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(guó) 重慶 401120)

0 前言

近年來(lái)我國(guó)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)、摩托車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)、小型動(dòng)力機(jī)、小型動(dòng)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(guó)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)年生產(chǎn)能力已達(dá)2000～3000萬(wàn)臺(tái)以上，奠定了生產(chǎn)能力崛然雄居世界第一的大國(guó)地位。其輕型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品種類比較齊全，生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)張?jiān)鲩L(zhǎng),產(chǎn)品的性能、質(zhì)量水平也日益提高；從而奠定了實(shí)力雄厚的我國(guó)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)制造工業(yè)體系。當(dāng)前我國(guó)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新的關(guān)鍵時(shí)期，如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)持續(xù)發(fā)展我國(guó)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)、由輕型發(fā)動(dòng)機(jī)制造大國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)？將我國(guó)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)實(shí)體做大做強(qiáng)提升上一個(gè)新臺(tái)階；我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)充分重視對(duì)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)、以及輕型零配件的開(kāi)發(fā)研究；曲軸連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)對(duì)外提供動(dòng)力輸出機(jī)械能。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r／mim，則活塞每秒鐘將完成500個(gè)行程，可見(jiàn)其線速度很高。因此曲軸連桿機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)力又有由變速變向運(yùn)動(dòng)所引起的往復(fù)慣性力、離心力、摩擦力。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和使用壽命的影響，因此，我們?cè)诮Y(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(dòng)，因此它在工作中的受力情況較為復(fù)雜，為了提高發(fā)動(dòng)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(guò)過(guò)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(duì)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(jì)算與設(shè)計(jì)的要求。并且應(yīng)做必要的動(dòng)平衡試驗(yàn)；

（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(jì)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(guò)大則會(huì)產(chǎn)生異響。在一些要求較高的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了軸向止推彈簧來(lái)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(duì)發(fā)動(dòng)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(wèn)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(dòng)機(jī)敲缸、單邊磨損，可靠性、壽命異常降低；其發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損、變形，振動(dòng)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(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)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(hào)碳鋼(GB699-65)，合金鋼為 35Mn2，45Mn2，35CrMOA，40CrNi，40Cr，18 Cr2Ni4WA 等。而新發(fā)展起來(lái)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)對(duì)疲勞缺口的應(yīng)力集中也愈敏感。對(duì)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(duì)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(duì)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?yàn)楸砻媾鰝弁蔀闃O危險(xiǎn)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(shí)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(guò)程中，都要盡可能地減少變形。因變形過(guò)大在校正時(shí)往往容易削弱材料的疲勞強(qiáng)度。

4 提高曲軸的檢測(cè)及裝配質(zhì)量

在制造加工發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸時(shí)，為了保證其曲軸的裝配質(zhì)量和發(fā)動(dòng)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(shí)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(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)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?yàn)樾Ｕ姆椒〞?huì)造成應(yīng)力，裝配后仍然還是會(huì)帶來(lái)工作變形，并影響到發(fā)動(dòng)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(guò)程和檢測(cè)、裝配質(zhì)量。

圖2 曲軸裝配時(shí)的形位誤差

4.1 提高曲軸的檢測(cè)及裝配質(zhì)量的問(wèn)題

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

現(xiàn)以某輕型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造圖為例（見(jiàn)圖3）：其在零件設(shè)計(jì)圖上對(duì)零件的位置精度提出了較高的要求，其中對(duì)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(zhǎng)度上不平行度不得大于0.02mm；這是一個(gè)比較關(guān)鍵的尺寸精度。

圖3 曲軸零件圖

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

圖4 檢測(cè)其平行度位置圖

為了消除孔徑本身制造公差（孔徑大?。┑挠绊?，故將標(biāo)棒的尺寸在Φ16-0.1到Φ16-0.08之間分作10組，檢驗(yàn)時(shí)由小到大逐一插入。采用這種檢測(cè)方法帶來(lái)以下問(wèn)題：

1）驗(yàn)效率低，不適宜于批量生產(chǎn)；

2）測(cè)量不精確，容易引起生產(chǎn)與檢驗(yàn)部門(mén)之間的爭(zhēng)議。例如，工件孔徑實(shí)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(shí)，通過(guò)標(biāo)棒打千分表，檢驗(yàn)認(rèn)為零件平行度不合格，而實(shí)際上是合格品并符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖要求；未能真正體現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想和工藝要求。

4.2 檢測(cè)基準(zhǔn)和方法的選擇

為提高檢測(cè)質(zhì)量，可以選用四種測(cè)量基準(zhǔn)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

1）選擇以零件的外圓柱面Φ20+0.009為檢測(cè)基準(zhǔn)；

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

3）選擇以兩頂尖孔GB145-59中心連線為檢測(cè)基準(zhǔn)；

4.3 提高加工及檢測(cè)精度的分析

分析發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)體軸承孔中，在活塞的作用下作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；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(dòng)機(jī)的工作性能，引起發(fā)動(dòng)機(jī)活塞拉傷、噪聲、振動(dòng)和影響工作效率。因此，在加工、裝配及檢測(cè)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(shí)際的生產(chǎn)工藝條件和狀況，合理的工藝方案和檢測(cè)控制手段應(yīng)當(dāng)取以曲軸盤(pán)端面B作為定位檢測(cè)基準(zhǔn)，即上述方案4）。通過(guò)分析我們知道，采用以軸徑Φ20+0.009作定位基準(zhǔn)在實(shí)際工藝過(guò)程中是難以實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)采取符合工藝過(guò)程實(shí)際的工藝方案：既在檢測(cè)控制曲軸軸銷孔與軸徑Φ20+0.009平行度誤差時(shí)，采取以曲軸盤(pán)端面B作為測(cè)量定位基準(zhǔn)，以使得檢測(cè)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(cè)及裝配質(zhì)量的意見(jiàn)

為提高輕型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造加工中曲軸的檢測(cè)及裝配質(zhì)量，應(yīng)研究和改進(jìn)提高曲軸的檢測(cè)及裝配技術(shù)方法；嚴(yán)格控制曲軸的幾個(gè)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(dòng)、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(cè)量?jī)x對(duì)曲軸進(jìn)行檢測(cè)；由于其檢驗(yàn)方法選擇采用氣動(dòng)式測(cè)量?jī)x，其氣動(dòng)測(cè)量頭在被檢測(cè)孔中為非接觸式檢測(cè)，無(wú)磨損，而且由于運(yùn)用雙管式氣動(dòng)測(cè)量頭的原理，可以排除零件形狀誤差對(duì)檢測(cè)時(shí)的影響，由此可獲得正確且較高的測(cè)量精度和裝配質(zhì)量。

5 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平衡

據(jù)了解目前我國(guó)在曲軸連桿機(jī)構(gòu)實(shí)際加工制造過(guò)程中，很多配套生產(chǎn)廠家在裝配前未進(jìn)行專門(mén)必要的動(dòng)平衡檢測(cè)和調(diào)整，有的甚至連靜平衡檢測(cè)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(dòng)機(jī)的工作性能，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪音、加劇了氣缸的磨損，影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和可靠性。這是十分值得引起我們注意的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

輕型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的核心所在對(duì)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能品質(zhì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)提高我國(guó)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)出口和參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，始終起著關(guān)鍵主導(dǎo)作用。因此，發(fā)展輕型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)，其中研究提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)在制造技術(shù)質(zhì)量的一些主要問(wèn)題值得我們注意。

［1］劉崢，王建昕，編著.汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(cè)及加工精度的探討[J].機(jī)械工藝師，1989，10.