坏形式是疲劳断裂，裂纹源多数发生在轴颈与台肩凸台端面的过渡圆角处。轴颈磨损严重是去轴的另一种主要损坏形式。由于曲轴形状复杂、刚性差，所以加工难度也很大。
３．Ｉ轴颈表面淬火强化
高频淬火是利用高频感应电流的频率越高其流动越靠近金属表面的性质而对钢进行淬火的～种方法，其特征如下：
１）由于直接加热，所以热效率非常高。
２）可以进行局部淬火。
３）处理时间短，可以提高生产效率。
４）工作环境相对较好。
５）高频淬火件的疲劳强度高。
正是基于以上优点，ＣＹ４１０２Ｂ曲轴（精选４５＃钢锻造）采用高频淬火强化工艺，同时由于加热速度快，钢中的碳不易扩散均匀，因此锻造毛坯进行调质处理，预先获得较好索氏体组织。右图是普通淬火和高频淬火得到的最高硬度，右图可以看出，原始组织为索氏体和珠光体两种材料，经过高频淬火后，硬度有明显差别。
原始组织为索氏体的钢经过高频淬火后的硬度比普通淬火的高一般认为这是由于急冷急热所产生的残余应力所引起的，例如：把经过高频淬火的方钢切断，与切断前的硬度相比，切断后的硬度降低ＨＲＣ２以上，这一实验结果可以作为上述问题的实例。因此，高频淬火工作在回火时硬度降低较多，尽管如此，由于残余应力是造成开裂和损坏的根源，所以，高频淬火后最好进行回火。
曲轴轴颈表面经高频淬火后得到较高的硬度，提高了抗磨损能力，并在一定程度上提高了曲轴的疲劳强度单由于圆角部位未得到强化，所以曲轴安全系数比较低，因此在生产中又引入了圆角喷丸强化工艺。
３．２高频淬火＋圆角喷丸
材料的疲劳破坏，通常是由于在拉应力的反复作用下，在表面产生疲劳裂纹，而后又在这～拉应力作用下，裂纹逐渐发展，以致最后呈脆性断裂。在材料表面产生２０
蔓三垩些塑塑些苎璺些至垦
预压应力后，反复作用的拉应力会受到部分抵消，从而使材料的疲劳强度得到了提高。同时，即使材料在拉应力的反复作用下出现了疲劳裂纹，由于预压应力的存在，也会使裂纹的发展得到减缓，这从曲轴的疲劳实验中叶得到了证实。正是基于这一理论，朝柴自行研究出圆角喷丸强化措施，具体实旅如下图３一ｌ所示：
图３－ｌ曲轴圆角喷丸示意图
将曲轴放入一封闭容器内，可由电机带动旋转，喷嘴对准圆角中心呈４５０角，喷丸（ｏ・２－０・８ｍ），由压缩空气带动油喷嘴喷射在圆角及其附近，在其表面形成于预压应力。
曲轴圆角经过喷丸强化后，疲劳强度有了显著提高，安全系数达到１．７以上，该工艺实施后，为我公司柴油机发展做出了巨大贡献，一直延续使用十几年，但随着市场需求的不断变化提高，我公司又相继开发出４１０５、４１０２ＢＺ等新机型，功率相应提高，导致曲轴疲劳强度不足，为此，去轴的材料选用４２ｃ工Ｉ№，整体氮化。
３．３离子氦碳共渗
渗氮是Ａ・弗利（Ａ．Ｆｒｙ）于１９２３年提出的方法，其后随着工业化的迅速发展，气体渗氮、盐裕渗氮和离子渗氮等都获得了广泛应用。
离子渗氮是１９６７年在西德首先投入使用的渗氮方法，是离子轰击热处理的核心技术。我国也正在迅速采用。这种方法是在真空容器通入氮或氮氡混合气体，以工件为阴极，以容器壁为阳极，在卜１０Ｍｐａ的气压下，利用辉光放电使离子化的氮扩散渗２１
兰三童些苎塑些翌塑些王丝
入钢中。离子渗氮的优点是气体利用率高，无公害，钢中的氮浓度可以进行一定浓度的调节，但是，设备投入较高，周期较长。
朝柴机随着市场需求不断提高，在原１０２基础上先后开发出１０５及１０２增压机型，功率增加了，因此对部分零部件的使用性能要求大幅度提高，尤其是曲轴。曲轴与连杆相结合，将活塞的直线往复运动转变为圆周运动，并输出动力。工作时，主要承受复杂交变的弯曲、扭转载荷和冲击载荷，同时由于曲轴高速旋转，要求轴颈表面耐磨。因此，曲轴的主要破坏形式是疲劳断裂，裂纹源多数发生在轴颈与止推凸台端面的过渡圆角处。轴颈磨损严重是曲轴的另一种主要损坏形式。由于曲轴形状复杂，刚性差，所以加工难度大，因此提高曲轴疲劳强度、保证曲轴加工精度是开发新型柴油机的关键。而渗氮处理不但能提高曲轴疲劳强度，同时还能提高其轴颈表面的耐磨性。因此我们采用了渗氮工艺中的离子氮碳共渗工艺对曲轴进行强化，经过多次试验，取得了成功（首先在６１０５机曲轴）。
朝柴６１０５型柴油机曲轴材质是４２ＣｒＭｏ钢。钢曲轴渗氮处理最大的难题是畸变，主要表现为曲轴渗氮后主轴颈跳动超差。国内对钢曲轴渗氮变形控制认识很少，没有成型的经验和技术，只有潍坊柴油机厂的斯太尔曲轴材质为４２０ｒＭｏ钢，但其对变形要求比较宽松，主轴颈跳动小于或等于０．３０ｍ为合格，且毛坯为进口，渗氮设备也是进口是。而朝柴６１０５型柴油机渗氮后主轴颈跳动为不超过０．０６ｍ，这是一个很难实现的要求。
要解决曲轴渗氮变形问题，主要是在渗氮前彻底消除曲轴的组织应力和加工应力。我们提出了八个试验方案，放慢切削速度，加长加工工序节拍，改变轴颈加工顺序等方法均未取得理想的效果。后来我们又提出了合理安排去应力退火工序，采用加大工序留量逐步加工，增加磨工序，全过程不校直的曲轴加工工艺，取得了成功。在去应力退火工艺规范中，我们对炉型、装炉方式及装炉量、保温温度几及时间、加热及冷却规范等均做了大量的研究。最终将曲轴主轴颈跳动变化量控制在Ｏ．毗以内。
在工艺技术攻关过程中，另一个主要问题是如何保证曲轴渗氮质量。根据６１０１５曲轴渗氮技术要求及生产能力，我们选用了ＬＤＭ０１５０型辉光离子渗氮炉。经过大量的试验研究，我们摸索出了曲轴变形最小、渗氮质量最佳的离子氮碳共渗工艺。在试验过程中，我们先后解决了试装曲轴拉瓦，渗氮表面出现黑色沉积物和曲轴嚼角渗氮层不均，渗氨电击伤，渗氮表面硬度低等质量问题。
为了控制离子氮碳共渗曲轴质量，我们编制了（４２ＣｒＭｏ钢曲轴离子氮碳共渗质量检验》企业标准。每炉曲轴渗氮质量通过随炉试样和曲轴本体试样的检查，结果证２２
整三童些苎塑些茎堡些三墼
明，曲轴渗氮质量全部达到图纸及国家技术标准要求，为进一步验证曲轴渗氮效果，我们对离子氮碳共渗曲轴在ＤＣ－１型电动谐振式曲轴疲劳试验机上进行试验，测得安全系数为２．５以上。较以前提高８３．４％。渗氮曲轴装机１０００小时全速全负荷可靠性试验、５００小时超供油试验等均合格通过，并解剖曲轴发现轴颈表面几乎无磨损。
６ｔ０５型柴油机离予氦碳共渗曲轴工艺从１９９３年下半年开始研究，历时两年半，共进行４９炉、１５中方案的试验，最终取得成功。为朝柴１０５及１０２增压系列发动机提供可靠的保障。同时６１０５型柴油机离子氮碳共渗曲轴工艺，曲轴材质为合金钢，国产毛坯，冷热加工所用设备及工艺材料也全部为国产，这在国内是首家，填补了国内曲轴加工工艺的一项空白。在以后的几年中先后应用了６１０２ＢＺ、４１０２ＢＺ、４１０２ＢＺＬ等型柴油机上。
３．４曲轴的圆角滚压
曲轴圆角滚压其实质是在机械力的作用下，使其金属表面冷作硬化，从而产生残余压应力的一种预应力强化方法。材料的疲劳破坏，通常是由于在拉应力的反复作用下，在表面产生疲劳裂纹，而后右在这一拉应力的反复作用下，裂纹逐渐发展，以致最后呈脆性断裂。在材质表面产生一个预压应力后，反复作用的拉应力会受到部分抵消，从而使材料的疲劳强度得到了疲劳裂纹，由于预压应力的存在，也会使裂纹的发展得到减缓，这从曲轴的疲劳试验中也早己得到了证实。
曲轴圆角滚压强化的方法具有工艺简单，工艺周期短及经济等特点，并适用于各种金属材料。滚压后其表面光洁无裂痕，且其疲劳强度的提高比较明显。因此，目前在国内外获得越来越广泛的应用。下面以北京内燃机总厂对４１００型曲轴采用圆角滚压工艺取得的明显效果作以叙述。
３．４．１圆角滚压装景：
由以下三部分组成
①滚压头：上下滚压头对分。对滚压加力系统，采用“剪刀式”的杠杆系统联结，上压头有两个滚轮，下滚压头装有两个支承滚柱。而对弹簧加力系统，上、下滚压头则是通过销子来联接的。
②滚轮形式：采用等圆弧、变弧长式的滚轮。这种滚轮允许被强化的圆弧尺寸有一定的偏差。滚压时滚轮侧锥面与轴颈圆柱面相切可防止起棱。另外，就是这种结构的滚轮弧长在２５—１００％范围内变化向产生侧面推搓和载荷脉动。从而增强了强化效２３
墨三兰些塑塑丛壁塑些王壁
果，制造也比较方便。其结构如下图。其滚轮圆弧宽度在２４０度范围内有２５一ｌｏｏ％变化。滚轮材料为ＧＣｒｌ５，淬火硬度为豫ｃ６０＿６５。
③加载方式：采用如下加载规律。
４０
３０
２０
１０
转
３０－３５
图３－２加载方式
３．４．２实验参数
１、曲轴的材料及性能
表３—１曲轴材料及性能
Ｒｅ残
ｏ．０５７７＼Ａ
ＢＳｉ‰０．５ＰＳＣｕＭｏＭｇ残０．０６１球化等级１Ｂ球径０．０４—０．０６２．３３ｏ．０５８０．０２１０．４３Ｏ．１８２．５５Ｏ．５０．０５００．０２０．４２０．１６０．０４０．０５９１Ａ０．０４—０．０６＼
Ａ
Ｂ表３－２球铁的机械性能ｏ。（ｋｇ／埘舻）７６６ｏ。（ｋｇ／ｃｍ２）ＨＢ８％７％５．２ｌ７６２６５２４１７８
钢曲轴为优质４５号钢，锻造毛坯２、曲轴有关尺寸
第三章貔辅戆建静强捷警致
表３－３曲轴尺寸
连杆轴颈由６５１３０（球铁轴）！
戆辆臀宽度
主轴颈垂７５１１０（段钢轴）ｊ圆角Ｉ（４２６．５（第ｌ、８曲臂）Ｉ
｝趋糖鹫厚度｛ｌ辘颈重叠凌１０
｝２３．５（其他精臂）｜Ｉ
３、圆建滚送鹾力
用压缩弹簧来拥力的滚压装置：主蘩用于球铁辘。连秆轴颈１００公斤，２００公斤、４００公斤；主轴颈２００公斤
耀渡珏系绕：主要雳予辅麴，连抒麓联４０ｋｇ／ｃｍｚ；
主辅颈３００ｋｇ／ｃｍ２
４、机康及槐床转速：Ｃ６３０车庆，转遗２８转／分，４８转／分
５、润滑油：１０号机油
３．４。３滚送试验结果
ｌ、两种不同材质的曲轴经过两种滚聪工具滚压厝，均获得了较好的滚压效果。躁角表瑟趱糙发达劐ＲａＯ。４激上。
２、滚压强化层的深度。通过对４００公斤滚压力作用下的球铁黼轴进行解剖，测其嘲角区域的照微硬度（结果如图３—３）。凼测量结果看出，其滚压层的深度约在１．６—２爨涨以内。
３、圆角滚鹾后其残余殿力的测量。曲轴匿角在游行滚压强化磷，其表面产嫩残余威力。通过对４００公斤滚服力的滚压的球铁曲轴用Ｘ射线应力测纛仪进行测量，残余疲力为１０－２０ｋｇ／ｍｍ。。
４、圆角滚隧强化后的燹形问题。在球铁曲轴迸舒泼筮强化后，虽然滚压压力不同，但其主轴娥、连杆颈的轴颈尺寸、椭阙度及曲拐＿爽角１８００等的变化十分微小，兄警溺量不氆寒。嚣其变形主要表瑗在烹辍径雾§动憨交纯是蘧罄滚箧力翡增大露增大，样见表３－４
第三章昭轴的几种强化手段
５００ｆ
４００＼．’’～
３∞｝
；
２３
图３－３圆角区域的最微硬度
＼表３－４滚垂嶷形数掇
１００２００３００
＇
２Ｏ。０３Ｏ。０６Ｏ。２６３０．０２５０．１５Ｏ．３８４Ｏ．０２０．１００．２４在滚压过程中，曲轴的弯曲变形比较有规律，如图３－４所示圈（ａ）未滚聪对
第三章曲轴的几种强化手段
小头支点
大头支点
节二二苫一二二斤
ｆ
图（ｂ）主轴颈滚压后
Ｉ
４、疲劳试验结果。４１００型柴油机曲轴采用圆角滚压强化后，其疲劳强度有显著的提高。球墨铸铁曲轴在滚压强化后，其疲劳强度提高了４４％，４５号锻钢曲轴经过４０公斤／厘米２滚压力后，其疲劳强度提高２０％，尤其球铁轴提高的更明显。
５、圆角滚压工艺的几点注意事项
①滚轮圆弧应与曲轴圆角尺寸尽可能一致为好。圆角过大或过小均会造成滚压后出现起毛、起棱等现象。为此，一定应控制曲轴圆角的加工尺寸，最好采用沉割槽形式，用数控车床成形车刀，圆角比较稳定，容易控制。
②滚压开始前应很好地调整滚轮的位置（即滚轮的
撑开角），以实现切线滚压，否则会起棱，从而达不到强化效果，反而会带来损失，起棱处会形成应力集中，产生疲劳源。
③滚压时润滑业的选用稀一些为好，同时应该加强润滑，这样滚压后表面粗糙度会更好。
通过以上４１００型柴油机曲轴圆角滚压试验来看，该工艺还有两个问题需要加以研究解决。
一个是滚压时圆角尺寸与滚轮圆弧尺寸尽可能一致。通常曲轴圆角都是通过磨
兰三兰些塑塑！！登塑±兰王壁
削得到，由于普通砂轮磨损等原因，圆角尺寸会不稳定（立方氮化硼砂轮由于其硬度高耐磨，圆角尺寸较稳定），这就需要对砂轮勤于修整，最好用数控磨床，带自动修整功能。而普通手动磨床，如ＭＱ８２４０、ＭＱ８２６０等，手工修整砂轮是难以保证圆角尺寸一致的。因此，目前国内外许多发动机曲轴采用滚压强化工艺的，一般设计成带沉割槽形式，这样一来使轴颈有效宽度增大的同时，又可以将曲轴圆交涉机尽可能大，降低应力集中。沉割槽时通过车加工得到，一般用数控机床，成型车刀完成，圆角尺寸相对一致性较好，为圆角滚压创造较好的条件。机床一般采用数控车床、数控拉一
车或车一车拉。
圆角滚压另一个问题也是比较难以解决的问题是滚压后主轴颈跳动变化较大。
如前面统计数据，中间主轴颈跳动值达到０．３８ｍ，这对任何曲轴都是难以接受的，虽然各发动机对曲轴的跳动要求不尽相同，有的要求在０．１５ｍ以内，有的要求在０．０４ｍｍ
以内，但目前车用柴油机曲轴主轴颈跳动还没有超过０．２ｍｍ的，若采用普通的校直方法，用压力机压，圆角则会重新受到拉应力，从而抵消掉滚压后的预压应力，使圆角滚压失去意义。因此，普通圆角滚压工艺应用具有一定的局限性，如果其主轴跳动要
求不大（０．１５啪以内）还是可以应用的。若主轴跳动要求较严，就绪压阿奥采用相应的
技术和设备，滚压和校直同时完成，避免滚压后的弯曲变形，但还需要进口工艺设备，投资较大。
朝柴公司先后与二汽研究所进行曲轴圆角滚压强化试验，材料为４２ＣｒＭｏ，有朝柴提供半成品曲轴，
二汽技术研究所制作工艺装备兵进行滚压，虽然滚压后疲劳强度有所
提高，但是还是有以上两个问题没能避免，主轴颈跳动在０．１ｍ以内（要求在０．０４ｍｍ
以内），另外就是滚压后轴颈表面起棱，手触摸能明显感觉到，这就是滚轮圆弧与曲轴圆角尺寸不一致所造成的，虽然经过几轮改进，最终也未能得到解决。
３．５
曲轴圆角滚压强化后的疲劳试验结果４１００曲轴在不滚压强化时的疲劳试验结果
３．５．１
①球铁曲轴
第三章曲轴的几种强化手段
表３－５球铁曲轴疲劳试验结果
开始出现裂纹
试件
拐号
芎
Ｉ
试验弯矩
（ｋｇ・ｃｍ）
曲臂名义应力
的循环次数
（ｋｇ／ｒａｍ２）
疲劳源位置
（次）
＞５ｘ１０６１．０３ｘ１０６＞５ｘ１０５＞５ｘ１０６
Ｏ．５ｌｘｌ０６
１０５００１２０００１０５００１１５００１１５００
７．４５８．５２
ＩＩ
Ａ
４Ｒ凸台边沿空
心处
ⅡＩ
７．４５８．１７８．１７８．５２
Ⅳ
Ｉ
Ｂ
４Ｒ凸台边沿空
心处（同上）
Ⅱ
１２００００．８８４ｘ１０６
②钢轴
表３－５
试件
拐号
号
（ｋｇ・ｃｍ）
钢轴疲劳试验结果
试验弯矩
开始出现裂纹
曲臂名义应力
（ｋｇ／啪Ｚ）
１２．３５２
的循环次数
（次）
＞５ｘ１０６＞５ｘ１０６４．９７３ｘ１０６１．５５ｘ１０６＞５ｘ１０６２．３９ｘ１０６＞５ｘ１０６３．３９ｘ１０５
疲劳源位置
Ｉ
１２５００
Ⅱ
Ａ
１２５００１２５００
１３０００１３５００１２５００１２５００１５０００
１２．３５２１２．３５２１２．８６１３．３６１２．３５２
１２．３５２１４．８３
４Ｒ处
７Ｒ处
ｍ
Ⅳ
Ｉ
Ⅱ
Ｂ
３Ｒ处
Ⅲ
Ｉｖ
７Ｒ处
注①循环基数选为５ｘ１０６。疲劳试验时，超过此数即为通过。
②主轴颈圆角都经过敲击强化。
③曲臂名义应力＝试验弯矩／ｗ。Ｗ为抗弯曲截面系数。
对球铁曲轴Ｗ＝１４．ＯＢｃｍ３。钢轴的第一、八臂Ｗ＝１１．９２ｃｍ３，其它臂Ｗ＝ＩＯ．１２ｃｍ３。
３．５．２
轴颈圆角滚压强化后的疲劳试验结果
１、球铁曲轴
表３－６球铁曲轴在滚压力为ｌＯＯｋｇ时数据
开始出现裂纹
试件
试验弯矩
曲臂名义应力
拐号
的循环次数
疲劳源位置
号
（ｋｇ・ｃｍ）
（ｋｇ／ｎｕｎ２）
（次）
Ｉ
１３５００
９．５９０．９４５ｘ１０８
Ａ
２Ｒ处
ＩＩ
１２５００
８．８７
＞５ｘ１０６
表３－７球铁曲轴在滚压力为２００ｋｇ，精磨０．３０
叫时数据
开始出现裂纹
试件
试验弯矩
曲臂名义应力
拐号
的循环次数
疲劳源位置
号
（ｋｇ・ｃｍ）
（ｋｇ／ｍｍ２）
（次）
Ｉ
１２５００８．８７＞５ｘ１０６
３Ｒ处
Ａ
ＩＩ
１３０００
９．２３２．２８ｘ１０５
６Ｒ处
ｌＪＩ
１３５００
９．５９
０４１５ｘ１０６
表３－８球铁曲轴在滚压力为４００ｋｇ，精磨０．３０ｒｍｎ时数据
试件
试验弯矩
曲臂名义应力
开始出现裂纹
号
拐号
的循环次数
疲劳源位置
（ｋｇ・ｃｍ）
（ｋｇ／皿ｎ２）
（次）
Ｉ
１５０００
１０．１１．３１ｘ１０６ＩＩ
１４０００
９．９５
）５ｘ１０６
Ａ
Ⅲ
铸造缺陷
１３０００９．２３＞５ｘ１０６
Ⅳ
１５０００ｌＯ．１
＞５ｘｌ矿
Ｉ
１５０００
ｌＯ．１
）５ｘ１０６圆角处
Ｂ
ＩＩＩ
１４０００
９．９５
２．６１４ｘ１０６Ⅳ
）５ｘ１０６’严重疏松
１６０００１１．３６
Ｉ
１６５００
１１．７２＞５ｘ１０６Ｃ
ＩＩ
１６０００１１．３６）５ｘ１０６Ｉ
１６０００１１．３６）５ｘ１０５Ｄ
ＩＩ
１５０００ｌＯ．１＞５ｘ１０６ｍ
１７０００
１２．１
＞５ｘ１０６
第三章曲轴的几种强化手段
２、钢轴
表３＿９滚压力连杆轴颈为４０ｋｇ／ｍ２，主轴颈为４０ｋｇ／ｍｍ２
开始出现裂纹
试件
县
试验弯矩
拐号
（ｋｇ・ｃｍ）
曲臂名义应力
的循环次数
（ｋｇ／ｉｍ２）
疲劳源位置
（次）
Ｉ
ｌ
１４５００１４５００
１４５００１５５００
１４．３８＞１０
７
ＩＩ
１４．３８１４．３８１５．３２１５．３２１４．３８２
１５．３２
＞１０。
６Ｒ处
ＩＩＩ
Ｉ
５．９６ｘｉ０６＞１０。３．３０ｘ１０８
ＩＩ
２
１５５００１４５００
１５５００
４Ｒ处
ⅡＩ
＞１０７
＞１０１
Ⅳ
ＩⅡ
３
１４５００
１５５００
１４．３２８
１５．３２１５．３２
＜１０７
＜１０７＜１０７＞１０７
丛处滚啼
３Ｒ处滚叼好
Ⅲ
Ⅳ
Ｉ
１５５００
碌处滚嘛
１５０００１５０００１５０００１５５００１３５００
１４．８２２１４．８２２１４．８２２
１５．３１６１３．３６
＞１０７
＞１０７＜１０７＞１０７
Ⅱ
４
Ⅲ
Ⅳ
注：钢曲轴疲劳试验的循环基数选为１０７。超过此数即为通过。
３．５．３
强度评价
ｌ、载荷估算（以第～曲拐为例）
根据示功图取４１００型柴油机爆发压力Ｐ２＝７８ｋｇ／ｃｍ２，则在图３－５中
Ｐ＝ｌ／４Ⅱｘ１０２ｘ７８
＝６１２６ｋｇ
而１毛＝３１２８．９ｋｇ
取主轴颈约束系数为０．７５，作用在曲柄臂上的弯矩为
Ｍ＝Ｏ．７５ｘ３１２８．９ｘ３．１２５
＝７３３３．４ｋｇ・ｃｍ
３１
墨三皇
些塾塑些翌塑些王垦
２、安全系数ｒｉ：
ｎ＝蛆Ｉ／Ｍ
４１００型球铁曲轴根据疲劳试验札。＝１１５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｒｌｌ＝１１５００／７３３３．４＝ｉ．５７
４１００型球铁曲轴滚压强化后，根据疲劳试验Ｍ－。＝１６５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｎ２＝１６５００／７３３３．４＝２．２５
４１００型钢轴根据疲劳试验Ｍ－。＝１２５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｎ。＝１２５００／７３３３．４＝１．７０
４１００型钢轴经滚压强化后根据疲劳试验Ｍ－。＝１０５００ｋｇ・ｃｍ，故安全系数为
ｎ产１５５００／７３３３．４＝２．０４
由上述简单计算可以看出：
第一球铁曲轴经滚压强化后其疲劳强度有显著的提高。ｍ，由１１５００ｋｇ・ｃｍ提
高到１６５００ｋｇ・ｃｍ，提高了４４％。
第二钢轴经滚压强化处理后其Ｍ＿。由１２５００ｋｇ・ｃｌｎ提高到１５０００ｋｇ・ｃｍ，提高
了２５％。
Ｄ
Ｒ
图３－５载荷计算示意图
３．６圆角淬火
曲轴圆角淬火工艺也是强化曲轴疲劳强度的有效手段之一。圆角淬火的基本原３２
理与表面淬火基本相同，旨在提高曲轴圆角部位的硬度，延缓出现疲劳裂纹的时间，从而提高曲轴的疲劳强度。而曲轴圆角的形状特殊性，尤其连杆轴颈的曲臂臂比较薄，
苎三童些塑塑些堂璺些兰垦
容易发生裂纹；另一个问题是弯曲变形较大，变形量较轴颈淬火更为严重，虽然变形弯曲可以通过后序磨削得以矫正，但也造成磨削后淬火硬度不一致，应力分布不均等问题，尤其是曲臂顶部淬裂问题，给朝柴与青海曲轴厂继续合作研究该项目带来障碍。
朝柴曲轴曲臂顶部很薄只有６ｍ，圆角淬火后几次出现裂纹报废，而由于结构所限，
又不能做太大改动，因此项目搁浅。当然，对于曲臂厚的曲轴，圆角淬火也不失为一种可取的强化措施。
３．７盐浴软氮化
盐浴软氮化是将曲轴放在５７０一５８０％的氰化物一氰酸物的熔盐中进行氧化处理
约９０分钟，然后淬入水中，再在热水槽中冲洗，干燥后进行抛光。软氮化后，由于氮的扩散作用，在曲轴表面形成一层氮化铁Ｆｅ３Ｎ和碳化铁Ｆｅ３Ｃ的化合物层，它具有
很高的硬度（ＨＲＣ６５－－７０）和耐磨性其厚度在０．０１３毫米左右；再往里是一层氮的扩
散区，厚度在０．８—１．０毫米。由于氮的渗入金属体积增大而产生残余压应力。这坚
实的表面薄膜和较厚的氮扩层加在一起，使曲轴具有很高的疲劳强度和耐磨性。
软氮化的曲轴不宣再做机械加工，否则疲劳强度又将降低，仅允许稍微抛光处理。因此，氮化之前曲轴必须加工至最后尺寸。然而与圆角滚压不同，软氮化后允许对曲轴变形作校直处理。软氮化不止适用于氮化钢，碳钢、合金钢和球墨铸铁等都可应用。可以使碳钢曲轴弯曲疲劳强度提高６０％一８０％，低碳合金钢曲轴提高２０％－－３０％，球墨铸铁曲轴提高５０％＿一７０％。
然而，尽管盐浴软氮化应用范围非常广，效果也很明显，但是该方法采用的介质是氰化物，产生的废液难以处理，因此，采用这种方法的企业并不多。
综上所述，虽然曲轴强化手段较多，每种方法又有其特殊性，但通过这几年从事曲轴加工工艺的实践来看，有以下两种意见：对于球墨铸铁曲轴，采用圆角滚压强化手段比较适宜，该强化工艺对于疲劳强度有比较明显的提高。另外球铁的疲劳源的扩展并不敏感，变形也比较小。但从发动机发展趋势来看，球铁轴一般用在功率相对较低的发动机上，如朝柴４１００柴油机、４１０２Ｑ、４１０２Ｂ柴油机上采用球铁轴是完全可以的，制造成本会降低。而对于钢轴（无论４５号钢还是４２ＣｒＭｏ或４０Ｃｒ等）丽言，整体氮化是比较可取的，不仅整体疲劳强度有较大提高，而且轴颈表面由于硬度有较大提高，导致磨损极小，曲轴的疲劳断裂和轴颈磨损的二种破坏形式丢得到有效的控制。虽然氮化强化工艺相对圆角滚压工艺来说，存在投入相对较高，强化周期较长等缺点，但对于发动机功率的不断提高，如朝柴机在４１０２Ｂ基础上又先后开发出４１０５、
３３
第三章曲轴的几种强化手段
４１０２ＢＺ、４１０２ＢＺＬＱ等机型，功率提高２０％－一４０％，用钢轴采用整体氮化工艺是十分必
要的，也是十分有效的。
第四章曲轴加工工艺
第四章般轴加工工艺
虽然曲轴设计和强化措施对于发动机性能和可靠性是极其重要的先决条件，而加工工艺先进性则是确保曲轴功能发挥、安全运转的有利保障。
４．１朝柴曲轴工艺介绍
朝柴共有二条生产线，第一条线是四、六缸曲轴混流生产线，是在九五期间引进俄罗斯、意大利等先进设备和一些新旧国产设备组成，其基本流程如下：
锻造毛坯（外协卜。平头打中心孑Ｌ＿—◆粗车中颈—嘲磨中颈（为后序做基准）＋
粗车其余主轴颈和大小头—＿．粗磨ｌ、５主轴颈—＿－铣定位面—◆粗车各连杆颈—◆内
铣全部连杆颈和２、３、４主轴颈——蝴磨各主轴颈—◆热时效—＋钻斜油孔—’半精
磨主轴颈一－精车大小头—呻钻大头端面螺孔—＋精磨连杆颈—斗动平衡、去重
精磨主轴颈—＋精磨小头—＋铣键槽—＋抛光—＿＇探伤—＋整体氮化—◆抛光。
该生产线在一九九五年引进了两台俄罗斯内铣机床加工曲轴的主轴颈和连杆颈，有效地控制了主轴颈和连杆颈的轴向尺寸误差在±ｏ．１ｍ以内，并使连杆颈的相位误差保证在±１５‘以内，而原来老式主轴颈及连杆颈车床采用排刀方式的多刀切削，
拉力较大，让刀现象严重，造成轴向尺寸和连杆颈相位偏差较大，并且弯曲变形严重。一般主轴颈跳差０．８衄左右，为后续加工造成许多麻烦。另外，该生产线还引进了３
台意大利萨普公司的数控磨床（一台连杆颈磨床、２台主轴颈磨床）和上海Ｌａｎｄｉｓ连杆颈磨床，都采用程序控制，单砂轮切削，线速度达到６０ｍ／ｓ，使磨后粗糙度达到ＲａＯ．８以内，采用马波斯主动测量仪，轴颈尺寸得到有效控制，尤其是轴颈圆角，由于砂轮每循环一次，自动修整，圆角尺寸较以前手动磨床的质量有了质的飞跃。此外，该生产线对轴承孔配备了数控车床，抛光工序引进了北京二机床的砂带抛光机等先进设备，应该说，这条生产线经过九五期间的改造后，曲轴加工工艺在当时国内企业处于领先地位，曲轴加工质量较咀前上了一个新台阶。
４．２存在的不足
虽然朝柴曲轴生产线经过九五改造后，曲轴工艺装备上了一个台阶，但是，相
对于国外技术比较还欠缺一个档次，尤其从近几年来发展来看，朝柴曲轴的生产还有
以下几点需要改进：
１、生产工序过多，生产效率比较低。曲轴生产线共４０多道工序，近５０台设备，
３Ｓ
第四章曲轴加工工艺
２班制，生产能力才有３００００件／年，主要有以下几个原因：
（１）毛坯余量过大。由于供货厂家工艺装备多为８吨到１０吨的汽锤锻造，单
边设计余量为４－５ｒａｍ，拔模角７度，加工错模、飞边等因素，最大局部加工余量达到ｔＯｔｍ，这就是在内铣各轴颈前又增加了几台轴颈车床的原因，而目前国内、国外许多
厂家的曲轴毛坯余量只有３响，拔模角做到卜３０，像东风汽车公司锻造厂、贵州锻造
厂都采用８０００吨以上压力机，都可以做到。如果采用这样余量小的毛坯，就可以省掉前面的轴颈车床，直接用内铣加工就可以。
（２）局部机床效率低。
①俄罗斯内铣机床双刀盘加工节拍只能达到１６分钟／件，该种加工方式就决定
了它的生产效率不能太高。若想提高生产节拍，只能多加机床，投入较多资金和厂房
面积，而先进的车一车拉机床采用高速切削，节拍可降低到３分钟以内。
②轴颈的磨床都是单砂轮，意大利萨普磨床的节拍也只能达到１０分钟／件（四
缸曲轴），切削速度６０ｍ／ｓ。要提高磨削效率，只能采用多砂轮或高切削速度，如ＣＢＮ砂轮速度可达到９０－－１２０ｍ／ｓ。
２、关键工序设备不够精。
首先，打中心孔还是老加工方式，钻几何中心孔给后序做动平衡去熏带来后患，造成去重量大，有的甚至要用铣床铣平衡快，造成外观质量差。而做动平衡和去重设备是两台各自独立的设备，需要反复做才能达到平衡要求，造成效率低且质量不易保证，当然，这也和毛坯不规矩有关。现在大部分厂家都采用打质量中心孔，动平衡、去重结合在一起数控完成，这是发展的需要。
３、生产线在线检测能力弱。
朝柴的曲轴生产线经过九五期间改造，虽然部分加工采用了较先进的设备，在很大程度上提高了加工质曩，但检测手段和装备还比较原始，大多是卡尺、千分尺，再就是人工打表检查如连杆颈相位、中心高、主轴颈跳动等，检测效率较低，而大部分是手动操作机床，操作和检测不能同时进行，尤其连杆颈相位中心距检测时间较长，因此曲轴生产线应该多配备卡板、卡规和综合测量仪（相位、摆差、中心距），这样既提高效率优势质量得到有效控制。
４．３先进的加工工艺介绍
曲轴作为内然机的熏要零部件，其加工又有其独特性，前后连贯性非常强。首先毛坯不好造成生产线比较长、生产效率低，又会影响动平衡质量，还会产生较大加
３６
第姬章曲轴加工工艺
工应力；而粗加工质量会影响后面的磨削的轴向尺寸、圆角质量和磨削效率，磨加工质量又影响到氮化效果和抛光质量，一环扣一环。目前理想的加工工序如下：
锻造毛坯（精锻件、余量小于３衄）—＋平头打质量中心孔—＋数控车床（加工下序基准）—◆铣定位面—＋内铣（车一拉更好）—＋各主轴颈、连杆颈—＋热时效苎竺塑－钻斜油孔—＿．半精磨主轴颈—＋数控车大、／１，头—＋钻大头螺孔（组合机）
——卜精磨主轴颈—＋精磨小头竺皇塑－
铣键槽—＋抛光—●氮化—＋抛光—◆综合检测、抽检、入库
该工艺流程工序简单，生产能力较高，年生产纲领可达５—８万件左右，基本采用数控机床，部分为进口的先进设备如车拉，多砂轮磨床等，投资较大，目前一汽大众、二汽柴发等曲轴生产多采用该工艺流程。如一汽大众采用的是自动线生产纲领在１５万件／年，也代表了当今国内外最先进的生产工艺，是现代曲轴生产的典范。
第五章结柬语
第五章结束语
通过以上各方面的研究表明，朝柴１０２系列柴油机曲轴的设计与工艺基本满足了目前发动机的要求，但也还有一定的不足之处，需要加以改进提高。
１、设计上，曲轴曲臂厚度应适当加厚，尤其对后置发动机应重新考虑其结构尺寸，以提高曲轴抗扭震能力；曲柄销长度加大，提高承载能力，减小磨损速度，提高曲轴寿命；
２、对于低功率柴油机，如４１００、４１０２Ｑ等型号采用合金钢材料有些保守，用球墨铸铁就可以。但这要综合考虑，铸铁轴与钢轴不能同线加工，建两条线会有设备开工不足。
３、对于采用圃角滚压还是整体氮化处理，应该视具体情况而定。目前来说，
整体氮化技术国内已经成熟，效果也较好；如果有条件采用国外的圆角滚压技术及设备，虽然短期投资较大，但长期看圆角滚压技术成本低、效率高，而且强化效果也很好。
４、机加工艺方面国内外基本相同，不同的是设备的选用，包括朝柴在内的大部分国内企业采用手动设备较多，精度差、效率低，对于曲轴圆角和轴颈等重要部位应选用先进的数控设备，以提高加工质量。
５、曲轴的设计与工艺是相辅相成、密不可分的，设计是为了满足发动机性能及安装的基本参数，而工艺则是为了达到设计要求而进行的具体生产知道，随着工艺手段和方法的不断改进和研究，也为曲轴设计的更经济实用提供改进意见，应该说，朝柴正是由于曲轴氮化工艺研究的成功，提高曲轴的强度和耐磨性，
才使增压机及增压中冷柴油机的研发得以顺利实现。
以上是本人近期进行研究和多年从事曲轴加工工作的一些结果和体会，有不当之处，请给予批评指正。
参考文献
参考文献
［１］《内燃机结构强度研究》内燃机结构强度研究机械工业出版社内燃机杂志编辑部编
［２］《车用内燃机构造》
［３］《内燃机学》
［４］《热处理指南》
［５］《机械工程材料》
［６］《内燃机学报》
［７］《柴油机设计与制造》
［８］《汽车制造业》
［９］《现代制造工程》
［１０］《机械制造技术》
［１１］《机械工程手册》
［１２］《机械制造工艺学》
［１３］《机械加工工艺手册》
［１４］《制造技术与机床》国防工业出版社魏春源等编著机械工业出版社周龙保等编著机械工业出版社日本热处理技术协会编著大连理工大学出版社王焕庭等编著中国内燃机学会《内燃机学报》编辑部《柴油机设计与制造》编辑部２００３年第一期２００２年第七期机械工业出版社１９９９朱正心等编著机械工业出版社出版机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编，１９８１北京理工大学出版社１９９０年王信义等编著北京出版社出版１９９０年李洪主编２００１年第一期
致谢
致谢
本人十分有幸进入天津大学动力工程硕士班进行学习。在将近三年的学习中，得到天大十几位老师的谆谆教导，使本人在内燃机、计算机和英语等十几门学科知识得到很大提高，尤其在撰写毕业论文的半年时间里，得到天大段家修教授、谢辉副教授和朝柴耿文浩总工程师的指导与帮助，使本人的毕业论文顺利完成，在此，向天大的各位教授和教师以及朝柴的耿总表示衷心的感谢。
张洪波２００３．７．２
4102系列柴油机曲轴设计与工艺分析
作者：
学位授予单位：
被引用次数：张洪波天津大学1次
1. 戴军.DAI Jun 大功率柴油机的曲轴设计[期刊论文]-科技信息2009(31)
2. 杨俊武.邱国平.张有 D4114系列柴油机曲轴设计及三维有限元分析[会议论文]-2002
3. 何仁财.邹文楠 曲轴设计中受力分析[会议论文]-2009
4. 汪云 基于PRO/E的发动机曲轴设计[期刊论文]-重型汽车2006(2)
5. 朱雄 现代CAE技术在柴油机曲轴设计中的应用研究[会议论文]-2007
1.谭昭怡.楚广 小型干冰造粒机传动系统的研究设计[期刊论文]-化工装备技术 2011(5)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y591833.aspx