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1、【汽車工業(yè)論文】汽車發(fā)動機曲軸用鋼研究開發(fā)
摘要:汽車的核心零件是發(fā)動機,發(fā)動機的重要組成是曲軸。本次研究通過文獻法,對相關文獻進行歸納和總結,分析汽車發(fā)動機曲軸用鋼研究與開發(fā),對汽車的動力、使用年限和耗油量的相關影響進行探討。汽車的動力提供者是發(fā)動機,常見的家用車的內(nèi)燃機大多數(shù)都是復活塞式,這種內(nèi)燃機的工作原理是實現(xiàn)動能的轉換把化學物質的能量轉化為汽車提供動力的機械能量。本篇文展主要分析了汽車發(fā)動機曲軸原材料的化學成分組成和影響曲軸選擇的因素,加工工藝和處理過程中保溫和冷卻技術的使用,不斷促進我國汽車發(fā)動機的技術革新和汽車領域的發(fā)展。
關鍵詞:汽車發(fā)動機;曲軸用鋼;研
2、究;開發(fā)
引言
近年來,國家對汽車行業(yè)的節(jié)能減排要求的不斷提高,對發(fā)動機節(jié)能減排環(huán)保的技術水平研發(fā)力度也在加大,現(xiàn)在中冷發(fā)動機已占領市場的主導,發(fā)動機曲軸的功率和爆發(fā)壓力在增加的同時對于發(fā)動機的可靠性要求及汽車尾氣的排放要求也在提高,發(fā)動機的改變主要是在曲軸,所以對曲軸的動力性能需求也越來越高,消費者對于汽車的性能要求也越來越高,對于發(fā)動機的復合強度、駕車的安全系數(shù)、汽車重量等方面成為購買汽車的重要考慮方面。曲軸是汽車重要的安全組成零件,在汽車行駛發(fā)生周期性的氣體變化、慣性等因素的共同作用下進行工作,承受巨大的載負力。因此需要曲軸的強度、耐用性及循環(huán)性能均達到相
3、關要求,否則容易造成曲軸老化現(xiàn)象,引起汽車發(fā)動機出現(xiàn)故障。
1汽車發(fā)動機曲軸用鋼研究
曲軸影響著汽車發(fā)動機的性能和發(fā)動機的使用時間。對于汽車來說有一個質量好的曲軸,在汽車運轉中會產(chǎn)生事半功倍的效果,最大的動力負荷和發(fā)動機功率的進行都在曲軸完成,在汽車運行中承擔著跟隨方向指令不斷變化的任務,完成一系列的旋轉和彎曲動作,發(fā)動機的長時間使用,曲軸消耗性的高速運轉會使曲軸發(fā)生磨損。
1.1原材料檢測分析
金屬材料有耐熱耐磨的特點,在汽車產(chǎn)業(yè)有著廣泛應用,金屬材料被制成各種零部件及汽車外用制品,在加工時要保證其強性和穩(wěn)定性不被破壞,對于加工
4、技術的要求越來越高,穩(wěn)定金屬屬性及其化學成分,有利于使保護汽車行駛中的安全,減少發(fā)生安全事故的可能。金屬材料的實際晶粒度在進行熱加工的時候會發(fā)生改變,這與金屬材料的性能有關。因此鋼鐵產(chǎn)品在技術加工時都要求規(guī)定晶粒度的級別,晶粒度也成了檢驗金屬制品的重要檢測項目之一??梢酝ㄟ^實際晶粒度的測定,來判斷金屬材料的質量,熱加工過程中的技術是否正確、晶粒度對汽車的材料性能有十分重要的影響。在工廠生產(chǎn)機械零件處理工藝中,對于汽車行業(yè)使用的材料的晶粒度有規(guī)范的范圍,這也是對機械零件質量測評的重要指標。所以實際晶粒度的加工處理標準被工廠生產(chǎn)者格外重視。
1.2原材料的化學組成
在原材料分析技
5、術條下,對原材料的化學元素都有相應的化學元素成分組成范圍,化學元素的用量超出規(guī)定的范圍對實際的晶粒度會產(chǎn)生較大的影響,所以在不影響鋼的韌性的前提下,增加對可以鋼的強度的化學元素的用量,通常在汽車行業(yè)中使用的金屬化學組成種類較多,這對于與錫、鉛、鋁、錳、鉻等合金元素的結合以及細化晶粒度起到推動作用。對于有害化學元素,要嚴格控制使用率,有的金屬中不可避免會有一些有害化學元素,但數(shù)量不多,長期使用不會造成不利影響;易形成氮化物或氮和碳結合物的元素會將晶粒細化、通過元素置換來提高鋼元素含量,以此提高鋼的韌性,相關研究表明,非調(diào)質鋼中氮元素增加到0.02%左右,有利于和鋼元素交換,對提高鋼的性能,改善鋼
6、的易變形屬性具有重要作用[1]。
1.3原材料的金屬構成
根據(jù)相關法規(guī)規(guī)定對生產(chǎn)出來的零部件進行檢查,其中最主要的是對原材料金屬檢驗標準,按照標準從原材料上采取檢驗樣品,經(jīng)過一系列的檢驗手法在專業(yè)的檢測儀器中,分析零件的組成及使用有毒有害的材料的程度。測定在微鏡下觀察晶粒度情況,按照國家標準對原材料中的金屬構成進行評級,目前對于汽車行業(yè)的金屬材料中晶粒度8級表示晶粒度符合標準。原材料的金屬組織均為網(wǎng)狀鐵元素+珠光元素構成,金屬材料組織在顯微鏡下看見金屬分布均勻,成色較好,化學成分符合標準,表示合格可以用于發(fā)動機曲軸的使用[2]。
2汽車發(fā)動機曲軸
7、用鋼的開發(fā)
國產(chǎn)汽車由原先零配件生產(chǎn)到能夠整車裝配,再到發(fā)動機自主研發(fā)核心技術等實現(xiàn)國產(chǎn)汽車一次又一次的邁向新發(fā)展機遇。中國的汽車市場整體需求量大,對汽車行業(yè)和汽車發(fā)展環(huán)境總體上來說較為積極,國家也出臺購車的相關優(yōu)惠政策,刺激消費者購買力,在國民經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展、節(jié)能環(huán)保排放標準的升級、新能源乘用車制度的實施、互網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展等因素影響下,我國汽車產(chǎn)業(yè)將在高質量發(fā)展的同時在汽車制造上取得更多進展。
2.1加強工藝技術
曲軸鍛造工藝的好壞決定了成品的質量,考驗工作人員的鍛造技術,在設備中停留的時間長短影響著材料的成分組成。主要是原材料通過設備加熱到一
8、定溫度進行鍛打和切邊最后再控溫冷卻,最后成型。在此期間在鍛件鍛造的不同階段工藝加溫溫度是不同的,原材料進入時的溫度是1100-1200攝氏度;初始鍛造溫度是1100-1000攝氏度;最終鍛造溫度1000-900攝氏度;快要結束鍛造時進行控溫加冷卻,控冷線上的溫度≥800攝氏度,采用連續(xù)的控冷方式循環(huán),控冷線下溫度控制在
2.2曲軸扭轉振動的強度試驗
對曲軸的實驗也在不斷的發(fā)展,國內(nèi)外目前比較通用的是轉動的強度實驗,是檢驗曲軸使用壽命的重要實驗。曲軸鍛件通過前期冶煉、鍛造及保溫控冷環(huán)節(jié)和在后期的機加和曲軸強化處理等程序,這樣的發(fā)動機曲軸才能具備較高水平的疲勞極限強度和綜合性能
9、,能更好地符合節(jié)能減排的要求和高爆發(fā)壓力的汽車發(fā)動機對曲軸的強度要求。國內(nèi)目前對曲軸進行壽命考察和實驗的技術發(fā)展速度較慢,相對于國外的技術積累經(jīng)驗少,國外較大型的汽車企業(yè)都會有自己的研發(fā)基地和實驗場地,有自主研發(fā)技術和試驗方法,經(jīng)過多次反復的開發(fā)和實驗,這使得汽車在銷售后發(fā)生發(fā)動機問題的概率小很多,產(chǎn)品的質量得到保障。像汽車行業(yè)中的德國汽車受到廣大消費者的好評的原因是德國汽車企業(yè)多數(shù)都有研發(fā)技術和先進的實驗室進行實驗,對于曲軸疲勞試驗、慣性振動扭轉性試驗的開發(fā)已經(jīng)有多年的發(fā)展,技術已經(jīng)很成熟。我國注重科技的創(chuàng)新,強調(diào)核心技術的自主研發(fā),已經(jīng)在各地建立多個實驗基地,用于技術研發(fā)及實驗。國內(nèi)多所高
10、等院校也開始重視技術的開發(fā),建立實驗室,推動我國汽車行業(yè)的發(fā)展,科技將逐漸是汽車產(chǎn)業(yè)的新的決定因素,我國要加強自主創(chuàng)新技術的研發(fā),使國產(chǎn)汽車的市場占比增加,保障我國的國產(chǎn)汽車與中外合資的品牌汽車具有相同的影響力[4]。
2.3曲軸材料的使用
國家檢測部門對使用的曲軸材料有明確的標準,在出廠前要經(jīng)過嚴格檢測才可以使用,不同部位零件材料選擇有所不同,要鍛造的技術也有不同標準,目前曲軸的使用材料一般是用鍛鋼和球墨鑄鐵,隨著新型材料的開發(fā),壓力鑄造纖維以及鋁合金復合材料在曲軸上的使用,在曲軸材料選擇上種類增多,球鐵使用率在下降,新型材料已經(jīng)可以部分替代球鐵曲軸,小規(guī)模的
11、實驗效果和體驗感覺不錯,但目前的加工工藝和技術還不成熟,還不能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和使用。在曲軸選材上,上文提到的幾種材料都有優(yōu)缺點,根據(jù)其自身特點會有其應用范圍和一定的發(fā)展方向和前景。就性能而言,鍛鋼材料是作為曲軸的最佳原材料,球鐵次之,鋁合金復合材料由于鍛造工藝水平不成熟靠后。雖然鋼的性能最好,但鋼不適用所有的情況,應該根據(jù)實際情況從各方面綜合考慮材料的選擇,比如性價比、質量、使用年限、韌度等。球鐵之所以被廣泛應用,原因是造價低性能位于平均水平,均衡考慮為最佳選項。目前中低功率鍛鋼制造的發(fā)動機曲軸正在被逐漸替代,鍛鋼由于性能好是最大優(yōu)點,是現(xiàn)在大功率和有增壓需求的發(fā)動機曲軸首選材料,鍛鋼也有很多
12、種,比如:調(diào)質鋼容易變形而且是大能量損耗。非調(diào)質鋼復合金替代調(diào)質鋼鍛造的曲軸仍是未來的主要發(fā)展方向,所以汽車發(fā)動機曲軸材料的選擇要綜合考量,在滿足使用性能的同時要考慮成本、節(jié)能減排,汽車重量等因素來選擇材料。
2.4鍛造保溫和冷卻技術
在制成成品后期保溫及冷卻時需要精準的把控,才能保證制成后產(chǎn)品在多次檢驗中符合標準??梢哉f鍛造保溫和冷卻是生產(chǎn)中最關鍵部分,需要有一定工作經(jīng)驗的人員才能把控鍛造的時間及冷卻溫度。在鍛造時的保溫時間十分重要,曲軸保溫時間越長會在此階段使晶粒長的越大。目前鍛造加熱的工藝已經(jīng)出現(xiàn)部分改革,在中頻加熱時按照新標準要求鍛造快速地完成,但是整體
13、加熱方法仍沿用以前加熱方法,原材料進入加熱爐中,按照過去的方法在高溫環(huán)境內(nèi)停留時間過長,鍛件在高溫條件下停留時間越長,鍛件的晶粒也就越長,這也是鍛件晶粒大的重要影響因素。鍛件最后階段會采用控溫冷卻方式,使鍛件控溫冷卻成型后進行入口,此時監(jiān)測溫度約為900攝氏度上下浮動,實際控制過線時間是45min,在出口傳送處零件溫度大約為210攝氏度左右,通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)鍛件進入控溫口監(jiān)測溫度比冷卻后在出口傳送處的溫度偏高,這是因為鍛件在控溫冷卻生產(chǎn)線長,冷卻速速慢,導致制作過程中晶粒也變大。
3結語
本篇文章通過對汽車發(fā)動機曲軸用鋼研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動機曲軸的原材料使用和成分分析,
14、影響曲軸性能的化學元素。在以后的開發(fā)中要在提高技術水平、加大科研力度等方面努力。中國汽車工業(yè)相比于國外起步較晚,上個世紀主要發(fā)展軍用車輛。在家用車方面,起步還要晚于軍用車。在我國汽車銷售市場中,合資和進口車成為國內(nèi)汽車需求市場的主力。我國汽車品牌和國外汽車企業(yè)合作,是市場需求大的合資品牌。我國也意識到自主研發(fā)、核心技術的重要性,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,國產(chǎn)品牌汽車產(chǎn)業(yè)開始蓬勃發(fā)展,進入到汽車發(fā)展新時代。望此次研究能夠被當代學者關注,并且在此基礎上進行創(chuàng)新應用,為我國汽車發(fā)動機曲軸用鋼方面的理論研究和實際應用獻出綿薄之力。
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