曲軸結構設計及工藝分析的開題報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上中 北 大 學畢業(yè)設計開題報告學 生 姓 名：劉奪學 號：學 院、系：機電工程學院車輛與動力工程系專 業(yè)：熱能與動力工程設 計 題 目：396柴油機曲軸結構設計及工藝分析指導教師:張艷崗 2011 年3月7日畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告1結合畢業(yè)設計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述1.1 本課題的目的及意義 曲軸是發(fā)動機對外輸出動力的核心部件，是驅動車、船等運輸工具的重要動力來源。曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉變?yōu)檗D矩，用以驅動汽車的傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的配氣機構以及其他輔助裝置1。曲軸的工作情況是極其復雜的，它是在周期變

2、化的燃氣作用力、往復運動和旋轉運動慣性力及它們的力矩作用下工作的，因此承受著扭轉和彎曲的復雜應力。 曲軸是內(nèi)燃機中承受沖擊載荷傳遞動力的關鍵零件，也是內(nèi)燃機五大件（機體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿）中最難以保證加工質(zhì)量的零件2，發(fā)動機曲軸作為重要運動部件，同時因曲軸工況及其惡劣，因而對曲軸材料、曲軸尺寸精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求十分嚴格。其中任何一個環(huán)節(jié)的質(zhì)量對曲軸的壽命和整機的可靠性都有很大的影響。因此世界各國對曲軸的加工都十分重視，不斷地改進曲軸加工工藝，最大可能地提高曲軸壽命3。在大批量生產(chǎn)的條件下，傳統(tǒng)工藝已不能滿足當前設計和生產(chǎn)需求，在長時間、高速運轉下，曲軸極容

3、易過早出現(xiàn)失效或斷裂，嚴重影響曲軸的壽命和整機可靠性4。曲軸的主要失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂5，內(nèi)燃機曲軸部分的結構形狀和主要尺寸對內(nèi)燃機曲軸的抗彎疲勞強度和扭轉剛度有重要影響，因而在內(nèi)燃機曲軸設計時，必須對內(nèi)燃機的結構強度問題予以充分重視6。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.2.1 曲軸結構設計1.2.1.1 曲軸的材料 根據(jù)曲軸工作在發(fā)動機過程中承受彎曲、扭轉、剪切、拉壓等交變應力，要求具有較高的抗拉強度、疲勞強度、表面強度及耐磨性，芯部具有一定的韌性。即具有很高的疲勞強度、耐磨性和高淬透性，且進行強化處理時變形小，高溫下具有高的蠕變強度4。 隨著發(fā)動機性能的提高，對曲軸的原材料及加工

4、工藝提出新的要求，現(xiàn)代車用發(fā)動機曲軸材質(zhì)主要有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本1/3左右,且球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結構形狀，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性。所以球墨鑄鐵曲軸在國內(nèi)外得到了廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，車用發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國為90%,英國為85%，日本為60%，此外，德國、比利時等國家也已經(jīng)大批量采用。國內(nèi)采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯，中小型功率柴油機曲軸85%以上采用球墨鑄鐵，而功率在 160kW以上的發(fā)動機曲軸多采用鍛鋼曲軸5。 我國球鐵曲軸的生產(chǎn)繼QT600-

5、2、QT700-2之后，現(xiàn)已能穩(wěn)定地生產(chǎn)QT8002、QT900 -2等幾種牌號，目前已能大批量生產(chǎn)QT800-6球鐵曲軸。但從整體水平來看，存在生產(chǎn)效率低，工藝裝備落后，毛坯機械性能不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題7。1.2.1.2 曲軸結構設計 曲軸結構設計在過去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展。在曲軸的設計初期一般是按照已有的經(jīng)驗公式計算或者與已有的曲軸進行類比設計，在進行了初步的設計后造出曲軸樣品再進行試驗，通過實驗數(shù)據(jù)進行適當?shù)母倪M。曲軸設計發(fā)展到今天已經(jīng)有了很大的發(fā)展。隨著內(nèi)燃機向高可靠性、高緊湊性、高經(jīng)濟性的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的以經(jīng)驗、試湊、定性為主要設計內(nèi)容的設計方法已經(jīng)不能滿足要求，而隨

6、著電子計算機技術的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機及其零部件的設計已經(jīng)發(fā)展到采用包括有限元法、優(yōu)化設計、動態(tài)設計等現(xiàn)代先進設計技術在內(nèi)的計算機分析、預測和模擬階段。有限元法是最有效的數(shù)值計算方法之一，它使人們對零部件關鍵參數(shù)的理解和設計更進了一步8。 （1）在設計內(nèi)燃機曲軸時，應根據(jù)內(nèi)燃機的工作條件，選擇不同的結構設計方案。內(nèi)燃機曲軸結構設計方法大致如下： 選擇確定結構形式：整體鍛造曲軸、整體鑄造曲軸、組合曲軸。 確定潤滑油道 曲軸主軸頸和曲柄銷一般采用壓力潤滑。潤滑油由主油道送到各主軸承，在經(jīng)曲軸內(nèi)潤滑油道進去連桿軸承。當主軸承為滾動軸承時，潤滑可從假軸承進入曲軸內(nèi)腔，再分配到各有關軸承。在決定主軸承和曲柄

7、銷上的油孔位置時，主要考慮應保證供油壓力和油孔對曲軸強度的影響程度。 確定曲軸平衡塊形式 平衡塊用來平衡曲軸的不平衡慣性力和力矩，減輕主軸承載荷以及減小曲軸和曲軸箱所受的內(nèi)力矩。但曲軸配置平衡塊后重量增加，將使曲軸系統(tǒng)的扭振效率有所降低。因此應根據(jù)曲軸結構、轉速、曲柄排列等因素來配置平衡塊和平衡精度要求。平衡塊可與曲軸制成一體，也可與曲軸分開制造后再進行裝配9。 （2）曲軸結構形式的選擇曲軸結構形式與其制造方法有直接關系，在進行曲軸設計時必須同時進行。曲軸有整體式和組合式曲軸兩大類10。而摩托車發(fā)動機常采用組合式曲軸，這是因為其加工簡單，不需要大規(guī)模鍛模具設備，它由曲軸左半部、曲軸右半部及曲軸

8、銷組成。通過液壓壓入的方法將其結合起來。本設計中采用滾動軸承做主軸承。這是因為使用它具有以下優(yōu)點： 可以采用隧道式曲軸，保證曲軸箱有較高的強度和剛度； 可以減少摩擦損失，提高機械效率，因而使燃料消耗下降； 發(fā)動機啟動較為容易，尤其在氣溫較低的時候； 采用滾動軸承后，對主軸的潤滑較易實現(xiàn)。1.2.2 曲軸工藝分析1.2.2.1 曲軸的機械加工技術 曲軸主軸頸的粗加工、半精加工工藝和精加工工藝，大體分為以下幾種： （1）傳統(tǒng)的曲軸主軸頸的多刀車削工藝。 生產(chǎn)效率和自動化程度相對較低。 粗加工設備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，難以達到合理的加工余量。一般精加

9、工采用曲軸磨床，通?？渴止げ僮鳎庸べ|(zhì)量不穩(wěn)定，尺寸的一致性差。 （2）數(shù)控車削工藝。數(shù)控車削設備價格相對便宜，不需要復雜的刀具，但只適合小批量生產(chǎn)。 （3）數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝。 內(nèi)銑設備價格較高，刀具費用也很高，但適合大批量生產(chǎn)。 （4）數(shù)控車拉、數(shù)控車車拉工藝。其突出優(yōu)點是可對寬軸徑進行分層加工，切削效率高，加工質(zhì)量好，但車拉刀具結構復雜，技術含量高，并且長期依靠進口，好處是可集車車拉工藝加工連桿軸頸要兩道工序于一起。 （5）CNC高速外銑工藝。數(shù)控高速外銑是20世紀90年代新興起來的一種新型加工工藝，其應用范圍廣，特別雙刀盤數(shù)控高速外銑以其加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、自動化水平高，已成為當前

10、是曲軸主軸頸粗加工的發(fā)展方向11。就比較而言,CNC車車拉工藝加工連桿軸頸要二道工序，CNC高速外銑只要一道工序就能完成，切削速度高(目前最高可達 350m/min )、切削時間較短、工序循環(huán)時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數(shù)少、加工精度更高、柔性更好。如德國BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動機曲軸設計制造的柔性的高速隨動數(shù)控外銑床VDF315OM- 4型，該設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲軸的軸頸。其采用一體化復合材料結構床身，工件兩端電子同步旋轉驅動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；使用SIEMEN

11、S840D CNC控制系統(tǒng)，設備操作說明書在人機界面上，通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動生成加工程序，可以加工長度450700mm、回轉直徑380mm以內(nèi)的各種曲軸軸頸直徑誤差僅為±0.02mm12。 （6）數(shù)控曲軸磨削工藝。 精加工使用數(shù)控磨床，采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)控制等控制裝置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保證，精加工還廣泛使用數(shù)控砂帶拋光機進行超精加工，經(jīng)超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級精度。如GF70M- T曲軸磨床是日本TOYADA公工機開發(fā)生產(chǎn)的專用曲軸磨床，是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產(chǎn)需要而設計的數(shù)控

12、曲軸磨床。該磨床應用工件回轉和砂輪進給伺服聯(lián)動控制技術，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉中心即可完成所有軸頸的磨削；采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架) 和線性光柵閉環(huán)控制，使用TOYADA工機生產(chǎn)的GC50CNC控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達到0.002mm；采用CBN砂輪，磨削線速度高達120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高5。1.2.2.2 曲軸的強化工藝技術 目前國內(nèi)外曲軸常見的強化工藝大致有如下幾種: （1）氮化處理。氮化能提高曲軸疲勞強度的20%60%13。 （2）噴丸處理。曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強度20%40%。 （3）圓角與軸頸同時感應淬火處理。該強化方式應用于球

13、鐵曲軸時，能提高疲勞強度 20%，而應用于鋼軸時，則能提高l00%以上14。 （4）圓角滾壓處理。球鐵曲軸經(jīng)圓角該壓后壽命可提高 120%300%，鋼軸經(jīng)圓角液壓后壽命可提高 70%150%。曲軸圓角滾壓強化工藝主要包括曲軸圓角滾壓和曲軸滾壓校正兩部分15。 （5）復合強化處理。它是指應用多種強化工藝對曲軸進行強化處理，球墨鑄鐵曲軸采用圓角該滾壓工藝與離子氮化工藝結合使用，可使整個曲軸的抗疲勞強度提高130%以上16。參考文獻： 1陳家瑞汽車構造第五版北京：人民交通出版社，2008：55 2 倪計民.汽車內(nèi)燃機原理.上海：同濟大學出版社，1996：120 3李海國國內(nèi)外內(nèi)燃機曲軸制造技術現(xiàn)狀及

14、發(fā)展趨勢制造技術與機床，2003,8 4楊厚忠曲軸工藝發(fā)展及研究汽車與配件，2010,（10） 5姜洪宇，黃春元國內(nèi)外曲軸加工技術的現(xiàn)狀及發(fā)展.黑龍江科技信息，2008，（3） 6邵立新，段立霞.內(nèi)燃機曲軸結構設計的方法.農(nóng)機使用維修，2008,（3） 7王一治. 國內(nèi)外曲軸制造工藝綜述.山東農(nóng)機，2001，（5） 8徐兀. 汽車發(fā)動機現(xiàn)代設計.人民交通出版社 , 1995：120125 9長春汽車研究所.國外柴油機曲軸強度研究.北京：第一機械工業(yè)部科學技術情報研究所,1980 10彭麗華.內(nèi)燃機曲軸制造技術新論.精密成形工程.2004，（2） 11Zhang Mei.Research on

15、a new remeshing method for the 3D FEM simuluation of blade forging.Journal of Materials Processing Technology.1999,94：231234 12 Grip.P.M.The Computer-Aided Design of Modular Fixturing Systems. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2001,(2): 7588 13彭麗華.內(nèi)燃機曲軸制造技術新論.精密成形工程.2004

16、，（2） 14韓愛禮曲軸銑削加工工藝現(xiàn)狀及設備加工技術，1999，（5） 15侯德政，彭再思雪佛萊350系列曲軸鍛造工藝設計研究. 金屬加工，2006，（3） 16 J.H.Song，Y.T.Im.Development of a computer-aided-design system of cold forward extrusion of a spur gear.Journal of Materials Processing Technology.2004: 821828 設 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：2.1本課題要研究或解決的問題 （1）分析396柴油機的工作條件，根據(jù)已知參數(shù)對396柴油機曲軸進行結構設計并校核其剛、強度； （2）分析曲軸加工的基本方法，完成所設計曲軸的加工工藝分析，并制定加工工藝卡片。2.2 擬采用的研究手段 （1）查閱原始資料，熟悉曲軸結構設計的方法及曲軸工藝技術。 （2) 根據(jù)曲軸的工作條件和396柴油機工作參數(shù)對曲軸進行結構設計及強度校核。 （3）利用曲軸材料和工況分析曲軸的加工工藝。 （4) 根據(jù)分析的各項數(shù)據(jù)繪制二維工程圖紙并制作工藝卡片。2.3畢業(yè)設計工作進度計劃2011.02.21-2011.03.1