1、 中北大学 2013 届毕业设计说明书毕业设计说明书368Q 汽油机轴瓦设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 年 月（小二号居中）王以鹏 0901024144王以鹏 0901024144机电工程学院热能与动力工程张志香中北大学 2013 届毕业设计说明书368Q 汽油机轴瓦设计摘要 研究轴瓦结构形式，不断改进轴瓦的工作性能，是从事发动机研究人员的重要工作内容之一。通过查阅资料及考虑 368Q 汽油机的实际工况，选择恰当的轴瓦材料，对轴瓦结构进行合理设计，使其具有足够的强度和刚度，良好的导热性和合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙。其次，发动机活塞连杆总成是发动机的“心脏” ，
2、一旦损坏，将对发动机造成严重破坏，因此对其进行可靠性设计，不仅提高了安全性，并且可降低日趋紧张的金属材料的过度消耗。关键词：368Q 汽油机，轴瓦，轴瓦材料，轴瓦设计368Q Gasoline bearing designAbstract Research bearing structure, and continuously improve the performance of the bearing, is one of the important work in the engine researchers. The projects research has important pra
3、ctical significance: First, the rational design of the bearing structure, so that it has sufficient strength and stiffness, good thermal conductivity and reasonable thermal expansion, in order to have a reasonable installation clearance.Secondly, the piston rod assembly is the “heart“ of the engine,
4、 once damaged, will cause serious damage to engine, its reliability design, not only to improve security, and reduce the excessive consumption of the growing tension of metallic materials.Keyword：The 368Q Gasoline, bearing, structural design中北大学 2013 届毕业设计说明书目 录中北大学 2013 届毕业设计说明书主要符号表中北大学 2013 届毕业设计
5、说明书0引言轴瓦是汽车发动机的重要零件，其主要作用是承载轴颈所施加的作用力、保持油膜稳定，使轴承平稳地工作并减少轴承的摩擦损失。轴承轴瓦在工作时，除了和轴颈造成磨损外，还要承受轴颈传给它的载荷。因此轴承瓦块材料应当有小的摩擦系数，抗磨性好，并有足够高的抗压强度和韧性。它不仅要有良好的机械性能(耐磨、抗击） ，稳定的化学性能(耐酸碱、耐腐蚀、抗氧化） ，而且对几何尺寸的要求也很严格。发动机选择什么样的轴瓦，将直接关系到发动机的质量和使用寿命。研究轴瓦结构形式，不断改进轴瓦的工作性能，是从事发动机研究人员的重要工作内容之一。该项目的研究具有重要的现实意义： 首先，通过对轴瓦结构的合理设计，使其具有
6、足够的强度和刚度，良好的导热性和合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙。其次，发动机活塞连杆总成是发动机的“心脏” ，一旦损坏，将对发动机造成严重破坏，因此对其进行可靠性设计，不仅提高安全性，并且可降低日趋紧张的金属材料的过度消耗。为了自我生存发展的需要，同时也为了引进车型国产化的需要，尽管国家在“七五”和“八五”期间重点扶持了几家轴瓦厂，但是由于宏观调控不当，加上地方经济发展的需要，各地方也纷纷引进技术和装备，出现了投资分散和重复引进的现象。由于国内汽车工业的巨大潜力，国内轴瓦行业的投资项目仍然在如火如荼的进行。此外，与轴瓦生产企业息息相关的就是轴瓦材料问题了，在这一方面，国内的轴瓦生产企业在
7、高档材料方面基本依靠进口。主要原因是国外轴瓦企业一开始就与主机企业建立了同步开发机制，利益共享、风险共担，提高了轴瓦企业的开发积极性。而国内轴瓦企业由于产业链的缺失，始终处于配套地位，开发风险只能独自承担，因此缺乏开发积极性和相应能力。内燃机曲轴滑动轴承,是典型的流体动力学润滑系统。其设计计算是一个较复杂的系统工程,需考虑的问题和涉及的设计计算内容很多。鉴于以上考虑，本课题的思路是立足国内生产条件和需求，以及如何从材料角度予以保证。全文分为五章。第 1 章为 368Q 汽油机轴瓦材料的选择。包括轴瓦失效形式分析（第一节） ，轴瓦材料的基本性能（第二节） ，不同材料的对比分析及选用（第三节） 。
8、第二章为轴瓦结构方案制定及结构型式的选择。包括 368Q 汽油机曲柄连杆机构的中北大学 2013 届毕业设计说明书1特点（第一节） ，轴瓦的结构和型式（第二节） ，制定方案、选择合理的结构型式（第三节） 。第三章为368Q汽油机主轴瓦和连杆大头轴瓦初参数确定。包括轴瓦的有效宽度(b) （第一节），内径(D) 、外径（ DL）尺寸（第二节），轴瓦厚度(eT) （第三节）。第四章为曲轴主轴瓦、连杆大头轴瓦强度校核计算； 第五章为曲轴主轴瓦、连杆大头轴瓦详细结构设计。总之，本文较全面地记述了轴承材料种类、性能与用途,轴瓦及其结构要素、几何形状尺寸与公差,选用原则,并给出了轴瓦强度计算方法与公式及其推
9、荐值。中北大学 2013 届毕业设计说明书2第 1 章 368Q 汽油机轴瓦材料的选择3.1. 368Q 汽油机轴瓦失效形式分析内燃机曲轴滑动轴承中，与曲轴轴颈相匹配的对开式元件，被定义为轴瓦。随着发动机强化程度的不断提高，曲轴轴瓦的工作条件愈加苛刻，不仅承受气缸爆发压力和惯性力的不稳定循环载荷，还要遵循流体动力润滑的规律。轴瓦由于材料、工艺、使用、维修等诸因素影响，有着不同的失效形式。轴瓦的损坏，直接影响到发动机的正常工作。研究轴瓦损坏机理，不断改进轴瓦的工作性能，是从事发动机研究人员的重要工作内容之一。3.1.1. 常见轴瓦的损坏形式轴瓦的损坏形式有疲劳、磨损、严重刮伤、微振磨损、穴蚀、轴
10、瓦与轴承座之间产生相对运动（扩张量消失）等。根据其损坏形式可以分析并决定当时的情况和损失的原因。依据引起损失情况的不同，破损的轴瓦将显现出不同的损坏形式。损坏形式的变化可以轻度擦伤到磨损疲劳、腐蚀和缺乏润滑等复杂的形式。扩张量消失，扩张量的作用是使轴瓦能紧贴在轴座承孔内，特别是在分开面处不致松脱。无扩张量的轴瓦，分开面处瓦口向内变形，严重时会贴在轴上，甚至瓦背与瓦座发生相对运动，这说明轴瓦出现了塑性变形，丧失了压配合的预紧力，轴瓦有转动的可能，不仅导热不良，而且在分界面附件会与轴相碰，使工作面损坏。所以扩张量是检查轴瓦机械强度的主要指标，如果扩张量小于规定值，即不能再继续使用。擦伤，由于轴瓦表
11、面和轴颈表面发生金属的直接接触而呈现斑痕或严重擦伤痕称为擦伤。擦伤通常出现在由于瞬间缺乏润滑而产生损坏的最初阶段。擦伤损坏仅在润滑瞬时断流的情况下发生，较长时间断流或反复瞬时断流会造成另外的损失形式，其特征为轴瓦和轴颈表面出现擦伤的斑痕。表面层脱落和过度磨损，其发生在轻微的瞬时缺油并反复出现的情况下，每次发生的金属之间的直接接触和缺乏润滑并不严重，持续时间也不长，所提高的轴瓦温度不足以引起轴瓦变色或产生其他的过热现象。它是在反复擦伤的情况下发生的。注意中北大学 2013 届毕业设计说明书3在主轴瓦中有些擦伤的征兆，但表面层脱落较为严重的是连杆轴瓦，因为它们处在润滑的末端，最后得到润滑，并且首先
12、受到油流减弱的影响。露铜和深度磨损，连续的反复轻度擦伤导致轴瓦内衬的深度磨损和大面积露铜。要达到这样的状态必须产生多次金属之间的直接接触。从理论上讲只有在缺乏油膜或者在润滑不足时才会出现金属之间的直接接触。轴瓦内衬层疲劳，轴瓦轻度反复擦伤损坏（露出铜衬套层）之后，金属之间的直接接触使轴瓦表面温度升得更高，从而是疲劳强度降低。腐蚀，润滑油用得过久，其判定的标准是酸值超过规定。酸值过大会在轴瓦上引起腐蚀作用。深度磨损和露铜会增加轴瓦对腐蚀作用的敏感性。当露铜时，因缺乏对腐蚀有抵制作用的表面层酸会与铜基体中的纯铅自由作用并使之大为降低。事实上，疲劳的损失形式常常伴随着腐蚀损坏。3.2. 轴瓦材料的基
13、本性能1、 良好的减摩性、耐磨性和抗咬粘性。减摩性是指材料副具有低的摩擦系数。耐磨性是指材料的抗磨性能( 通常以磨损率表示) 。抗咬粘性是指材料的耐热性和抗粘附性。2、 良好的摩擦顺应性、嵌入性和磨合性。摩擦顺应性是指材料通过表层弹塑性变形来补偿轴瓦滑动表面初始配合不良的能力。嵌入性是指材料容纳硬质颗粒嵌入, 从而减轻轴瓦滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能。磨合性是指轴瓦与轴颈表面经短期轻载运转后, 易于形成相互吻合的表面粗糙度。3、 足够的强度和抗腐蚀能力。4、 良好的导热性、工艺性、经济性等。选择轴瓦材料应综合考虑这些因素，以提高滑动轴承的使用寿命和工作性能。应该指出，没有一种轴瓦材料能够全
14、面具备上述性能,因而必须针对各种具体情况，仔细进行分析后合理选用。中北大学 2013 届毕业设计说明书43.3. 不同材料的对比分析及选用轴承的材料有：（1）金属材料，如轴承合金、青铜、铝基合金、锌基合金等；（2）多孔质金属材料，粉末冶金材料；(3)非金属材料，如轴承塑料。其中，轴承合金又称白合金，主要是锡、铅、锑或其它金属的合金。由于其塑性高、耐磨性、跑合性能、导热性和抗胶和性及与油的吸附性好，故适用于重载、高速情况下。轴承合金的强度较小，价格较贵，使用时必须浇筑在青铜、钢或铸铁的轴瓦上，形成较薄的涂层。多孔质金属是一种粉末材料，它具有多孔组织。若将其浸在润滑油中，使微孔中充满润滑油，就变成
15、了含油轴承，具有自润滑性能。多孔质金属材料的韧性小，只适应于平稳的无冲击载荷及中、小速度情况下。轴承塑料，常用的轴承塑料有酚醛塑料、尼龙、聚四氟乙烯等。塑料轴承有较大的抗压强度和耐磨性，可用油和水润滑，也有自润滑性能，但导热性差。现代内燃机性能日益提高，气缸内的爆发压力越来越大。汽油机的爆发压力一般都在60-150bar(轴承油膜压力达50-90MPa) ；大功率柴油机为160 -200bar ( 轴承最大油膜压力可达60 -100MPa) 。首先要求轴承合金材料应具有较高的承载能力和疲劳强度。否则，即使其它性能更好，也是徒劳。轴承材料的疲劳强度是轴承使用寿命的保证，高速大功率发动机轴承必须有
16、足够的疲劳强度。国外厂商一般采取二个有效方法来提高它们的疲劳寿命。其一，用机械强度较高的铝硅、铝锰和铝镍等合金作中间结合层；其二，降低结合层合金的厚度(为0. 03mm) 。合金层材料的疲劳强度受其厚度的影响。这就是用轴承双金属材料制造轴瓦的一个重要原因。同时轴承合金材料弹性模量与钢背材料弹性模量比值大的，其疲劳强度大。除上述外，还应考虑发动机机型、性能及其用途,工作环境，润滑油品质，发动机和轴瓦加工工艺水平与方法，以及装配精度，轴承合金材料种类与制造成本。有资料指出，轴瓦工作表面涂覆减磨层，可提高轴承承载能力和疲劳强度，视不同合金材料7%-30% ，亦增加轴瓦制造成本30 %左右。在满足发动
17、机各种工况下使用性能要求为前提，尽可能选用轴承性能更好，价格较低廉的轴承合金材料。内燃机曲轴轴瓦是互换性很强的零件。一般由铸造、粉末烧结和轧制压延等工艺方法制造的钢轴承合金的双金属材料，经冲压成形和机械加工,随后在合金层表面上，中北大学 2013 届毕业设计说明书5电(涂) 镀或物理喷溅减磨(合金) 层而成的三层、四层、五层轴瓦。有一定过盈量的轴瓦在较大的螺栓锁紧力下，固定于钢铁(或铝合金、钛合金) 的轴承座孔内，与座孔表面紧密地贴合成为“一体”。铸造锡基巴氏合金ZSnSb11Cu6符合这种组织要求，是一种最优秀的轴承合金。和所有巴氏合金相比，ZSnSb11Cu6 具有最小的线膨胀系数，导热系
18、数比铅基合金大30%60%，有最高的耐蚀稳定性及较高的疲劳强度，适合于承受负荷特别高、HB300 左右中等硬度的转轴运转。因而它作为轴承巴氏合金在汽油机中广泛用作转子支承轴承的轴瓦。中北大学 2013 届毕业设计说明书6第二章 轴瓦结构方案制定及结构型式选择2.1 368Q 汽油机曲柄连杆机构的特点中北大学 2013 届毕业设计说明书02.2 轴瓦的结构和型式按照结构型式及用途，轴瓦可分为：曲轴瓦(主轴瓦)、连杆瓦、中间轴瓦（翻边瓦、含镶边瓦)、凸轮轴衬套(偏心瓦)、连杆衬套、曲轴止推片等六大类。具体分类见表 1。表 1类别 形式 举例 应用要求整体式 整体轴套 需从轴端安装和拆卸，可修复性差
19、。按构造分类对开式 对开式轴瓦 可以直接从轴的中部安装和拆卸，可修复。薄壁 薄壁轴瓦 节省材料，对轴承座孔的加工精度要求高。按尺寸分类厚壁 厚壁轴瓦足够的强度和刚度，可降低对轴承座孔的加工精度要求。单材料 单一材料强度足够的材料可以直接做成轴瓦，如黄钢，灰铸铁。按材料分类多材料 两种材料 轴瓦衬强度不足，故采用多材料制作轴瓦。铸造 铸造轴瓦铸造工艺性好，单件、大批生产均可，适用于厚壁轴瓦。按加工分类轧制 卷制轴套 只适用于薄壁轴瓦，具有很高的生产率。中北大学 2013 届毕业设计说明书02.3 制定方案、选择合理的结构型式中北大学 2013 届毕业设计说明书1第三章 368Q 汽油机主轴瓦和连
20、杆大头轴瓦初参数确定3.1 轴瓦厚度(eT)现代内燃机曲轴薄壁轴瓦的厚度(eT) 为(0.020.05)DL ,一般eT/ DL 0.03 。轴瓦厚度尺寸受轴承双金属的钢背材料屈服强度和螺栓锁紧力的限制。eT/ DL 较小,要求螺栓锁紧大些,否则,运转中轴瓦在座孔内可能发生相对滑动,会引起轴瓦钢背表面微动磨损。eT/ DL 较大,要求更大的螺栓锁紧力,则需含碳量较高的钢背材料。有油槽的主轴瓦,壁厚尺寸应大些,以减少油槽造成轴瓦、钢背表面贴合不好的影响。轴瓦厚度是各层厚度之和,各层的厚度尺寸视其材料机械强度性能,制造工艺技术水平,及其在轴瓦中的功能和作用而定。3.1.1 轴瓦钢背厚度尺寸与公差轴
21、瓦的钢背,既能提高轴瓦合金层的承载能力和疲劳强度,又能降低合金层与轴颈表面之间的摩擦阻力,大大改善了双金属轴承的性能。轴承双金属的制造工艺过程,不同程度的增强了钢背材料的机械强度性能,同时带来了钢背厚度尺寸变化。我国的轴承双金属制造工艺技术较(国外) 落后,多为批量条块状生产工艺,其工艺技术控制和设备的精度较低,钢背厚度尺寸公差较大,不同工艺制造双金属的钢背厚度尺寸偏差见表 18 。钢背厚度应以轴瓦合金层材料机械强度性能,双金属制造工艺,参照相关的国内外和企业标准规定来确定。3.1.2 合金层厚度尺寸轴瓦合金层厚度尺寸,是轴瓦的一个重要尺寸。影响轴瓦合金层材料的承载能力、疲劳强度和嵌藏性等。合
22、金层厚度减少,对提高合金层的承载能力和疲劳强度,亦是不争的实事。但是,不同合金材料的提高程度不同,对于强度较高的铅青铜和铝合金等并不十分明显。有资料指出,20 %锡铝合金其厚度尺寸从0. 63mm 减至0. 13mm(减少0. 5mm) ,疲劳强度由42. 1MPa 增加到52. 9MPa ( 增加10.8MPa) ,增幅25 %30 %。合金层以其轴瓦使用条件确定的尺寸、公差见表2。中北大学 2013 届毕业设计说明书2表2发动机用途 合金层(mm) 镀层(m)轿车 0. 150. 5 1220载重车、大客车、工程机械 0. 150. 5 1520高速中型、机车 0. 150. 6 1725
23、中速中型、发电机组用、船用 0. 250. 7 25353.1.3 镀层厚度尺寸轴瓦镀层包括中间工艺结合层、栅层、减磨合金层和防腐层。减磨层和防腐层,具有一定的功能性,又称功能镀层。由于所在部位、功能与用途不同其厚度亦不同见表20 。大量研究试验结果表明,镀层厚度尺寸对其疲劳强度和承载能力的影响十分明显,镀层厚度与其承载能力的关系见表21 ,镀层厚度对不同减磨合金镀层疲劳强度的影响见图4 。最新的研究成果表明厚度0. 00150. 0025mm 的Pb2SnIn ,PbInCu , PbSnCuIn 镀层的疲劳强度亦达到了4045MPa 。表20材料 功能作用 厚 度 mm中间工艺结合层ZnN
24、i1. 防铝合金电镀中表面氧化的过渡层2. 工艺结合层0. 00050. 002栅层 NiSnCuCuSnSnCuCuNi1. 加强镀层与合金层的结合2. 减缓或防止铅合金镀层中Sn、Cu、In 向铅青铜内扩散损坏3. 改善减摩层的性能0. 0010. 00250. 00060. 00250. 00060. 00380. 0020. 0030. 0020. 0030. 0020. 003中北大学 2013 届毕业设计说明书3减摩层 PbSnPbSnCuPbInPbSnInPbSnCuPbSnCuInSn1. 改善轴瓦合金层减磨层,磨合性,嵌藏性,顺应性,抗咬粘性2. 提高合金层的疲劳强度和承载
25、能力3. 减少摩擦与磨损适用于铝合金轴瓦0. 0120. 030. 0020. 01防腐层 Sn、PbSn 防止钢背表面锈蚀 0. 00050. 003中北大学 2013 届毕业设计说明书43.2 内径(D) 、外径（D L）尺寸轴颈直径的名义尺寸,即轴瓦内径(D) 名义尺寸。有的内燃机设计资料认为，一般柴油机平切口连杆的连杆轴颈直径尺寸为(该柴油机) (0. 60. 65) 气缸直径尺寸，主轴轴颈直径尺寸应稍大于连杆轴径尺寸为宜。通常,主轴轴径尺寸/连杆轴径尺寸等于1. 051. 25 。车用汽油机较之小些，连杆颈为(0. 550. 65) 缸径，主轴颈直径为(1. 051.20) 连杆轴颈
26、。乘用车汽油机则更小些。中北大学 2013 届毕业设计说明书53.3 轴瓦的有效宽度 (B)轴瓦宽度由宽度(B) 与轴瓦外径(DL) 之比和轴承载荷而确定。为了防止边缘载荷引起的局部磨损和与轴颈表面“接触”而产生的粘着磨损，轴瓦的有效宽度一定小于轴颈宽度。一般B/DL = 0.20.6 ,推荐采用B/ DL0.3 ,高速发动机的轴瓦宽度为(0. 280.4)DL 。B/DL 过大,易引起边缘载荷产生局部磨损,B/ DL 过小,轴瓦承载面积减少,比压增大,泄油量增大,会造成不利的运转条件。现代汽车发动机连杆轴瓦的B/DL大多为0.4 左右,主轴瓦的B/DL为0.350.4 ,个别为0.3 。轴瓦
27、的宽度尺寸与公差见表1,推荐的宽度尺寸极限为b_+00.2。表1 单位:mm 轴颈直径 3240 4050 5063 6380 80100 100125 125150轴瓦宽度 1625 1632 1640 2050 2563 3280 4085公差 0.2 0.2 0.2 0.26 0.26 0.4 0.4中北大学 2013 届毕业设计说明书6第四章 曲轴主轴瓦、连杆大头轴瓦强度校核计算在发动机的一个工作循环里,轴颈中心走出一个变化的封闭轨迹,油膜厚度及其压力都在变化着,决定了轴承的可靠性与耐久性。以其轴承特性数(索氏数) S0 表征, 其表达式如式(1) 。由此图1 旋转和挤压油膜的油膜压力S0 =p2bD. (1)其中: = (R - r) / r.=L +J +LPp 轴承载荷(kgf) 轴承相对间隙b 轴承宽度(cm)D 轴承内表面直径(cm)轴颈有效角速度(s - 1)L 轴承角速度J 轴颈角速度LP 最小油膜位置点角速度润滑油的动力黏度可知,油膜承载能力与bD 之积成正比,与间隙二次方成反比。中北大学 2013 届毕业设计说明书7第五章 曲轴主轴瓦、连杆大头轴瓦详细结构设计中北大学 2013 届毕业设计说明书8附录中北大学 2013 届毕业设计说明书9参考文献中北大学 2013 届毕业设计说明书10致谢
