汽车汽油发动材料选择及工艺

汽车汽油发动机构造简单分析工业设计0107林旺0107106108首先分析一下汽车的结构发动机：现代汽车广泛采用活塞式内燃机，为汽车提供动力。底盘：汽车底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系等四大系统组成车身：安置驾驶员、乘客或货物。客车和轿车是整体车身；普通货车车身由驾驶室和货箱组成。电器：包括汽车电源、配电装置、全车电缆、用电器设备、计算机控制系统等轿车总体结构发动机的位置汽油发动机的造型特点汽油发动机的造型最常见的是按照发动机的排列及缸数进行分类，有W型12缸发动机、V型12缸发动机、W型8缸发动机、V型8缸发动机、对置6缸发动机、V型6缸发动机、直列5缸发动机和直列4缸发动机。

W型12缸发动机

V型12缸发动机W型8缸发动机

V型8缸发动机对置6缸发动机

V型6缸发动机

直列5缸发动机

直列4缸发动机

汽油发动机工作原理

简单讲发动机就是一个能量转换机构，即将汽油的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀时，推动活塞作功，转变为机械能汽油发动机分为四冲程和二冲程汽油机，它们总的工作原理包含了进气、压缩、做功、排气四个工作循环下面简单分析一下四冲程和二冲程汽油机的工作原理图1-32二冲程汽油机的工作原理图第一冲程时活塞上方进行扫气、压缩，活塞下方进气。第二冲程时活塞上方作功、扫气，活塞下方预压混合气。扫气过程跨越二个冲程。二冲程汽油机的工作原理图1-35单缸四冲程汽油机的工作原理图四冲程汽油机的工作循环是由进气、压缩、作功和排气四个冲程所组成的。进气冲程。活塞由曲轴带动从上止点向下止点运动，此时，排气门关闭，进气门开启。压缩冲程。活塞在曲轴带动下，从下止点向上止点运动当活塞接近上止点时，火花塞跳火，点燃可燃混合气。作功冲程。被点燃的混合气，迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升高而膨胀，从而推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转作功。排气冲程。在作功冲程接近终了时，排气门打开，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动。废气在自身压力和在活塞推动下，被排出汽缸。当活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。四冲程汽油机的工作原理汽油发动机结构组成

汽油机通常由曲柄连杆、配气两大机构和燃料供给、润滑、冷却、点火、起动和计算机控制系统六大系统组成。汽油机重要零件结构如下图所示。汽油发动机组成与材料分析第一曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是由活塞连杆组、机体组和曲轴飞轮组三部分组成的其作用是将燃料燃烧所产生的能量转化为动能从而对外输出动力(其图如下)曲柄连杆机构

一、活塞连杆组材料要求：刚度高，尤其是大头要有足够的刚度；疲劳强度要求，防止断裂；轻巧，减小惯性力适合材料连杆体、连杆盖：优质中碳钢和中碳合金钢，如45、42CrMo、40MnB

连杆螺栓：优质合金钢，如40Cr、35CrMo

活塞连杆组主要受到压缩、拉伸和弯曲交变载荷

汽油发动机组成与材料分析二（1）汽缸体承受气缸内气体压力和曲柄连杆机构运动产生的惯性力所造成的拉伸载荷、纵向弯曲载荷，受力复杂。同时，气缸与高温燃气接触，工作面热负荷高，摩擦磨损问题严重。

汽缸体材料要求：要有足够的刚度，热负荷高的部位要进行适当的冷却与各运动部件构成，摩擦副的部位，要有很好的耐磨和减磨性能目前常用的材料有1、铸铁材料：为提高其强度和耐磨性，加入少量的合金元素，如：镍、铬等

2、铝合金：质量轻，导热性好

机体组又分为汽缸体、汽缸盖、汽缸盖与汽缸衬垫、油底壳、机体组机体组的零件（2）汽缸盖

气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时，还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。为保证良好密封，气缸盖既不能损坏，也不能变形。为此，气缸盖要有足够的强度和刚度。为使温度分布均匀，冷却要良好

气缸盖的材料要求

由以上功能分析可得要求材料导热性好、机械强度和热强度高、铸造性能好。气缸盖气缸盖材料一般采用铝合金、灰铸铁、合金铸铁等

汽油发动机组成与材料分析材料一般为薄钢板冲压而成

（3）气缸盖罩起封闭及防尘作用（4）气缸衬垫保持气缸密封不漏气，保持由机体流向气缸盖的冷却液和机油不泄漏。

材料要求：要有足够的强度；要耐压、耐热、耐腐蚀；要有弹性，补偿机体顶面和缸盖底面的粗糙度和不平。材料一般为金属－石棉衬垫、金属－复合材料衬垫、全金属衬垫（5）油底壳储存机油和封闭机体或曲轴箱。

材料一般用薄钢片冲压而成，或者用铝合金铸造而成，为了加强散热，通常铸有散热片，曲轴箱中部和后部通常做的深一些，内部有隔板，防治大量泡沫的产生，下部有放油螺塞。汽油发动机组成与材料分析三、曲轴飞轮组（1）曲轴曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷。因此，曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴径应有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴径的润滑应该充分

曲轴飞轮组又分为曲轴、曲轴前后端油封、飞轮、曲轴轴承

材料一般由45、40Cr、35Mn2等中碳钢和中碳合金钢模锻而成，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，最后进行精加工曲轴飞轮组汽油发动机组成与材料分析（2）曲轴前后端油封曲轴前端借助甩油盘和橡胶油封实现密封曲轴后端的密封采用与曲轴前端一样的自紧式橡胶油封多用灰铸铁制造，也有球墨铸铁或铸钢

（3）飞轮与曲轴一起进行动平衡，用定位销将飞轮紧固

（4）曲轴轴承承受交变载荷和高速摩擦，因此轴承材料必须具有足够的抗疲劳强度，而且要摩擦小、耐磨损和耐腐蚀由上下两片轴瓦对合而成。每一片轴瓦都是由钢背和减磨合金层或钢背、减磨合金层和软镀层构成，在轴承和轴颈间会形成很薄的润滑油膜，能承受很大的负荷汽油发动机组成与材料分析汽油发动机组成与材料分析第二配气机构配气机构由气门、气门弹簧、挺住、凸轮轴和正时齿轮等组成其作用是按时打开和关闭气门或气口，使新鲜气体或燃料及时充入汽缸，并使燃烧后的废气及时排出汽缸配气机构（1）气门

气门工作温度很高（进气门：300~400℃，排气门：600~800℃），承受气缸压力、弹簧力、传动组零件惯性力，冷却和润滑条件差、易受腐蚀

材料要求足够的强度刚度、耐热、耐磨能力

进气门：合金钢(铬钢或镍铬钢)

排气门：耐热合金钢(硅铬钢)

汽油发动机组成与材料分析（2）气门弹簧

承受交变载荷应具有合适的刚度和足够的抗疲劳强度避免弹簧锈蚀两端面必须磨光并与轴线垂直

（5）正时齿轮为50Cr或QT600-3现在一般采用优质冷拔弹簧钢丝如高碳锰钢、铬钒钢等并经热处理，钢丝表面抛光处理，表面镀锌、磷化

（3）挺柱

摩擦和磨损都相当严重，承受凸轮侧向力而偏磨

挺柱工作面应耐磨损并得到良好润滑，碳钢、合金钢镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁（4）凸轮轴材料是碳钢，一般是45号汽油发动机组成与材料分析汽油发动机组成与材料分析第三燃料供给系主要由汽油箱、汽油泵、喷油泵、喷油器进排气管和排气消声器等组成其作用是向汽缸内供给纯空气，并根据发动机的工作需要，按时向缸内喷入定量柴油，以调节发动机输出功率和转速，最后，将燃烧后的废气排出汽缸燃料供给系（1）汽油箱（2）汽油泵

连接炭罐，避免燃油蒸汽外泄污染环境及浪费能源通常由耐油硬塑料制成，装有油量传感器

将汽油从汽油箱吸出，经油管和汽油滤清器泵入化油器浮子室

（3）喷油泵一定数量和压力的汽油经过喷油器直接喷入气缸或进气岐管

（4）喷油器进排气管汽油经过路径（5）排气消声器减弱汽油传动过程中所发出的声音汽油发动机组成与材料分析汽油发动机组成与材料分析第四冷却系：冷却系有水冷式和风冷式两种，现代汽车大都采用水冷式，其由水泵、散热器、风扇、分水管、节温器和水套(在机体内)等组成作用是利用冷却水冷却高温零件，并通过散热器将热量散发到大气中去，保证发动机正常的工作温度冷却系(1)水泵对冷却水加压，强制冷却水流动

包含水泵体、水泵盖、叶轮、水泵轴、轴承、水封

（2）散热器将冷却水的热量散入大气

其内部零件包含铸铁,钢制、铝合金、铜铝复合而成等（3）风扇进散热器的通风，提高散热器的热交换能力

与水泵同轴，由叶片和连接板组成叶尖前弯、尖窄根宽、尼龙压铸整体风扇组成风扇的材料有很多，国内一般用玻纤(GF)增强PP（4）分水管冷却液疏通水道

一般由橡胶和胶线合成汽油发动机组成与材料分析汽油发动机组成与材料分析第五润滑系

润滑系由机油泵、润滑油道、集滤器、机油滤清器、限压阀、油底壳等组成作用是将润滑油送到各摩擦零件的表面，形成油膜，以减小摩擦力，减缓机件磨损，并清洗、冷却摩擦表面，从而延长发动机使用寿命润滑系润滑油道40Cr，调质硬度为21-28HRC。集滤器芯端盖有金属或聚氨脂的

外壳材料为金属或塑料油底壳聚酰胺玻璃纤维增强尼龙工程材料

汽油发动机组成与材料分析第六点火系

汽油机传统点火系由电源(蓄电池和发电机)、点火线圈、分电器和火花塞等组成作用是按时提供电火花，点燃缸内的可燃混合气点火系点火线圈铁芯用0.3毫米左右的硅钢片叠成，铁芯上绕有次级与初级线圈分电器分电器盖、壳体、分电器斜齿轮、分电器轴、离心式调节器、真空式调节器、断电器、电容器、分火头、点火凸轮火花塞由绝缘体(如橡胶）镍锰合金制成汽油发动机组成与材料分析第七起动系

汽车起动系主要由起动机和起

动控制电路所组成作用是带动飞轮旋转，使发动机获得必要的动能和起动转速，使发动机从静止转入自行运转状态起动机:其转轴为材料45#钢起动系案例分析之连杆零件

发动机内最主要的运动部件就是曲轴、活塞和连杆。活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆等主要机件组成，如图所示,连杆零件作为活塞连杆组的一部分起着重要的作用活塞连杆组连杆零件的结构分析3、连杆零件以上端的小头连接活塞销，以下端的大头连接曲轴1、连杆由小头、杆身、大头（包括连杆盖、连杆螺丝和连杆轴承）等部分组成由右图可知2、主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接

连杆零件的工作原理分析连杆零件的工作图连杆可将活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。它正像骑自行车时大腿的运动状态那样（如右图）运动过程受力分析1、主要受到压缩、拉伸和弯曲交变载荷2、最大压缩载荷出现在做功行程上止点附近，最大拉伸载荷出现在进气行程上止点附近3、在压缩载荷和连杆组作平面运动下产生的横向惯性力4、连杆受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用5、连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力连杆零件的工作原理分析连杆零件的工作图解析功能

材料要求1、在压缩载荷和连杆组作平面运动时产生的横向惯性力的共同作用下，连杆体可能发生弯曲变形，故材料应具有抗弯曲的能力，否则杆身弯由会造成气缸漏气、窜油等现象2、连杆零件工作时受到压缩、拉伸和弯曲的周期性变化的力量所以要求材料质量尽可能小，而又足够的刚度和强度3、如果刚度不够会造成大头孔失圆4、运动过程会有摩擦所以材料要光滑，否则轴瓦润滑不良而烧毁连杆零件的材料分析连杆杆身的材料解决方案由以上分析可知杆身材料要求刚度高，尤其是大头要有足够的刚度；疲劳强度要求，防止断裂；轻巧，减小惯性力，要求具有足够的韧性

推荐材料：传统上杆体、连杆盖采用优质中碳钢和中碳合金钢，如45、42CrMo、40MnB杆身断面为工字形，刚度大，质量轻，适于模锻

杆身推荐材料的特点比对材料名称成分特性适用领域42CrMoC：0.38～0.45Si：0.17～0.37Mn：0.50～0.80S：允许残余含量≤0.035P：允许残余含量≤0.035Cr：0.90～1.20Ni：允许残余含量≤0.030Cu：允许残余含量≤0.030Mo：0.15～0.25抗拉强度σb(MPa)：≥1080(110)屈服强度σs(MPa)：≥930(95)伸长率δ5(％)：≥12断面收缩率ψ(％)：≥45冲击功Akv(J)：≥63

冲击韧性值αkv(J/cm2)：≥78(8)硬度：≤217HB

用于制造要求较钢强度较高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹

40MnBC：0.37～0.44

%Si：0.17～0.37%

Mn：1.10～1.40

%

B：0.0005～0.0035%

具有较高的强度、硬度、耐磨性及良好的韧性，可切削性良好，冷拔、滚丝、攻丝和锻造、热处理工艺性能也都较好

制作中、小截面的调质零件，如汽车半轴、转向轴、蜗杆、花键轴和机床主轴、齿轮

45C：

0.42~0.50%Si：

0.17~0.37%Mn：

0.50~0.80%Cr：<=0.25%

优质碳素结构,硬度不高易切削加工，抗拉强度600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16％，断面收缩率为40％，冲击功为39J

常用来做模板,梢子,导柱等

精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）

材料间的工艺特性对比先由42CrMo合金钢模锻而成，为提高疲劳强度，表面进行了喷丸处理，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度

先调质淬火得到马氏体组织，为保证回火后钢的力学性能，再规定杆身淬火硬度应大于45HRC，高温回火后得到回火索氏体，硬度37～44HRC(341～415HB)．

调质淬火加热温度高于Ac3以上30～50℃，保温一段时间以超过临界冷却速度骤冷下来，使奥氏体转变成马氏体．高频淬火后的硬度达到HRC60左右，采用水作冷却介质表面硬度可达60HBC以上，因为高频淬火的特性是瞬间表面淬火，所以比一般的淬火方式要高几度，而且45钢这材料采用水作冷却介质也不易出现裂纹．42CrMo40MnB杆身材料45实例解决

135型连杆材料为45钢，经淬火及高温回火处理，微观组织为回火索氏体组织由于其形状复杂而不规则,孔本身及孔与平面之间的位置精度一般要求较高,杆身断面不大,刚度较差,易变形和断裂135G型连杆断裂失效分析实例

135G型连杆图1是连杆断裂处的宏观形貌，可看到有两个断口，用箭头1和2表示。在断口1区观察到疲劳辉纹如图2和图3所示。在断口2区亦能观察到疲劳辉纹如图4和图5所示

图象说明：连杆断口有二处，一处是在连杆的外径和连杆柄交界处，如图中箭头1所示；第二个断口是在连杆主轴承孔与油孔交界处，如箭头2所示。在两个断口表面上均可观察到贝壳状条纹，并且在裂源处加工粗糙易产生应力集中现象。

图1图象说明：断口（1）复型电子微观形貌特征——具有明显的疲劳辉纹，这证实断裂为疲劳断裂。断口（1）图象说明：连杆断口有二处，一处是在连杆的外径和连杆柄交界处，如图中箭头1所示；第二个断口是在连杆主轴承孔与油孔交界处，在两个断口表面上均可观察到贝壳状条纹，并且在裂源处加工粗糙易产生应力集中现象。

图2

图3断口（2）图象说明：断口（2）复型电子微观形貌特征——疲劳辉纹，它表明断口（2）亦是疲劳断裂。图象说明：在断口（2）另一部位的复型电子微观形貌特征——疲劳辉纹。图4图5结论从宏观及微观分析可断定，此连杆断裂是由于加工粗糙而引起的疲劳断裂。杆身加工工艺加工的工艺流程是：拉大小头两端面——粗磨大小头两端面→拉连杆大小头侧定位面→拉连杆盖两端面及杆两端面倒角→拉小头两斜面→粗拉螺栓座面，拉配对打字面、去重凸台面及盖定位侧面→粗镗杆身下半圆、倒角及小头孔→粗镗杆身上半圆、小头孔及大小头孔倒角→清洗零件→零件探伤、退磁→精铣螺栓座面及R5圆弧→铣断杆、盖→小头孔两斜端面上倒角→精磨连杆杆身两端面→加工螺栓孔→拉杆、盖结合面及倒角→去配对杆盖毛刺→清洗配对杆盖→检测配对杆盖结合面精度→人工装配→扭紧螺栓→打印杆盖配对标记号→粗镗大头孔及两侧倒角→半精镗大头孔及精镗小头衬套底孔→检查大头孔及精镗小头衬套底孔精度→压入小头孔衬套→称重去重→精镗大头孔、小头衬套孔→清洗→最终检查→成品防锈

2、连杆小头两端面由斜面和一段窄平面组成

3、带止口斜结合面

1、连杆体和盖厚度不一样特点：推测工艺流程解决方案135G型连杆零件图

主要技术要求技术要求项目

具体要求或数值

满足的主要性能

大、小头孔精度

尺寸公差等级IT7～IT6圆度、圆柱度0.004～0.006mm

保证与轴瓦的良好配合

两孔中心距

0.03～0.05mm气缸的压缩比

两孔轴线在两个互相垂直方向上的平行度

在连杆轴线平面内的平行度为0.02～0.04：100在垂直连杆轴线平面内的平行度为0.04～0.06：100

使气缸壁磨损均匀和曲轴颈边缘减少磨损

大头孔两端面对其轴线的垂直度

(100：0.1）减少曲轴颈边缘的磨损

两螺孔（定位孔）的位置精度

在两个垂直方向上的平行度为0.02～0.04：100对结合面的垂直度为0.1～0.2：100

保证正常承载能力和大头孔轴瓦与曲轴颈的良好配合

连杆组内各连杆的质量差

2%保证运转平稳

加工流程加工流程1、材料与毛坯材料选用45号钢，其特性在前面已谈到钢制连杆都用模锻制造毛坯。连杆毛坯的锻造工艺有两种方案:连杆体和盖分开锻造;连杆体和盖整体锻造。从锻造后材料的组织来看,分开锻造的连杆盖金属纤维是连续的(如图a所示),因此具有较高的强度;而整体锻造的连杆,铣切后,连杆盖的金属纤维是断裂的(如图b所示),因而削弱了强度。但整体锻造可以提高材料利用率,减少结合面的加工余量,加工时装夹也较方便。整体锻造只需要一套锻模,一次便可锻成,有利于组织和管理生产。金属纤维组织

2、加工工艺过程该型连杆的生产属于大批量生产,采用流水线加工,机床按连杆的机械加工工艺过程连续排列,设备多为专用机床连杆体

连杆盖

工序号

工序内容

定位基准

工序号

工序内容

定位基准机床设备

1模锻

1模锻

2调质

2调质

3磁性探伤

3磁性探伤

4粗、精铣两平面

大头孔壁小头外廓端面

4粗、精铣两平面

端接合面

立式双头回转铣床

5磨两平面

端面

5磨两平面

立轴圆台平面磨床6钻、扩、铰小头孔、孔口倒角

大、小头端面，小头外廓工艺凸台

立式五工位机床

7粗、精铣工艺凸台及结合面

大、小头端面，小头孔，大头孔

6粗、精铣结合面

立式双头回转铣床

8连杆体两件粗镗大头孔，倒角

大、小头端面，小头孔，工艺凸台

7连杆盖两件粗镗孔，倒角

卧式三工位机床

9磨结合面

大、小头端面，小头孔，工艺凸台

8磨结合面

立轴矩台面磨床

10钻、攻螺纹孔，钻、铰定位孔

小头孔及端面工艺凸台

9钻、扩沉头孔，卧式五工位机床

11精镗定位孔

定位孔结合面

10精镗定位孔

12清洗

11清洗

加工工艺过程分析1)定位基准的选择连杆加工工艺过程的大部分工序都采用统一的定位基准:一个端面、小头孔及工艺凸台。这样有利于保证连杆的加工精度,而且端面的面积大,定位也比较稳定。由于连杆的外形不规则,为了定位需要,在连杆体大头处作出工艺凸台,作为辅助基准面。连杆大、小头端面对称分布在杆身的两侧,由于大、小头孔厚度不等,大头端面与同侧小头端面不在一个平面上,用这样的不等高面作定位基准,必然会产生定位误差。制订工艺时,可先把大、小头作成一样厚度,这样就可避免上述缺点,而且由于定位面积加大,使得定位更加可靠,直到加工的最后