内燃机曲轴 -内容介绍

《内燃机曲轴:轴承系统摩擦学刚度和强度的耦合分析》首先针对各种机械装置使用普遍、基本的直轴一轴承系统开展了摩擦学、刚度和强度耦合的理论和试验研究。在此基础上，进行了内燃机曲轴一轴承系统摩擦学、刚度和强度的耦合研究。在推导轴颈在轴承中倾斜时的油膜厚度方程和建立计算轴承孔表面弹性变形的变形矩阵的基础上，计算了轴颈倾斜时径向滑动轴承的油膜压力、油膜反力、端泄流量、摩擦力与摩擦系数和保持轴承稳定工作的力矩等特性参数，通过与不计轴颈倾斜情况的对比，分析了在不同轴承参数下轴颈倾斜对轴承性能的影响，探讨了径向滑动轴承计及轴颈倾斜影响在理论分析上的意义。建立了轴受载变形导致轴颈在轴承中倾斜的倾斜角计算公式、Reynolds方程和分析方法，探讨了轴受载变形导致轴颈在轴承中倾斜对滑动轴承润滑性能的影响。根据轴承润滑分析结果，确定载荷边界条件，应用有限元方法研究了轴承油膜压力分布形态对轴应力的影响。

研制了研究直轴一轴承系统中轴承润滑性能的专用试验装置，对轴受大小恒定的旋转载荷作用产生变形导致轴颈在轴承中倾斜a-滑动轴承的润滑性能进行了试验研究。比较了试验与理论计算结果，以验证理论分析中采用的基本方程、公式和方法的正确性。

分析讨论了多缸内燃机曲轴轴承负荷和曲轴变形的计算方法，提出了简单、省时、精度满足要求的整体曲轴梁单元有限元计算方法。根据整体曲轴梁单元有限元法计算的轴承负荷和曲轴变形，重点进行了计入曲轴受实际载荷作用产生变形导致轴颈倾斜的曲轴轴承润滑分析。

计算了几种不同形式载荷边界条件时的曲轴应力，分析了载荷边界条件的处理方法对曲轴强度计算结果的影响程度。

采用整体曲轴模型有限元分析方法，分别以计及和不计曲轴受载变形导致轴颈在轴承中倾斜时的轴承润滑分析得到的轴承油膜压力分布作为载荷边界条件，计算分析了轴承油膜压力的分布状态对曲轴应力分布和强度的影响。

常见的曲轴材料包括球墨铸铁和锻钢两种，其中锻钢用曲轴用材，一般为中碳钢或中碳合金钢，包括调质钢和非调质钢，牌号包括45#、40Cr、42CrMo、49MnVS3、48MnV、38MnSiVS5、38MnS6钢等。高性能和低成本是生产锻钢曲轴的一直致力于的追求。目前生产锻钢曲轴降本的方法有：

1、非调质化非调质化可以免去曲轴毛坯的调质工艺，降低热处理能耗300-500kW.h/t;免去调质工序后，可以大大减少曲轴调质后的校正和去应力回火工作量，稳定或降低曲轴的加工畸变;非调质钢曲轴的组织为中等或较粗的片状珠光体和铁素体组织，切削性能要大大优于调质状态的曲轴。

2、改善切削改善锻钢曲轴切削性能的方法有：

1)采用“珠光体-铁素体”组织的非调质或调质正火组织代替调质组织。

2)适当降低曲轴基体强度，以降低切削力和刀具磨损。

3)控制钢中大颗粒高硬度TiN的数量，减小刀具蹦刃的风险。

4)在钢中添加S或S-Ca复合添加，破坏材料的微观连续性，提高切削加工时的断屑性，润滑刀片，提高切削加工速度。

3、低强度化锻钢曲轴材料的低强度化和曲轴的高强度化，是曲轴生产的理想结果。

1)如用48MnV钢锻后控冷毛坯(硬度227-254HB)代替SAE1548调质处理毛坯(硬度251-298HB),后获得弯曲疲劳强度相同的曲轴。

2)如38MnVS5钢属于850MPa非调质钢，取消其中的微合金元素钒，获得的锻造余热正火用钢38MnS6钢，强度只有760MPa，专用于圆角感应淬火锻钢曲轴。该钢种具有更低的合金成本、较低的基本强度等因素，具有明显的成本优势，却同时获得了高的弯曲疲劳极限。

一些曲轴的设计要求对曲轴的圆角区域进行淬火。EFD设计了一种全新的感应器并申请了专利，这种加热效率极高的感应器的热量分布与热处理的要求完全一致。

除了进行正确的感应器设计之外，功率必须要随着曲轴旋转角度进行调整。EFD新型的的曲轴淬火机床设计有一个用于工件旋转控制的NC轴，从而使功率能按照曲轴的角度位置而变化。

EFD还开发了一种用于曲轴变形控制的独特工艺，通过对前一次加热导致的曲轴变形的测量，接下来的淬火过程将根据上一次测量出的变形值自动地进行调整。这个过程是在设备控制中来完成的，不会计入到设备加工时间之内。通过这个调整，对于四缸钢制曲轴而言，变形值能够控制在0.15mm以内。

回火

EFD在感应回火工艺方面做了大量的研究工作。对于感应回火，有两种常用的解决方案：第一种方案是再次感应加热工件，第二种方案是使用淬火工程中的余热。

对于感应加热回火，工件是在淬火之后使用小功率进行二次加热。这种工艺的优点是不论淬火介质的质量和温度如何，都可以完全控制回火温度。

用余热进行回火(或称为自回火)是通过缩短淬火时间，用剩下的余热进行回火。这种工艺的风险是必须将淬火过程中的淬火冷却速率控制得非常准确，淬火冷却的温度、时间、流量和淬火介质的浓度都必须进行保持和监控，使工件具有一致的出口温度，其明显优势就是节省成本和提高节拍。

无论使用哪种回火工艺，都必须要有冷却工位，以使工件在下料前能冷却到室温。