曲軸加工制造強度的控制工藝研究

內燃機械中曲軸是十分重要的零部件，對內燃機使用壽命和運作的可靠性起著決定性的作用，曲軸強度如果不足，會對整個內燃機造成損壞，嚴重的也可能造成人員傷亡問題。因此，必須重視對曲軸強度控制方法的研究，確保其可靠運行，延長其使用壽命。常見的組合式曲軸，是曲拐部件和軸頸部件組裝而成，整體式曲軸則是鋼錠鍛壓而成。近些年來，隨著人們對環境問題的重視，越來越追求省能、效率高的發動機，這對曲軸的強度和可靠性提出了更好的要求，也越來越關注曲軸的疲勞強度。通過連桿將活塞上下運動改變成旋轉運動的曲軸，在彎曲應力和扭曲應力的作用下，拐角處需要有特殊的疲勞強度。要提升曲軸的強度，需要采用高強度的材質，采用先進的鍛造法和控制工藝。

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1 內燃機曲軸強度現狀概述

內燃機的曲柄連桿機構中，曲軸作為關鍵性的組件，是不可缺少的零件，且自身的受力情況相對復雜，采用鍛造工藝技術，選用高質量的合金鋼纖維擠壓鍛造，或者是模鍛后形成，包括了曲柄和軸徑等組成部分

。

這天，杏子娘來看女兒了。上次回家，杏子就把自己的丑事跟娘和盤托出了。杏子見了娘，眼淚嘩嘩地流，躲房里跟娘說，這孩子不打下來，我就只有死路一條了。娘說，我聽人說，吃半生不熟的綠豆可以打胎，你不妨試試看。杏子就照著煮了綠豆，拼著命吃了大半碗，幾天過去了，還是不見效。

1.1 結構復雜

內燃機械曲軸結構相對比較復雜，除了擁有良好的承受荷載的水平，更需要滿足機械功率的實際要求，因此，在加工制造時，必須確保曲軸強度與具體的標準相符合，才能確保加工制造符合工藝水準

。內燃機中曲軸所具有的作用，主要是負載氣缸內砌體的作用力，借助不同的運動手段，常見的如旋轉等，從而給內燃機械的運轉提供對應的慣性力

。但內燃機運轉中，在不同的時間段內，荷載會隨著環境變化和時間范圍的不同產生改變，在此情況下，曲軸要承受彎曲單位面積附加內力的同時，也要承受扭轉單位面積的附加內力，尤其是一些特殊的位置，如圓角所處位置，拐角等，常常會出現曲軸的疲勞失效現象。

1.2 永久性性能的改變

在控制曲軸強度的過程中，必須科學準確地分析應力和單元面積內力的分布情況，也就需要借助曲軸的應力計算，改善有效應力系數的精確度，并優化單位面積承受的附件內力的精確性。具體實踐中，可以采用有限元分析的方法，計算曲軸單位面積承受的附加內力，在此基礎上算出曲軸的疲勞安全系數。計算之前需要對曲軸上方單位面積承受的附加內力進行判斷，可以假設曲柄銷圓角、主軸頸圓角等承受內力的位置，從而優化互相獨立的主軸，形成截斷筒支梁模型，在此基礎上，可以對完全單元承受的內力及對曲軸的損害情況進行計算和分析，最終在試驗和分析的基礎上，不斷優化曲軸的常規強度，并確定安全系數，進行表面處理等。

當前內燃機曲軸的強度設計，主要是融入動力學、仿真學等學科內容，在分析研究的基礎上，對曲軸的應力點分布進行分析，從而進一步確定曲軸疲勞強度儲備系數，在此情況下選擇出最佳的強度儲備點，并反復多次進行疲勞試驗

。在試驗過程中，需要研究分析數據庫中的參數、材料特性等，對并部件有限元加以綜合分析，從而估算出疲勞的強度，也可以借助虛擬現實技術等進行模擬和仿真試驗，最終通過試驗獲取的數據，獲取優良的設計方案。

1.3 強度設計現狀

“我喜歡承諾如金，考慮得如此周全證明你多么看重承諾。”蕭飛羽一邊說一邊走到一方血腥少的空地道：“早了早結束，夜長夢多。”

2 內燃機械加工制造曲軸強度的控制方法探討

2.1 研究曲軸系統動力學模型

因內燃機結構比較復雜，在曲軸的設計過程中，可以通過曲軸系統動力學模型的設計和建立，可以充分利用現代信息技術和計算機技術，借助動力學相關仿真軟件和模塊等，形成具體的模塊、子系統等，組成完成的模型結構

。這種模型結構的建立，對模塊的子系統進行了更改，從而確保模型參數化，同時，也需要根據幾何體約定俗成的比例，對模塊的參數進行設定，并將多個子系統進行集合，從而為子系統傳遞信息等提供更加便捷性的渠道。曲軸系統動力學模型建立的同時，還要重視對初始拓撲結構進行研究，這其中還涉及到內燃機氣缸數、沖程數、缸心距、軸承的布置等數據信息，建立子系統，需要根據實際情況及時調整曲軸部件的密度、尺寸、轉動慣量等數據。通過建立曲軸系統動力學模型，從而給曲軸強度的設計工作提供更加準確和完整的數據作為參考，這也是內燃機曲軸強度發展的前提條件。

2.2 對曲軸系統動力學仿真結果進行分析整合

其二是圓角滾壓技術。圓角滾壓技術也是曲軸表面強化的工藝技術，曲軸的圓角在通過滾壓處理后，會獲得壓縮預應力，從而可以減少拉伸疲勞應力及沖擊力的影響，也就是可以提升曲軸的承受應力。同時，在滾子揉搓的作用力下，能改善圓角的粗糙度，滾壓技術應用中，滾壓的力度和深度并不需要太大，只需要可以使金屬表面產生塑性，達到塑變層規定的厚度即可。針對一些小型的內燃機的曲軸，可以采用切線軸壓裝置進行處理，其效果與曲軸圓角滾壓效果接近。針對一些中型的內燃機曲軸，則可以采用楔形的滾輪滾壓，同樣可以使金屬產生塑性變形。需要注意的是，曲軸的軸頸屬于特殊部位，在滾壓時，接觸點會不斷變形，使得圓角處的金屬也會不斷反復變化，通過兩側鋪開然后再向中間擠壓，最終產生搓揉作用，這種情況下，專業滾壓機床只需要30s則可完成曲軸處理。而對于大型的內燃機曲軸，多采用沖擊滾壓的方式。

2.3 曲軸所承受附加內力的計算

內燃機使用過程中，最開始對曲軸的影響程度相對較小，但隨著時間的推移，曲軸的一些部位也會受到或多或少的影響，可能出現永久性的性能變化，在載荷的不斷作用和力度影響下，曲軸會產生裂紋，如果不及時發現和更換，后續則甚至會出現破裂和斷裂現象，也就是常見的疲勞斷裂問題。疲勞斷裂問題的出現，有明顯的特點，諸如時間性、突發性、敏感性等特點。我國內燃機制造加工中，有80%及以上的內燃機結構強度出現破壞的問題，是因曲軸疲勞造成的，其占其他故障發生概率的95%左右。由此可見，機械結構的強度與曲軸的疲勞破壞有十分密切的聯系。要提升內燃機的質量和效果，必須重視改善曲軸的強度

。

此外，通過截斷筒支梁模型，對彎矩及計算界面模量進行分析，確定出曲軸的應力變化范圍及平均應力的大小。曲軸強度設計的過程中，需要注意掌握重要的強度計算參數，如連桿長度和質量、活塞組的質量，缸套的內徑、曲柄銷的長度和直徑，主軸長度，曲柄臂厚度，轉速，材料的強度等。根據這些參數的計算和確定，最終計算出理論應力系數，對曲軸的疲勞強度加以分析。

2.4 曲軸彎曲疲勞試驗

通常來講，主要包括三種試驗方法用于曲軸彎曲疲勞的實驗測試中，如成組試驗法、配對升降和疲勞極限統計的方法。其中，成組試驗法在具體的應用過程中，主要是對曲軸過載的疲勞強度進行分析，估算其安全使用的時間和期限，這種估算方法，主要是從曲軸自身的安全性能的角度出發；配對升降法則是按照試驗的標準和要求，隨意選擇自由組合的數據，這種方法多應用于相對分散性的試件試驗中；疲勞極限統計的方法，主要是分析應力與壽命的雙對數的坐標，尋找其中反復多次斷裂點的具體位置，從而根據具體的數值，選擇對應斷裂強度的曲軸

。通過這三種方法的應用和實踐，在應用中多采用疲勞極限統計的方法。在具體的實踐中，對試驗臺靈敏度等有嚴格的要求，并需要對荷載進行專門的標定，這也就是在靜標動測的理論要求下，對某一個試件在特定區域內的靜態和動態的應變情況加以研究，最終獲得靜標曲線數據。在試驗中系統存在偏差，同樣需要對偏差進行研究，一般主要是人為操作記錄和總結，并對系統不斷加以優化，減少誤差的出現。因此，需要不斷提升試驗操作人員的技術水平，要求其熟練掌握試驗的整個流程和關鍵事項，所有的操作必須按照標準和規定進行。同時，還需要對系統中衡量應變片及載荷測量的情況進行分析和考查，結合具體的試驗要求對應變量的真實值進行調整，確保應變片和測量目標值差距最小。需要注意的是，在疲勞試驗測試中，還需要正確處理試驗所得的數據，要對母體的強度加以爭取的的估量，同時還需要借助正態分布模型等統計方法，對實銷數據中的中位秩進行估計，從而最終獲得曲軸強度安全系數，為曲軸強度的合理設計提供依據。

3 內燃機曲軸強度控制的具體技術分析

3.1 機械強化技術

2.3.5 頭痛、頭暈發生率 納入 8 個研究［6‐10，12‐13，16］，各研究間為同質性（P=0.96，I2=0%），采用固定效應模型進行Meta‐分析（圖5）。結果顯示卡貝縮宮素組的頭痛、頭暈發生率與縮宮素組無顯著性差異（OR=0.69，95%CI=0.43～1.08，P=0.11）。

其一是圓角高頻淬火技術。通過此技術，讓曲軸表面形成特殊體層，也就是馬氏體層，這種體層多占的比例與處理之前相比體積更大，從而提升曲軸表面的預應壓力，減少因疲勞破壞帶來的拉應力，最終提升疲勞強度，實驗研究證明，淬火處理后，曲軸的彎曲疲勞強度可以提高高達70%左右，但是在淬火和非淬火區域的交界處，疲勞強度會有所降低，如果分界線的選擇不合理，甚至還會降低疲勞強度。如果工藝應用不當，還會引起曲軸變形的問題，需要在此進行處理，因此，淬火技術的應用有很大的局限性。隨著技術的不斷進步，出現了成批生產的曲軸采用特殊的淬火工藝技術，將其變形情況縮小到最小范圍，也能確保處理后的尺寸精度符合要求，且提升了曲軸的疲勞強度，在實際應用中得到了一定程度的推廣。

通過對仿真結果的分析，了解曲軸系統動力學模型的具體應用，更高曲軸強度的實際計算結果，從而對減震器的參數進行調節，并對比分析活塞加速度，活塞側擊力，曲柄載荷及主軸的承載和等，對曲軸強度設計的差異性進行全方位的對比，在此基礎上進行合理調節

。一是調試減震器的參數問題。分析系統測量布置和結構，主要是在曲軸的上方位置設置發動機，左右兩側則主要是唯一傳感器、飛輪和信號齒輪等，位移傳感器主要包括了采集卡、PC機等部件，減震器參數的調整，主要是對扭振響應曲線進行觀察，了解振幅軸向是夠保持一致，數據本身的誤差不會對曲軸強度設計的精確度產生嚴重的影響。二是活塞加速度的比較分析，需要對曲軸轉角、曲柄的半徑、連桿擺角、中心距離等參數進行對比和確定，通過倍角關系及余弦函數來反映活塞的位移變化，最終通過計算獲得內燃機曲軸的加速度，實際曲軸的強度設計中，也能減少相對誤差等帶來的影響

。三是分析和比較活塞的側擊力，也就是對曲軸在強大的壓力作用下精度誤差問題，因所有的曲柄銷載荷曲線具有一致性的特點，因此可以借助現代算法取值，得到曲柄銷徑向和切向數值，從而對連桿等質量進行檢測。四是主軸承載荷的分析，對同一工作循環狀態下，軸承載荷、轉速、扭轉等進行分析。

其一是噴丸處理技術。通過曲軸噴丸處理，對內燃機曲軸表面的質量進行優化和改善，從而讓其表面能產生塑性變形，形成除應力，最終提升曲軸的疲勞強度，噴丸處理可以強化曲軸的表面，也能不斷強化和提升其高應力區。鋼制鍛造的曲軸，經過噴丸處理，彎曲疲勞強度可以提高20%左右，且脈動疲勞強度則能提升高達70%，噴丸處理的曲軸彎曲疲勞度和脈動疲勞強度相對較高。而通過噴丸處理的球鐵鑄造的曲軸，其疲勞強度與鋼制鍛造曲軸相比，還要高出35%左右。噴丸處理中，丸粒直徑選擇多是0.5-0.8mm范圍

。但具體應用中也存在不足之處，如曲軸的軸頸表面會受到直接的沖擊，這樣對其表面質量產生很大的影響，需要采用覆蓋法或者是多次小幅度操作減少影響。

3.2 物理強化處理技術

在一次DMA讀操作完成,下一次DMA讀操作開始前,PCIE總線處于空閑狀態,一方面需要等待中斷響應,另一方面數據拷貝到緩沖區也有很大的延時,這就極大地限制了圖像傳輸效率。

其二是液體等溫淬火技術。這種技術應用的頻次相對較多，主要是通過等文淬火處理曲軸，然后進行圓角滾壓進行再次處理，從而提升曲軸的疲勞強度。

3.3 化學強化處理技術

其一是氮化處理技術。氮化處理能有效提升內燃機曲軸的疲勞強度，也能強化其表面的硬度，一般適用于鍛鋼曲軸和高強度的鑄鐵曲軸的處理中。通常是采用鹽浴氮化處理，實驗研究證明，氮化層深度達到1mm的狀態時，鋼制曲軸的疲勞強度可以提升35%左右，球鐵曲軸也能提升25%左右，鹽浴氮化比滲碳后淬火技術處理帶來的疲勞強度提升效果更加明顯，氮的擴散也會隨著碳含量的減少不斷增加，因此，可以采用鐵素體、珠光體等制造曲軸，這兩種材質的曲軸，通過氮化技術處理的效果更好，氮化層深度在0.5-0.6mm時，化合物的耐磨層一般在0.007mm左右。球鐵曲軸通過氮化技術處理，疲勞強度可提升10%左右，而擺動彎曲的疲勞強度則可提高40%,且變形概率比鋼制曲軸的變化更小。氣體軟氮化技術和離子氮化技術，都是在原有氮化技術是基礎上的改進和補充，氣體軟氮化主要是借助強電流釋放電能，確保氮能深入到金屬表層，離子氮化則是阻止曲軸表面缺氧層的形成，而是在表面深處形成相對均勻的耐磨層。當然，氮化工藝使用中會出現曲軸冷卻產生變形等問題，還需要通過熱處理進行消除。

其二是低溫氮化處理技術。低溫氮化同樣是強化表面，在表面形成碳性氮化物，提升彎曲疲勞強度。但是這種工藝應用中處理液存在一定的毒性，需要對其進行再次處理。

針對不同的型號和材質的曲軸，需要根據實際情況采取不同的技術手段進行處理，在對其表現帶來最小損傷的同時，提升曲軸的疲勞強度。

4 結語

綜上所述，內燃機曲軸強度控制過程中，內燃機加工制造中曲軸控制技術要求也存在不同，在具體的方法應用中，需要結合實際情況，了解工藝標準和流程要求，對曲軸的材質規格等進行了解，在此基礎上對曲軸強度設計方案進行不斷的調整和優化，結合我國實際生產經驗，強化提升內燃機械加工制造中曲軸強度的控制水平。

[1]叢建臣,倪培相,孫軍,呂世杰.內燃機曲軸扭轉疲勞強度試驗研究與分析[J/OL].中國機械工程:1-9[2022-03-17].

[2]何聯格,蘇建強,周藍.內燃機曲軸結構可靠性數值仿真計算的研究現狀與展望[J].重慶理工大學學報(自然科學),2020,34(12):65-73.

[3]唐艷,杜紹貴,何正海.某新型內燃機車曲軸鐓鍛成形工藝研究[J].大型鑄鍛件,2020(06):13-16+20.

[4]劉玉. 三缸內燃式空氣壓縮機動力學仿真研究[D].青島大學,2020.

[5]劉翔宇. 內燃發動機工況信號模擬裝置的設計與實現[D].大連交通大學,2019.

[6]井澤銓.淺談機械內燃設備的應用與維修[J].內燃機與配件,2018(16):155-156.

[7]王慶前. 內燃式水平對動空氣壓縮機平衡設計及多工況動力學仿真研究[D].青島大學,2017.

[8]王慶前,張繼忠,于祥.內燃式壓氣機曲軸的平衡設計與有限元分析[J].機械制造,2017,55(03):28-29+33.

[9]王慶前,張繼忠,于祥.內燃式水平對動壓縮機曲軸的模態分析[J].農業裝備與車輛工程,2017,55(02):64-66.

[10]張帥,張繼忠,孫學良,項菊.基于內燃式壓氣機曲軸系多體動力學仿真與響應分析研究[J].壓縮機技術,2016(04):22-29.