提高輕型發動機曲軸連桿機構制造技術的思考

秦建生

(重慶工業職業技術學院機械工程學院 中國 重慶 401120)

0 前言

近年來我國輕型發動機、摩托車用發動機、小型動力機、小型動力發電機制造工業高歌猛進取得了前所未有的發展；我國輕型發動機年生產能力已達2000～3000萬臺以上，奠定了生產能力崛然雄居世界第一的大國地位。其輕型發動機產品種類比較齊全，生產能力不斷擴張增長,產品的性能、質量水平也日益提高；從而奠定了實力雄厚的我國輕型發動機制造工業體系。當前我國輕型發動機產業已經發展到一個新的關鍵時期，如何進一步實現產品創新升級持續發展我國輕型發動機產業、由輕型發動機制造大國邁向制造強國？將我國輕型發動機產業實體做大做強提升上一個新臺階；我們認為應當充分重視對輕型發動機、以及輕型零配件的開發研究；曲軸連桿機構是發動機的關鍵組成部分，對發動機的工作性能和壽命都具有十分重要的影響。

1 曲軸連桿機構的組成及工作與受力

曲軸連桿機構的功用是把由燃氣膨脹作功作用在活塞上的力轉變為曲軸的轉矩，以為發動機對外提供動力輸出機械能。在發動機工作時，氣缸內最高溫度可達到2500K以上，最高壓力可達到90bar。而在現代輕型發動機發動機最高轉速可達15000r／mim，則活塞每秒鐘將完成500個行程，可見其線速度很高。因此曲軸連桿機構的工作特點是在高溫、高壓和交變力沖擊的條件下運轉工作。其工作條件惡劣且受力復雜。

1.1 曲軸連桿機構的組成

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。輕型發動機曲軸連桿機構主要組成零件如圖示：

圖1 曲軸連桿機構

1.2 曲軸連桿機構的工作與受力

由于曲軸連桿機構是在高壓下作變速運動，因此它在工作中的受力情況復雜；分析曲軸連桿機構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動所引起的往復慣性力、離心力、摩擦力。

由于發動機工作時產生的氣體作用力、側向力、慣性力、離心力、摩擦諸作用力。各種力作用在曲軸連桿機構的各相關零件上，使其受到壓縮、拉伸、彎曲、扭轉等不同形式的載荷。為了保證工作可靠，減少磨損，減小對發動機的工作性能和使用壽命的影響，因此，我們在結構制造技術上必須注意采取相應的措施。

2 曲軸連桿機構制造應達到的技術要求

由于曲軸連桿機構是在高壓下作變速運動，因此它在工作中的受力情況較為復雜，為了提高發動機的工作性能和壽命，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度、剛度和工作可靠性，因此，對曲軸連桿機構的制造加工和裝配質量尺寸精度和位置精度提出了較高的技術要求：

（1）曲軸連桿機構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）曲軸的旋轉質量必須符合平衡計算與設計的要求。并且應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；極限值不大于 0.05mm；

（7）連桿大頭裝配后在曲拐內的軸向間隙一般為0.10～0.35mm；具體數值應以設計精度要求為準；

（8）曲軸總成裝入曲軸箱后的軸向間隙，一般不大于0.40mm，過大則會產生異響。在一些要求較高的發動機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動機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，在工作中產生彈性變形，致使發動機敲缸、單邊磨損，可靠性、壽命異常降低；其發動機的磨損、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度；

2）有較高的軸頸表面硬度以及較好的循環韌性(內摩擦所消耗的功)和淬透性；

3）有較好的制造工藝性。

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

對于鍛造曲軸連桿，特別是高強度合金鋼曲軸連桿，其制造技術對合金鋼曲軸連桿的機械性能影響較大，應當引起我們重視：

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

（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，抗疲勞強度愈高，但同時對疲勞缺口的應力集中也愈敏感。對于曲軸連桿這種受交變沖擊的零件，雖然用中、低溫回火，有利于改進材料的機械性能，但為了降低對應力集中的敏感性，常選用高溫回火。

（3）由于高強度合金鋼對于表面應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。 為了進一步提高材料的抗疲勞強度，還可以采用表面強化法，其實質是預先給零件表面加以壓縮應力，以達到提高抗疲勞強度的目的。

（4）高強度合金鋼曲軸連桿在機械加工或表面強化處理過程中，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度。

4 提高曲軸的檢測及裝配質量

在制造加工發動機曲軸時，為了保證其曲軸的裝配質量和發動機的整機工作性能，必須嚴格控制曲軸的制造質量和裝配精度。例如如果曲軸裝配時出現如圖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重影響發動機的整機工作性能，而且如果裝配后再用機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力，裝配后仍然還是會帶來工作變形，并影響到發動機的整機工作的質量和性能。因此必須從根本上嚴格控制曲軸的制造過程和檢測、裝配質量。

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量的問題

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

現以某輕型發動機發動機曲軸制造圖為例（見圖3）：其在零件設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，規定平行度誤差在100mm長度上不平行度不得大于0.02mm；這是一個比較關鍵的尺寸精度。

圖3 曲軸零件圖

目前，在實際生產中為控制其平行度誤差，一般采用的常規檢驗方法是將曲軸零件的兩個頂尖孔連心線作測量基準，用兩個頂尖將工件兩端頂緊定位，然后在銷孔內插入檢驗棒，通過在標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?。┑挠绊?，故將標棒的尺寸在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；

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

4.2 檢測基準和方法的選擇

為提高檢測質量，可以選用四種測量基準方案來實現：

1）選擇以零件的外圓柱面Φ20+0.009為檢測基準；

2）選擇以外圓錐軸 ф15mm 錐度 1：5（±2′30″）作為檢測基準；

3）選擇以兩頂尖孔GB145-59中心連線為檢測基準；

4.3 提高加工及檢測精度的分析

分析發動機曲軸的產品部件裝配圖及整機裝配圖，曲軸裝配后，將以其曲徑Φ20+0.009裝入發動機體軸承孔中，在活塞的作用下作高速旋轉運動；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），將直接影響發動機的工作性能，引起發動機活塞拉傷、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。

根據實際的生產工藝條件和狀況，合理的工藝方案和檢測控制手段應當取以曲軸盤端面B作為定位檢測基準，即上述方案4）。通過分析我們知道，采用以軸徑Φ20+0.009作定位基準在實際工藝過程中是難以實現的，應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，以使得檢測與工件的機械加工和組裝的定位方式一致，這樣可以最終保證控制產品的裝配質量。

4.4 提高曲軸檢測及裝配質量的意見

為提高輕型發動機發動機曲軸制造加工中曲軸的檢測及裝配質量，應研究和改進提高曲軸的檢測及裝配技術方法；嚴格控制曲軸的幾個關鍵制造尺寸，為了減小應力應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、右半部應嚴格按曲柄臂半徑R分組，然后分別將不同組別進行裝配。并且嚴格控制曲軸連桿機構的質量和動、靜平衡，以保證平衡曲軸連桿機構的旋轉慣性力等。采用高精度先進的氣電組合測量儀對曲軸進行檢測；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量。

5 曲軸連桿機構的運動平衡

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

6 結語

輕型發動機發動機曲軸連桿機構的參數、品質和質量是輕型發動機的核心所在對輕型發動機的性能品質和產業發展，對提高我國輕型發動機產業出口和參與國際競爭力，始終起著關鍵主導作用。因此，發展輕型發動機發動機產業，其中研究提高發動機內在制造技術質量的一些主要問題值得我們注意。

［1］劉崢，王建昕，編著.汽車發動機原理教程[M].清華大學出版社，2001，9.

［2］周龍保.內燃機學[M].機械工業出版社，1999.

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