CN104696348B - 一种多缸柴油机曲轴及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多缸柴油机曲轴及制作方法，包括主轴颈、曲柄和连杆轴颈，所述的主轴颈上连接有若干相互平行曲柄，所述的曲柄与曲柄之间通过连杆轴颈相连，其特征在于，所述的曲柄上远离连杆颈中心一端设有平衡块，所述的平衡块呈对称的弧形，且平衡块的对称中心线与曲柄主轴颈和连杆轴颈的轴线不在同一直线上，而是形成一个锐角。平衡块呈对称的弧形，每个曲臂上的平衡质量都不一样，质径积呈对称或反对称分布，保证所有质量加在一起能使曲轴达到整体平衡的效果，既能有效地减小平衡块配重的总质量，又能使曲轴的内力和内弯矩最小，也就是达到发动机整机轻量化的目的，又能保证曲轴可靠性。

Description

一种多缸柴油机曲轴及制作方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机曲轴，尤其是多缸柴油机曲轴，属于机械制造领域。

背景技术

曲轴通过连杆将柴油机活塞的往复运动转化为旋转运动，是用于柴油机能量转换的关键部位，具有很高的加工精度要求。在传统的曲轴设计中,曲轴和曲柄是自平衡的，每个曲柄的形状都是一样的。同时由于多缸柴油机曲轴每个气缸所对应的曲拐在柴油机上的位置不同，对曲柄的平衡要求也不同。表面上完全平衡的自平衡曲轴，在多缸柴油机机上实际运行时却是不平衡的。

通常设计柴油机曲轴时，曲轴的每个主轴颈和连杆轴颈都是一样的圆柱形状，但是由于柴油机各个气缸的不同时膨胀做工造成柴油机曲轴不但承受扭转力矩同时换承受弯曲力矩，弯曲力矩造成挠曲变形，传统圆柱形的主轴颈和连杆轴颈设计不在适合高强度的柴油机。当曲轴挠曲变形时，轴颈两侧的油膜空间将变小，圆柱形的轴颈设计在柴油机运行过程中挠曲变形将影响油膜的建立，从而可能造成主轴瓦或连杆瓦的过渡磨损。

通常曲轴主轴颈和连杆轴颈上的润滑油孔都是垂直于轴颈轴向，然后通过轴颈中心。这样的设计保证了润滑油孔通过受力最小的轴颈中心，但是这样的设计不利于润滑机油通过油孔通往轴瓦间的油膜间隙，从而影响油膜的建立。

发明内容

为解决曲轴在多缸柴油机上的动态平衡问题，本发明提供了一种多缸柴油机曲轴。

本发明采用的技术方案如下：

一种多缸柴油机曲轴,包括主轴颈、曲柄和连杆轴颈，所述的主轴颈上连接有若干相互平行曲柄，所述的曲柄与曲柄之间通过连杆轴颈相连，所述的曲柄上远离连杆颈中心一端设有平衡块，所述的平衡块呈对称的弧形，且平衡块的对称中心线与曲柄主轴颈和连杆轴颈的轴线均不在同一直线上，而是形成一个锐角。

所述的锐角角度大小需要根据曲轴连杆等运动轴系的运动学计算及动力学计算结果调整，使得各主轴颈上受力均匀且平衡块质量最少。

所述的主轴颈和连杆轴颈采用主轴颈和连杆轴颈的表面为曲面，所述的曲面的相对于颈向向外凸起，轴颈中间凸起量在0.001mm到0.01mm之间，凸起与轴颈两侧圆角之间的通过多次方形线圆滑过渡连接。在柴油机运行过程中，曲轴发生挠曲变形，由于设计了凸起形线，即使曲轴轴颈发生挠曲变形轴颈和轴瓦间也有足够的空间用于建立润滑油膜。

所有的主轴颈上的润滑油孔采用偏心设置，油孔不从主轴颈正中心打通，而是偏离主轴颈中心。

所有的连杆轴颈上的润滑油孔采用偏心设置，油孔不从连杆轴颈正中心打通，而是偏离连杆轴颈中心。

多缸柴油机曲轴的制作方法，如下：

步骤1加工无平衡块的曲轴；包括主轴颈、连杆颈和主轴颈衔接的曲柄以及曲轴前后端的连接部分；

步骤2位于曲轴中心两气缸和曲轴两端气缸位置的曲柄，其远离连杆颈的一端加工扇形平衡块；

步骤3确定连杆轴颈和曲轴轴颈凸起高度和形线，并加工；

步骤4确定主轴颈和连杆轴颈上润滑油孔的偏心距离，并加工润滑油孔。

步骤5加工曲轴后端油封结合面。

所述的步骤2整体平衡曲轴的平衡块设置以满足曲轴的平衡以及主轴承受力均匀为原则。

所述的步骤3凸起形线为多次方程，形线两端与轴颈两端的圆角圆滑过渡，形线最高点高度0.001mm到0.01mm之间。

所述的步骤5的加工过程如下：曲轴后端油封结合面粗加工之后，在感应淬火设备上做感应淬火处理，硬度达到50到60HRC；然后在机床上用专用刀具对油封结合面进行无螺旋磨纹的磨削加工。

本发明的有益效果如下：

平衡块呈对称的弧形，每个曲臂上的平衡质量都不一样，质径积呈对称或反对称分布，保证所有质量加在一起能使曲轴达到整体平衡的效果，既能有效地减小平衡块配重的总质量，又能使曲轴的内力和内弯矩最小，也就是达到发动机整机轻量化的目的，又能保证曲轴可靠性。

该发明曲轴所有的主轴颈上的润滑油孔采用偏心设计，油孔不从主轴颈正中心打通，而是偏离主轴颈中心。所有的连杆轴颈上的润滑油孔采用偏心设计，油孔不从连杆轴颈正中心打通，而是偏离连杆轴颈中心。

偏心的润滑油孔端面与轴瓦结合处圆周为非圆周对称的流通结构，在柴油机运行过程中润滑油孔处的轴瓦会发生较多的微变形，而偏心的润滑油孔通过非圆周对称的流通结构保证了润滑油的通畅流通。

该发明曲轴的后端曲轴油封结合面采用了特殊处理，即对油封结合面进行感应淬火处理达到50～60HRC的技术要求，然后用研磨工具进行无螺旋磨纹的研磨表面加工。加工后的油封结合面硬度高，耐磨损，且不没有螺旋加工纹路，表面的粗糙度和后油封有充分的接触配合，保证了润滑机油不从此处渗漏到油封外面去。

附图说明

图1本发明的主视图；

图2本发明的俯视图；

图3轴颈凸起结构非比例放大结构；

图4中图示了主轴颈、曲柄和连杆轴颈上偏心润滑油孔位置。

图5中图示了大平衡块在曲轴上的位置。

图中：1大平衡块，2小平衡块，3轴颈中间凸起，4润滑油孔，5主轴颈，6连杆轴颈，7油封结合面，8曲柄，G锐角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

多缸柴油机曲轴,包括主轴颈5、曲柄8和连杆轴颈6，主轴颈5上连接有若干相互平行曲柄8，所述的曲柄8与曲柄8之间通过连杆轴颈6相连，曲柄8上远离连杆颈中心一端设有平衡块，所述的平衡块呈对称的弧形，且平衡块的对称中心线与曲柄主轴颈和连杆轴颈的轴线不在同一直线上，而是形成一个锐角。

平衡块呈对称的弧形，每个曲臂上的平衡质量都不一样，质径积呈对称或反对称分布，保证所有质量加在一起能使曲轴达到整体平衡的效果，既能有效地减小平衡块配重的总质量，又能使曲轴的内力和内弯矩最小，也就是达到发动机整机轻量化的目的，又能保证曲轴可靠性。

锐角角度大小需要根据曲轴连杆等运动轴系的运动学计算及动力学计算结果调整，使得各主轴颈上受力均匀且平衡块质量最少。

主轴颈5和连杆轴颈6采用主轴颈和连杆轴颈的表面为曲面，曲面的相对于颈向向外凸起，轴颈中间凸起3量在0.001mm到0.01mm之间，凸起与轴颈两侧圆角之间的通过多次方形线圆滑过渡连接。在柴油机运行过程中，曲轴发生挠曲变形，由于设计了凸起形线，即使曲轴轴颈发生挠曲变形轴颈和轴瓦间也有足够的空间用于建立润滑油膜。

主轴颈5上的润滑油孔4采用偏心设置，油孔不从主轴颈正中心打通，而是偏离主轴颈中心。

连杆轴颈6上的润滑油孔采用偏心设置，油孔不从连杆轴颈正中心打通，而是偏离连杆轴颈中心。

具体的设计过程如下：

根据柴油机曲轴运动空间设计各个曲拐的曲柄，通过动动学和动力学计算分析确定各个曲柄的平衡块位置和形状，保证多缸柴油机曲轴的整体平衡。

曲轴设计要经过无平衡块的曲轴设计，在此基础上再做曲轴平衡设计，然后利用有限元对曲轴、连杆等零件做运动学和动力学计算以及结构强度分析，最后做润滑分析。平曲轴的设计需要通过设计→有限元计算→修改设计→重新有限元计算反复进行的，通过有限元计算来指导设计修改，直到曲轴满足强度要求的同时有着稳定的平衡状态以及良好的润滑效果为止。

首先是无平衡块的曲轴设计。这一步主要考虑发动机的发火顺序、冲程、强度可靠性以及前后连接问题，包括：主轴颈、连杆颈的直径大小和主轴颈衔接的曲柄方向以及曲轴前后端的连接部分。

曲轴平衡设计主要是采用加质量的方法来解决曲轴旋转惯性力的不平衡和本身所受到的内弯矩。以四冲程六缸发动机曲轴为例，曲轴是镜面对称的，不加平衡重就已经能达到动平衡状态，但曲轴本身还要承受较大的内弯矩，轴承也要承受一定的离心负荷，这就要加平衡块来解决。加平衡块的方法很多，只要能实现曲轴工作时不产生或少产生内弯矩，同时不给或少给轴承额外负荷，就是好的设计。

在本发明的最佳实施例中，通过动力学计算，在有限的动动空间范围内将平衡块的质量最小化，不仅满足曲轴动平衡的要求，还满足曲轴可靠性要求，同时达到发动机轻量化的设计要求，三者兼顾。

最终方案为：根据计算结果在曲轴最中间两缸和曲轴的最两端气缸位置的曲柄远离连杆颈6的一端设计扇形大平衡块1；即曲轴的第三、四缸缸连杆颈两侧的曲柄有大平衡块1；第二、五缸连杆颈两侧的曲柄有小平衡块2或无平衡块；第一、六缸连杆颈两侧的曲柄有较大的平衡块1；平衡重方向与曲柄方向呈一锐角，所述的锐角G为30°。

根据曲轴的设计经验和曲轴润滑状态计算，确定连杆轴颈和曲轴轴颈凸起高度和形线。凸起形线为多次方程，形线两端与轴颈两端的圆角圆滑过渡，形线最高点高度0.001mm到0.01mm之间。具体形线方程以及凸起高度根据有限元油膜计算优化结果来确定。

根据油膜优化计算结果确认主轴颈5和连杆轴颈6上润滑油孔4的偏心距离。

曲轴后端油封结合面7粗加工之后，在感应淬火设备上做感应淬火处理，硬度达到50到60HRC。然后在机床上用专用刀具对油封结合面7进行无螺旋磨纹的磨削加工。

Claims (5)

1.一种多缸柴油机曲轴的制作方法，其特征在于，所述曲轴包括主轴颈、曲柄和连杆轴颈，所述的主轴颈上连接有若干相互平行的曲柄，所述的曲柄与曲柄之间通过连杆轴颈相连，所述的曲柄上远离连杆轴颈中心的一端设有平衡块，所述的平衡块呈对称的弧形；所述的主轴颈和连杆轴颈的表面为曲面，所述的曲面为相对于主轴颈和连杆轴颈的轴线方向向外凸起的曲面，所述的凸起在主轴颈和连杆轴颈发生挠曲变形时，为所述的主轴颈和连杆轴颈与轴瓦间提供建立润滑油膜的空间；

曲轴最中间两缸和曲轴的最两端气缸位置的曲柄远离连杆轴颈的一端设计扇形大平衡块，平衡块方向与曲柄方向呈一锐角，所述锐角为30°；

所述的主轴颈和连杆轴颈的中间凸起量在0.001mm到0.01mm之间，凸起与主轴颈和连杆轴颈两侧圆角之间通过多次方形线圆滑过渡连接；

所述曲轴的制作方法包括以下步骤：

步骤1加工无平衡块的曲轴；包括主轴颈、连杆轴颈和主轴颈衔接的曲柄以及曲轴前后端的连接部分；

步骤2位于曲轴最中间两气缸和曲轴最两端气缸位置的曲柄，其远离连杆轴颈的一端加工呈对称弧形的扇形大平衡块；

步骤3确定连杆轴颈和主轴颈凸起高度和形线，并加工；

步骤4确定主轴颈和连杆轴颈上润滑油孔的偏心距离，并加工润滑油孔；

步骤5加工曲轴后端油封结合面。

2.如权利要求1所述的多缸柴油机曲轴的制作方法，其特征在于：所有的主轴颈上的润滑油孔采用偏心设置,润滑油孔偏离主轴颈中心。

3.如权利要求1所述的多缸柴油机曲轴的制作方法，其特征在于：所有的连杆轴颈上的润滑油孔采用偏心设置，润滑油孔偏离连杆轴颈中心。

4.如权利要求1所述的多缸柴油机曲轴的制作方法，其特征在于：所述的步骤3凸起形线为多次方程，主轴颈与连杆轴颈两端的圆角与形线两端圆滑过渡，形线最高点高度0.001mm到0.01mm之间。

5.如权利要求1所述的多缸柴油机曲轴的制作方法，其特征在于：所述的步骤5的加工过程如下：曲轴后端油封结合面粗加工之后，在感应淬火设备上做感应淬火处理，硬度达到50HRC到60HRC；然后在机床上用专用刀具对油封结合面进行无螺旋磨纹的磨削加工。