曲軸驅(qū)動(dòng)軸頭磨損問(wèn)題分析及改進(jìn)

王紅麗，郝勇剛，孫皓奇，王劍豪

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400）

0 引言

內(nèi)燃機(jī)的輕量化，可以減低燃油消耗、減少尾氣排放，尤其是在汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)尤其重要。發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)帶來(lái)的利益會(huì)直接反映在數(shù)以萬(wàn)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的原材料消耗方面，進(jìn)而體現(xiàn)在企業(yè)生產(chǎn)成本。對(duì)于載重運(yùn)輸用車輛來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)所帶來(lái)的整車質(zhì)量降低會(huì)直接轉(zhuǎn)化為車輛載重能力的增加。發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)無(wú)疑會(huì)增強(qiáng)企業(yè)及產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。內(nèi)燃機(jī)輕量化技術(shù)包括輕量化材料使用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩大內(nèi)容。

某直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，為了提高功重比、實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，為了減少傳動(dòng)系零件，機(jī)油泵由曲軸軸端鍵槽直接驅(qū)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)可以減少一個(gè)傳動(dòng)齒輪及其支撐零部件，有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。但由于機(jī)油泵安裝在傳動(dòng)板上，存在定位加工誤差，實(shí)際安裝機(jī)油泵與曲軸同軸度超差，在臺(tái)架試驗(yàn)中出現(xiàn)了曲軸驅(qū)動(dòng)端軸頭鍵槽和機(jī)油泵鍵偏磨問(wèn)題，后者插入曲軸軸端鍵槽內(nèi)（圖1）。為保證機(jī)油泵正常工作，鍵和鍵槽接觸面潤(rùn)滑良好無(wú)磨損，需要對(duì)軸端驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

圖1 機(jī)油泵與曲軸安裝圖

1 軸端磨損問(wèn)題及分析

某直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，功率75 kW，轉(zhuǎn)速4000 r/min，缸徑80 mm。在50 h 整機(jī)性能試驗(yàn)過(guò)程中，拆機(jī)檢查時(shí)多次出現(xiàn)曲軸驅(qū)動(dòng)軸端鍵槽磨損，鍵槽承力面出現(xiàn)深坑，軸端顏色發(fā)藍(lán)、溫度過(guò)高，軸端磨損現(xiàn)象（圖2）；機(jī)油泵軸平鍵磨損嚴(yán)重，承力面出現(xiàn)深槽，平鍵磨損現(xiàn)象（圖3）。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)總結(jié)并結(jié)合傳動(dòng)板測(cè)量數(shù)據(jù)，分析磨損原因?yàn)椋簜鲃?dòng)板上油泵安裝位置超差，導(dǎo)致機(jī)油泵軸與曲軸同軸度也超差，機(jī)油泵軸與曲軸安裝時(shí)不同心；由于廠家加工能力限制、無(wú)法提高加工質(zhì)量，同軸度達(dá)不到穩(wěn)定試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)需求。

圖2 曲軸驅(qū)動(dòng)軸端磨損

圖3 機(jī)油泵軸磨損

2 軸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使機(jī)油泵可靠工作，在無(wú)法提高傳動(dòng)板加工質(zhì)量的條件下，對(duì)曲軸驅(qū)動(dòng)端軸頭進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)式雙U 形槽軸頭。軸頭兩側(cè)設(shè)計(jì)互相垂直的U 形槽，與曲軸連接段端為開(kāi)口式U 形槽，與機(jī)油泵泵軸連接端為封閉式U 形槽，每個(gè)U 形槽寬度設(shè)計(jì)加公差，相應(yīng)的平鍵設(shè)計(jì)減公差（圖4）。同時(shí)切割掉曲軸軸端線相應(yīng)長(zhǎng)度，僅保留驅(qū)動(dòng)平鍵，保證安裝浮動(dòng)式雙U 形槽軸頭后軸端驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度、原軸端鍵槽位置和深度保持不變。軸頭一端U 形槽與軸端平鍵間隙配合，軸頭另一端U 形槽與機(jī)油泵軸平鍵間隙配合，浮動(dòng)式軸頭能夠有效調(diào)整機(jī)油泵與曲軸的同軸度[2]，將同軸度范圍從Φ0.1～0.2 mm 調(diào)整到Φ0.2～0.4 mm，足夠覆蓋掉傳動(dòng)板的定位加工誤差。浮動(dòng)式軸頭材料選用和曲軸相同的材料42CrMo鋼[3]，調(diào)質(zhì)處理后的具體裝配參數(shù)見(jiàn)表1，與曲軸和機(jī)油泵的裝配關(guān)系模型見(jiàn)圖5。

表1 浮動(dòng)式軸頭裝配參數(shù) mm

圖4 優(yōu)化后的浮動(dòng)式雙U 形槽軸頭

圖5 優(yōu)化后浮動(dòng)式軸頭與曲軸機(jī)油泵安裝圖

3 優(yōu)化后軸頭有限元分析

為了了解優(yōu)化后雙U 形槽軸頭的應(yīng)力和變形情況，采用ANSYS-Workbench 有限元計(jì)算軟件對(duì)裝配后的曲軸和軸頭進(jìn)行有限元計(jì)算分析。軸頭按實(shí)際工作狀態(tài)安裝，軸頭驅(qū)動(dòng)受力情況與曲軸遠(yuǎn)端沒(méi)有關(guān)系，本次計(jì)算僅保留驅(qū)動(dòng)端軸段。有限元模型的所有實(shí)體部分，均采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元，單元長(zhǎng)度為4 mm（圖6）。

圖6 曲軸和軸頭裝配有限元網(wǎng)格模型

根據(jù)浮動(dòng)軸頭的實(shí)際工作狀況，浮動(dòng)軸頭連接曲軸鍵槽開(kāi)口較大，連接機(jī)油泵軸端開(kāi)口小且為閉合槽，在相同驅(qū)動(dòng)力矩下，開(kāi)口較大的鍵槽較危險(xiǎn)，所以優(yōu)先考察開(kāi)口鍵槽。在有限元模型中，軸頭鍵槽和曲軸平鍵設(shè)置面接觸，潤(rùn)滑系數(shù)設(shè)置為0.15；在曲軸主軸頸端面設(shè)置固定約束，在浮動(dòng)式軸頭機(jī)油泵端設(shè)置驅(qū)動(dòng)力矩，考慮到驅(qū)動(dòng)的沖擊性和安全可靠性，施加驅(qū)動(dòng)力矩為機(jī)油泵工作力矩的10 倍（圖7）。

圖7 有限元仿真力矩加載

通過(guò)有限元仿真計(jì)算得出優(yōu)化后軸頭的最大主應(yīng)力云圖與變形云圖（圖8～圖9）。其中，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在軸頭開(kāi)口鍵槽圓角處、為278.2 MPa，小于材料的屈服極限930 MPa，開(kāi)口鍵槽并未屈服；采用Goodman 平均應(yīng)力修正方法計(jì)算安全系數(shù)，安全系數(shù)為2.47（大于設(shè)計(jì)要求的1.5 倍），軸頭設(shè)計(jì)安全可靠；最大變形0.027 mm，僅為設(shè)計(jì)配合間隙的27%，對(duì)驅(qū)動(dòng)沖擊影響可以忽略。

圖8 浮動(dòng)式軸頭最大主應(yīng)力云圖

圖9 浮動(dòng)式軸頭變形云圖

4 問(wèn)題解決

經(jīng)過(guò)對(duì)雙U 形槽軸頭優(yōu)化設(shè)計(jì)并加工樣件，在后續(xù)的臺(tái)架試驗(yàn)中安裝驗(yàn)證，浮動(dòng)式軸頭有效地調(diào)整了機(jī)油泵與曲軸的不同軸度。臺(tái)架試驗(yàn)后的軸頭鍵槽表面光滑，僅有輕微變色，未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象（圖10）。該樣機(jī)順利通過(guò)50 h 考核試驗(yàn)。

圖10 試驗(yàn)后軸頭

5 總結(jié)

針對(duì)某直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)多次出現(xiàn)的曲軸驅(qū)動(dòng)機(jī)油泵端軸頭鍵與鍵槽的磨損問(wèn)題，分析原因?yàn)闄C(jī)油泵軸與曲軸安裝同軸度超差，采用對(duì)曲軸輸出端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，將曲軸驅(qū)動(dòng)端優(yōu)化為浮動(dòng)式雙U 形槽軸頭結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的軸端軸向尺寸和鍵槽尺寸保持不變，能將機(jī)油泵軸與曲軸的不同軸度提高至Φ0.2～0.4 mm，足夠覆蓋掉傳動(dòng)板的定位加工誤差，解決驅(qū)動(dòng)軸頭的磨損問(wèn)題。該直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過(guò)50 h 臺(tái)架試驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4000 r/min、扭矩186 N·m 工況條件下，功率達(dá)到75 kW，軸頭未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，順利完成試驗(yàn)任務(wù)。