提高輕型發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)制造技術(shù)的思考

秦建生

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 中國 重慶 401120)

0 前言

近年來我國輕型發(fā)動機(jī)、摩托車用發(fā)動機(jī)、小型動力機(jī)、小型動力發(fā)電機(jī)制造工業(yè)高歌猛進(jìn)取得了前所未有的發(fā)展；我國輕型發(fā)動機(jī)年生產(chǎn)能力已達(dá)2000～3000萬臺以上，奠定了生產(chǎn)能力崛然雄居世界第一的大國地位。其輕型發(fā)動機(jī)產(chǎn)品種類比較齊全，生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)張增長,產(chǎn)品的性能、質(zhì)量水平也日益提高；從而奠定了實力雄厚的我國輕型發(fā)動機(jī)制造工業(yè)體系。當(dāng)前我國輕型發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展到一個新的關(guān)鍵時期，如何進(jìn)一步實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新升級持續(xù)發(fā)展我國輕型發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)、由輕型發(fā)動機(jī)制造大國邁向制造強(qiáng)國？將我國輕型發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)實體做大做強(qiáng)提升上一個新臺階；我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)充分重視對輕型發(fā)動機(jī)、以及輕型零配件的開發(fā)研究；曲軸連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵組成部分，對發(fā)動機(jī)的工作性能和壽命都具有十分重要的影響。

1 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的組成及工作與受力

曲軸連桿機(jī)構(gòu)的功用是把由燃?xì)馀蛎涀鞴ψ饔迷诨钊系牧D(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩，以為發(fā)動機(jī)對外提供動力輸出機(jī)械能。在發(fā)動機(jī)工作時，氣缸內(nèi)最高溫度可達(dá)到2500K以上，最高壓力可達(dá)到90bar。而在現(xiàn)代輕型發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r／mim，則活塞每秒鐘將完成500個行程，可見其線速度很高。因此曲軸連桿機(jī)構(gòu)的工作特點是在高溫、高壓和交變力沖擊的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)工作。其工作條件惡劣且受力復(fù)雜。

1.1 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的組成

從總體上講，它由連桿總成和曲軸總成組成。連桿總成由連桿小頭軸承，或小頭襯套、連桿和連桿軸承組成。如果是分體式連桿，還有連桿大頭蓋、連桿螺栓等。輕型發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)主要組成零件如圖示：

圖1 曲軸連桿機(jī)構(gòu)

1.2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的工作與受力

由于曲軸連桿機(jī)構(gòu)是在高壓下作變速運(yùn)動，因此它在工作中的受力情況復(fù)雜；分析曲軸連桿機(jī)構(gòu)在工作中的受力其中既有氣體作用的主動力又有由變速變向運(yùn)動所引起的往復(fù)慣性力、離心力、摩擦力。

由于發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的氣體作用力、側(cè)向力、慣性力、離心力、摩擦諸作用力。各種力作用在曲軸連桿機(jī)構(gòu)的各相關(guān)零件上，使其受到壓縮、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等不同形式的載荷。為了保證工作可靠，減少磨損，減小對發(fā)動機(jī)的工作性能和使用壽命的影響，因此，我們在結(jié)構(gòu)制造技術(shù)上必須注意采取相應(yīng)的措施。

2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)制造應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求

由于曲軸連桿機(jī)構(gòu)是在高壓下作變速運(yùn)動，因此它在工作中的受力情況較為復(fù)雜，為了提高發(fā)動機(jī)的工作性能和壽命，要求工作中在承受力和傳遞力的過過程中不允許有變形并具有較高的強(qiáng)度、剛度和工作可靠性，因此，對曲軸連桿機(jī)構(gòu)的制造加工和裝配質(zhì)量尺寸精度和位置精度提出了較高的技術(shù)要求：

（1）曲軸連桿機(jī)構(gòu)必須要有極好的剛性；

（2）連桿小頭孔中心線、大頭孔中心線、曲軸銷中心線和曲軸中心線必須在同一平面內(nèi)相互平行，不得在空間有相互交叉扭曲；

（3）小頭孔與大頭孔中心線、曲軸銷與曲軸中心線必須與氣缸中心線垂直；

（4）曲軸的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量必須符合平衡計算與設(shè)計的要求。并且應(yīng)做必要的動平衡試驗；

（5）左、右曲軸主軸頸的同軸度不得大于 0.02～0.05mm；

（6）連桿大頭與軸承的徑向間隙一般在0.01mm以內(nèi)；極限值不大于 0.05mm；

（7）連桿大頭裝配后在曲拐內(nèi)的軸向間隙一般為0.10～0.35mm；具體數(shù)值應(yīng)以設(shè)計精度要求為準(zhǔn)；

（8）曲軸總成裝入曲軸箱后的軸向間隙，一般不大于0.40mm，過大則會產(chǎn)生異響。在一些要求較高的發(fā)動機(jī)采用了軸向止推彈簧來消除這一間隙的影響。

3 曲軸連桿制造材料的選擇

曲軸連桿的制造材料對發(fā)動機(jī)的工作性能有很大的影響。例如由于制造熱或者處理工藝的問題造成連桿的剛性不足，在工作中產(chǎn)生彈性變形，致使發(fā)動機(jī)敲缸、單邊磨損，可靠性、壽命異常降低；其發(fā)動機(jī)的磨損、變形，振動和噪音有很大部分是由曲軸連桿造成的。因此曲軸連桿制造材料及工藝的選擇必須滿足以下要求：

1）有較高的剛性及疲勞強(qiáng)度；

2）有較高的軸頸表面硬度以及較好的循環(huán)韌性(內(nèi)摩擦所消耗的功)和淬透性；

3）有較好的制造工藝性。

輕型發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)大都采用鍛造曲軸連桿，其常用的材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼及合金鋼。常用的優(yōu)質(zhì)碳鋼為：45、50號碳鋼(GB699-65)，合金鋼為 35Mn2，45Mn2，35CrMOA，40CrNi，40Cr，18 Cr2Ni4WA 等。而新發(fā)展起來的鎂鋁合金、高強(qiáng)度碳素纖維材料則有較好的研究發(fā)展應(yīng)用前景。

對于鍛造曲軸連桿，特別是高強(qiáng)度合金鋼曲軸連桿，其制造技術(shù)對合金鋼曲軸連桿的機(jī)械性能影響較大，應(yīng)當(dāng)引起我們重視：

（1）應(yīng)當(dāng)用模鍛法制造毛坯。以保證金屬纖維方向和曲軸連桿工作時的最大主應(yīng)力方向相一致，即纖維應(yīng)順著曲柄和軸頸的輪廓分布。如纖維組織不能正確分布，則容易導(dǎo)致曲軸連桿強(qiáng)度大大的降低。

（2）正確地選擇熱處理工藝。對于鋼材，凡能提高抗拉極限σb的措施和因素，也能提高疲勞極限，材料的組織愈均勻，晶粒愈細(xì)，抗疲勞強(qiáng)度愈高，但同時對疲勞缺口的應(yīng)力集中也愈敏感。對于曲軸連桿這種受交變沖擊的零件，雖然用中、低溫回火，有利于改進(jìn)材料的機(jī)械性能，但為了降低對應(yīng)力集中的敏感性，常選用高溫回火。

（3）由于高強(qiáng)度合金鋼對于表面應(yīng)力集中的敏感性較高，所以要求曲軸連桿在整體加工后再拋光，并且不許表面碰傷，因為表面碰傷痕往往成為極危險的尖銳缺口。 為了進(jìn)一步提高材料的抗疲勞強(qiáng)度，還可以采用表面強(qiáng)化法，其實質(zhì)是預(yù)先給零件表面加以壓縮應(yīng)力，以達(dá)到提高抗疲勞強(qiáng)度的目的。

（4）高強(qiáng)度合金鋼曲軸連桿在機(jī)械加工或表面強(qiáng)化處理過程中，都要盡可能地減少變形。因變形過大在校正時往往容易削弱材料的疲勞強(qiáng)度。

4 提高曲軸的檢測及裝配質(zhì)量

在制造加工發(fā)動機(jī)曲軸時，為了保證其曲軸的裝配質(zhì)量和發(fā)動機(jī)的整機(jī)工作性能，必須嚴(yán)格控制曲軸的制造質(zhì)量和裝配精度。例如如果曲軸裝配時出現(xiàn)如圖2所示：a為左、右曲軸兩主軸頸不同軸度誤差；b為左、右曲軸兩主軸頸不平行度誤差；而這類形位誤差會嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的整機(jī)工作性能，而且如果裝配后再用機(jī)械校正的方法也很難得到滿意的工作性效果。因為校正的方法會造成應(yīng)力，裝配后仍然還是會帶來工作變形，并影響到發(fā)動機(jī)的整機(jī)工作的質(zhì)量和性能。因此必須從根本上嚴(yán)格控制曲軸的制造過程和檢測、裝配質(zhì)量。

圖2 曲軸裝配時的形位誤差

4.1 提高曲軸的檢測及裝配質(zhì)量的問題

那么如何從根本上嚴(yán)格控制提高曲軸的檢測及裝配質(zhì)量？為了研究提高曲軸的檢測及裝配質(zhì)量的問題，下面舉一實例加以具體分析討論研究：

現(xiàn)以某輕型發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)曲軸制造圖為例（見圖3）：其在零件設(shè)計圖上對零件的位置精度提出了較高的要求，其中對于曲軸軸銷孔

以曲軸軸徑Φ20+0.09為基準(zhǔn)，規(guī)定平行度誤差在100mm長度上不平行度不得大于0.02mm；這是一個比較關(guān)鍵的尺寸精度。

圖3 曲軸零件圖

目前，在實際生產(chǎn)中為控制其平行度誤差，一般采用的常規(guī)檢驗方法是將曲軸零件的兩個頂尖孔連心線作測量基準(zhǔn)，用兩個頂尖將工件兩端頂緊定位，然后在銷孔內(nèi)插入檢驗棒，通過在標(biāo)棒上打千分表的方法來檢測其平行度位置誤差，見圖4：

圖4 檢測其平行度位置圖

為了消除孔徑本身制造公差（孔徑大小）的影響，故將標(biāo)棒的尺寸在Φ16-0.1到Φ16-0.08之間分作10組，檢驗時由小到大逐一插入。采用這種檢測方法帶來以下問題：

1）驗效率低，不適宜于批量生產(chǎn)；

2）測量不精確，容易引起生產(chǎn)與檢驗部門之間的爭議。例如，工件孔徑實際尺寸按隨機(jī)分布，現(xiàn)將標(biāo)棒分10組尺寸段逼近，其誤差難于避免；其二，當(dāng)孔徑有形狀誤差如錐度誤差時，通過標(biāo)棒打千分表，檢驗認(rèn)為零件平行度不合格，而實際上是合格品并符合產(chǎn)品設(shè)計圖要求；未能真正體現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計思想和工藝要求。

4.2 檢測基準(zhǔn)和方法的選擇

為提高檢測質(zhì)量，可以選用四種測量基準(zhǔn)方案來實現(xiàn)：

1）選擇以零件的外圓柱面Φ20+0.009為檢測基準(zhǔn)；

2）選擇以外圓錐軸 ф15mm 錐度 1：5（±2′30″）作為檢測基準(zhǔn)；

3）選擇以兩頂尖孔GB145-59中心連線為檢測基準(zhǔn)；

4.3 提高加工及檢測精度的分析

分析發(fā)動機(jī)曲軸的產(chǎn)品部件裝配圖及整機(jī)裝配圖，曲軸裝配后，將以其曲徑Φ20+0.009裝入發(fā)動機(jī)體軸承孔中，在活塞的作用下作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；若組裝后連桿曲軸銷與軸承孔軸心線不平行（即曲軸軸銷孔與軸徑Φ20+0.009軸線不平行），將直接影響發(fā)動機(jī)的工作性能，引起發(fā)動機(jī)活塞拉傷、噪聲、振動和影響工作效率。因此，在加工、裝配及檢測中，必須嚴(yán)格控制并保證曲軸軸銷孔與 Φ20+0.009軸徑兩者間的平行度要求。

根據(jù)實際的生產(chǎn)工藝條件和狀況，合理的工藝方案和檢測控制手段應(yīng)當(dāng)取以曲軸盤端面B作為定位檢測基準(zhǔn)，即上述方案4）。通過分析我們知道，采用以軸徑Φ20+0.009作定位基準(zhǔn)在實際工藝過程中是難以實現(xiàn)的，應(yīng)采取符合工藝過程實際的工藝方案：既在檢測控制曲軸軸銷孔與軸徑Φ20+0.009平行度誤差時，采取以曲軸盤端面B作為測量定位基準(zhǔn)，以使得檢測與工件的機(jī)械加工和組裝的定位方式一致，這樣可以最終保證控制產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

4.4 提高曲軸檢測及裝配質(zhì)量的意見

為提高輕型發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)曲軸制造加工中曲軸的檢測及裝配質(zhì)量，應(yīng)研究和改進(jìn)提高曲軸的檢測及裝配技術(shù)方法；嚴(yán)格控制曲軸的幾個關(guān)鍵制造尺寸，為了減小應(yīng)力應(yīng)盡量避免裝配后采用校正的方法。為保證曲柄銷和主軸頸的平行度及兩主軸頸的同軸度，曲軸左、右半部應(yīng)嚴(yán)格按曲柄臂半徑R分組，然后分別將不同組別進(jìn)行裝配。并且嚴(yán)格控制曲軸連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和動、靜平衡，以保證平衡曲軸連桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)慣性力等。采用高精度先進(jìn)的氣電組合測量儀對曲軸進(jìn)行檢測；由于其檢驗方法選擇采用氣動式測量儀，其氣動測量頭在被檢測孔中為非接觸式檢測，無磨損，而且由于運(yùn)用雙管式氣動測量頭的原理，可以排除零件形狀誤差對檢測時的影響，由此可獲得正確且較高的測量精度和裝配質(zhì)量。

5 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動平衡

據(jù)了解目前我國在曲軸連桿機(jī)構(gòu)實際加工制造過程中，很多配套生產(chǎn)廠家在裝配前未進(jìn)行專門必要的動平衡檢測和調(diào)整，有的甚至連靜平衡檢測和調(diào)整也未進(jìn)行；而總裝廠則又很少有嚴(yán)格的檢查和控制，因而嚴(yán)重影響了發(fā)動機(jī)的工作性能，造成發(fā)動機(jī)的振動和噪音、加劇了氣缸的磨損，影響到發(fā)動機(jī)的壽命和可靠性。這是十分值得引起我們注意的問題。

6 結(jié)語

輕型發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)、品質(zhì)和質(zhì)量是輕型發(fā)動機(jī)的核心所在對輕型發(fā)動機(jī)的性能品質(zhì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對提高我國輕型發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)出口和參與國際競爭力，始終起著關(guān)鍵主導(dǎo)作用。因此，發(fā)展輕型發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)，其中研究提高發(fā)動機(jī)內(nèi)在制造技術(shù)質(zhì)量的一些主要問題值得我們注意。

［1］劉崢，王建昕，編著.汽車發(fā)動機(jī)原理教程[M].清華大學(xué)出版社，2001，9.

［2］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［3］王成志，等.提高曲軸檢測及加工精度的探討[J].機(jī)械工藝師，1989，10.