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双缸柴油机曲轴全流程材料设计与性能分析
本课程设计围绕双缸柴油机曲轴展开，选用18Cr2Ni4W钢作为材料。通过对曲轴的工况分析明确其性能需求，依据材料特性和相关理论进行成分设计，并制定详细的热处理工艺。同时，对热处理过程中的风险进行控制，规划组织结构分析和性能测试方案。研究结果表明，合理的材料设计与工艺选择能使18Cr2Ni4W钢满足曲轴的使用要求，为柴油机曲轴的制造提供了有效的技术支持，对提高曲轴质量和性能具有重要意义。
一、引言
柴油机作为一种重要的动力设备，广泛应用于工业、农业、交通运输等领域。曲轴作为柴油机的关键部件，其性能直接影响柴油机的可靠性和使用寿命。双缸柴油机曲轴在工作过程中承受着复杂的载荷，对材料的强度、韧性、耐磨性等性能提出了很高的要求。18Cr2Ni4W钢具有高强度、高韧性、良好的淬透性和耐腐蚀性能，在航空齿轮、航天发动机等关键设备中已有应用，是制造双缸柴油机曲轴的理想材料之一。本课程设计旨在通过对双缸柴油机曲轴进行全流程材料设计与性能分析，确定18Cr2Ni4W钢的最佳使用方案，为曲轴的生产制造提供理论依据和技术支持。
二、工件选择与工况分析
2.1工作环境分析
柴油机工作时，曲轴所处的环境温度较高，一般在100-300℃之间。在高温环境下，曲轴材料的力学性能会发生变化，如强度和硬度下降、塑性增加等，这就要求曲轴材料具有良好的热稳定性，以保证在高温环境下仍能正常工作。为了减少曲轴在旋转过程中的摩擦和磨损，需要良好的润滑条件。通常，柴油机采用机油进行润滑，曲轴在机油的润滑下工作。但在实际工作中，可能会出现机油不足、机油污染等情况，这会影响润滑效果，导致曲轴磨损加剧。因此，曲轴材料需要具有一定的耐磨损性能和抗腐蚀性能，以适应不同的润滑条件。
2.2曲轴尺寸设计
双缸柴油机曲轴是将活塞的往复运动转换为旋转运动的关键部件。在柴油机工作过程中，活塞通过连杆与曲轴相连，活塞在气缸内的往复运动推动连杆，进而使曲轴产生旋转运动。曲轴在旋转过程中，周期性地承受着气体压力、惯性力、摩擦力等多种载荷的作用。通过CAD绘制了曲轴零件图如图1所示。曲轴为一体成型，又根据零件图利用UG绘制了双缸柴油机曲轴的三维立体图（如图2所示）。
图1双缸曲轴零件图
图2双缸曲轴
2.3受力状态分析
曲轴在旋转过程中，各部分承受着周期性变化的弯曲应力和扭转应力。由于活塞的往复运动，曲轴的曲柄销和主轴颈部位会受到交变的弯曲载荷，导致这些部位容易出现疲劳裂纹。同时，曲轴在传递扭矩时，还会承受扭转应力，这种交变的扭转应力也会对曲轴的疲劳性能产生影响。在柴油机启动、停止以及工作过程中的负荷突变时，曲轴会受到冲击载荷的作用。在启动瞬间，曲轴需要克服静止状态的惯性，承受较大的冲击；在负荷突变时，如突然增加或减少负载，曲轴也会受到瞬间的冲击，这对曲轴的强度和韧性是极大的考验。通过UG软件对设计的曲轴进行简单应力分析，通过静力仿真模型进行网格的划分和固定约束然后新建载荷，施加50N·m的扭矩和一些静压力,结果发现在该扭矩内该材料应满足要求。通过UG应力模拟仿真如图3所示。
图3曲轴应力分析
2.4失效形式分析
由于曲轴长期承受交变应力的作用，疲劳断裂是其主要的失效形式之一。疲劳裂纹通常起源于曲轴的应力集中部位，如曲柄销与主轴颈的过渡圆角处、油孔周围等。随着裂纹的逐渐扩展，最终导致曲轴断裂。曲轴在工作过程中，与连杆大头、轴承等部件之间存在相对运动，容易产生磨损。磨损会导致曲轴的尺寸精度下降，影响柴油机的性能和可靠性。润滑不良、杂质混入等因素会加剧曲轴的磨损。
三、材料成分设计与依据说明
3.118Cr2Ni4W钢成分分析
18Cr2Ni4W钢的化学成分主要包括碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钨（W）等元素，各元素的含量范围为：C：0.13-0.19、Si：0.17-0.37、Mn：0.30-0.60、Cr：1.35-1.65、Ni：4.00-4.50、W：0.80-1.20。碳是影响钢强度和硬度的重要元素，18Cr2Ni4W钢中碳含量相对较低，有助于保证钢的心部韧性。铬、镍、钨等合金元素的添加，显著提高了钢的淬透性、强度和韧性。其中，铬能提高钢的耐腐蚀性和抗氧化性，还可增加钢的硬度和强度；镍能提高钢的韧性，使其在低温环境下也能保持良好的性能；钨能提高钢的硬度和耐磨性，增强钢在高温下的热稳定性。
表118Cr2Ni4W钢化学成分
元素
C
Si
Mn
Cr
Ni
W
S
P
Cu
质量分数（%）
0.13~0.19
0.17~0.37
0.30~0.60
1.35~1.65
4.00~4.50
0.80~0.12
≤0.025
≤0.02