曲轴驱动轴头磨损问题分析及改进

王红丽，郝勇刚，孙皓奇，王剑豪

（中国北方发动机研究所，天津 300400）

0 引言

内燃机的轻量化，可以减低燃油消耗、减少尾气排放，尤其是在汽车和发动机行业，高功率密度发动机的轻量化设计尤其重要。发动机的轻量化设计带来的利益会直接反映在数以万计的发动机产品的原材料消耗方面，进而体现在企业生产成本。对于载重运输用车辆来说，发动机轻量化设计所带来的整车质量降低会直接转化为车辆载重能力的增加。发动机轻量化设计无疑会增强企业及产品在市场中的竞争力。内燃机轻量化技术包括轻量化材料使用和结构优化设计两大内容。

某直列三缸发动机，为了提高功重比、实现轻量化设计，采用结构优化技术，为了减少传动系零件，机油泵由曲轴轴端键槽直接驱动，这种结构可以减少一个传动齿轮及其支撑零部件，有效减少发动机质量。但由于机油泵安装在传动板上，存在定位加工误差，实际安装机油泵与曲轴同轴度超差，在台架试验中出现了曲轴驱动端轴头键槽和机油泵键偏磨问题，后者插入曲轴轴端键槽内（图1）。为保证机油泵正常工作，键和键槽接触面润滑良好无磨损，需要对轴端驱动结构进行优化设计[1]。

图1 机油泵与曲轴安装图

1 轴端磨损问题及分析

某直列三缸发动机，功率75 kW，转速4000 r/min，缸径80 mm。在50 h 整机性能试验过程中，拆机检查时多次出现曲轴驱动轴端键槽磨损，键槽承力面出现深坑，轴端颜色发蓝、温度过高，轴端磨损现象（图2）；机油泵轴平键磨损严重，承力面出现深槽，平键磨损现象（图3）。经过多次试验总结并结合传动板测量数据，分析磨损原因为：传动板上油泵安装位置超差，导致机油泵轴与曲轴同轴度也超差，机油泵轴与曲轴安装时不同心；由于厂家加工能力限制、无法提高加工质量，同轴度达不到稳定试验驱动需求。

图2 曲轴驱动轴端磨损

图3 机油泵轴磨损

2 轴头结构优化

为了使机油泵可靠工作，在无法提高传动板加工质量的条件下，对曲轴驱动端轴头进行优化，设计了一种浮动式双U 形槽轴头。轴头两侧设计互相垂直的U 形槽，与曲轴连接段端为开口式U 形槽，与机油泵泵轴连接端为封闭式U 形槽，每个U 形槽宽度设计加公差，相应的平键设计减公差（图4）。同时切割掉曲轴轴端线相应长度，仅保留驱动平键，保证安装浮动式双U 形槽轴头后轴端驱动长度、原轴端键槽位置和深度保持不变。轴头一端U 形槽与轴端平键间隙配合，轴头另一端U 形槽与机油泵轴平键间隙配合，浮动式轴头能够有效调整机油泵与曲轴的同轴度[2]，将同轴度范围从Φ0.1～0.2 mm 调整到Φ0.2～0.4 mm，足够覆盖掉传动板的定位加工误差。浮动式轴头材料选用和曲轴相同的材料42CrMo钢[3]，调质处理后的具体装配参数见表1，与曲轴和机油泵的装配关系模型见图5。

表1 浮动式轴头装配参数 mm

图4 优化后的浮动式双U 形槽轴头

图5 优化后浮动式轴头与曲轴机油泵安装图

3 优化后轴头有限元分析

为了了解优化后双U 形槽轴头的应力和变形情况，采用ANSYS-Workbench 有限元计算软件对装配后的曲轴和轴头进行有限元计算分析。轴头按实际工作状态安装，轴头驱动受力情况与曲轴远端没有关系，本次计算仅保留驱动端轴段。有限元模型的所有实体部分，均采用十节点四面体单元，单元长度为4 mm（图6）。

图6 曲轴和轴头装配有限元网格模型

根据浮动轴头的实际工作状况，浮动轴头连接曲轴键槽开口较大，连接机油泵轴端开口小且为闭合槽，在相同驱动力矩下，开口较大的键槽较危险，所以优先考察开口键槽。在有限元模型中，轴头键槽和曲轴平键设置面接触，润滑系数设置为0.15；在曲轴主轴颈端面设置固定约束，在浮动式轴头机油泵端设置驱动力矩，考虑到驱动的冲击性和安全可靠性，施加驱动力矩为机油泵工作力矩的10 倍（图7）。

图7 有限元仿真力矩加载

通过有限元仿真计算得出优化后轴头的最大主应力云图与变形云图（图8～图9）。其中，最大主应力出现在轴头开口键槽圆角处、为278.2 MPa，小于材料的屈服极限930 MPa，开口键槽并未屈服；采用Goodman 平均应力修正方法计算安全系数，安全系数为2.47（大于设计要求的1.5 倍），轴头设计安全可靠；最大变形0.027 mm，仅为设计配合间隙的27%，对驱动冲击影响可以忽略。

图8 浮动式轴头最大主应力云图

图9 浮动式轴头变形云图

4 问题解决

经过对双U 形槽轴头优化设计并加工样件，在后续的台架试验中安装验证，浮动式轴头有效地调整了机油泵与曲轴的不同轴度。台架试验后的轴头键槽表面光滑，仅有轻微变色，未出现磨损现象（图10）。该样机顺利通过50 h 考核试验。

图10 试验后轴头

5 总结

针对某直列三缸发动机多次出现的曲轴驱动机油泵端轴头键与键槽的磨损问题，分析原因为机油泵轴与曲轴安装同轴度超差，采用对曲轴输出端结构进行优化设计的方法，将曲轴驱动端优化为浮动式双U 形槽轴头结构，优化后的轴端轴向尺寸和键槽尺寸保持不变，能将机油泵轴与曲轴的不同轴度提高至Φ0.2～0.4 mm，足够覆盖掉传动板的定位加工误差，解决驱动轴头的磨损问题。该直列三缸发动机在经过50 h 台架试验，在发动机转速4000 r/min、扭矩186 N·m 工况条件下，功率达到75 kW，轴头未出现磨损现象，顺利完成试验任务。