文献综述

一． 曲轴的介绍

曲轴是发动机的主要旋转机构，它担负着将活塞的上下往复运动转变为自身的圆周运动，且通常我们所说的发动机转速就是曲轴的转速。

其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈，(还有其他)。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑.曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个机械系统的源动力。曲轴会因机油不清洁以及轴颈的受力不均匀造成连杆大头与轴颈接触面的磨损，若机油中有颗粒较大的坚硬杂质，也存在划伤轴颈表面的危险。如果磨损严重，很可能会影响活塞上下运动的冲程长短，降低燃烧效率，自然也会较小动力输出。

此外曲轴还可能因为润滑不足或机油过稀，造成轴颈表面的烧伤，严重情况下会影响活塞的往复运动。因此一定要用合适黏度的润滑油，且要保证机油的清洁度。

曲轴作为内燃机的主要运动零部件之一，其结构形状复杂，对发动机的总体尺寸、重量、可靠性及制造成本等各项指标都具有重大影响[1]。其作用是将活塞的往复运动通过连杆变成旋转运动，对外输出动力，并且带动内燃机自身的配气机构和附件工作，在内燃机的运行中起着非常重要的作用。其尺寸大小在很大程度上影响着内燃机的外形尺寸和重量，以及工作可靠性和寿命。周期性的气体压力和惯性力使曲轴各部位受到交变应力的作用，一方面，由于曲轴形状不规则，各截面的大小和轴线方向变化剧烈而使应力分布不均匀，在某些部位容易产生应力集中出现疲劳裂纹而断裂；另一方面，若曲轴的刚度不足，会使其受力较大后发生严重变形，恶化主轴颈和轴承间、连杆组合和曲柄销间的接触而引起磨损，影响内燃机的正常工作[2]。曲轴的破坏事故可能引起其它零件的严重损坏。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加严酷了，必须在设计上正确选择曲轴的结构形式与尺寸，以求获得满意的技术经济效果[3]。综上所述，曲轴的强度和刚度在一定程度上影响着内燃机的可靠性和使用寿命，因此对曲轴的强度和刚度有着较高的要求。

曲轴承受着很大的弯曲、扭转应力,扭转振动和附加应力,以及交变负荷的冲击[4]。这些载荷不仅数值较大,而且一般呈周期性变化,故容易使曲轴产生扭转和弯曲变形,甚至产生裂纹和断裂[5]。此外,发动机的不断增压、不断扩缸,以及传动功率的不断提高,使得曲轴各轴颈要在很高的压力下高速转动,因此要求曲轴必须有很高的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性以及冲击韧性。故曲轴设计、原材料选用、锻造、机加工、热处理、校直、表面强化、装配、运行等任一个环节的不当,都可能会造成曲轴的失效[6]。

二． 球铁曲轴发展现状

曲轴材料的应用现状早期的汽车发动机曲轴主要采用40Cr、40MnB、42CrMo等中碳钢材料[7]。但从20世纪90年代中期以来,非调质钢开始大量用于我国汽车发动机尤其是中重型发动机曲轴的生产,比较成熟的钢种有48MnV、C38N2等。其主要优点是:在强度等级与调质钢相同的情况下,可省去调质工序;且与调质钢相比,通常具有更好的机加工性能。同时近年来,采用球墨铸铁铸造的曲轴因其在成本、工艺上的优势也得到了很好的应用,特别是球墨铸铁曲轴加圆角滚压强化工艺在重载发动机曲轴的制造上显现出了很好的应用前景[8]。

球墨铸铁的切削性能良好,因此他不仅可获得较理想的结构形状并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。同时,球墨铸铁曲轴的成本只有调质钢曲轴成本的1/3左右,所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。统计资料表明,车用发动机曲轴采用球墨铸铁材料的比例为:美国90%、英国85%、日本60%,此外德国、比利时等国家也已经大批量采用球墨铸铁材料。