轴材料及性能分析：曲轴和凸轮轴的工作条件和材料特点

1.轴的材料

轴的材料种类很多，选用时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和高强度铸铁。

（1）钢

轴的常用材料是优质碳素钢35、45、50，最常用的是45和40Cr钢。对于受载较小或不太重要的轴，也常用Q235或Q275等普通碳素钢。对于受力较大、轴的尺寸和重量受到限制，及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。

（2）铸铁

球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。特别是我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件，如曲轴等。

2.轴的加工处理

（1）轴的加工方法

轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小时，可用圆钢棒制造；对于重要的、大直径或阶梯直径变化较大的轴，多采用锻件。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。

（2）轴的处理

根据工作条件要求，轴都要整体进行热处理，一般是调质，对不重要的轴采用正火处理。对要求高或要求耐磨的轴或轴段要进行表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、滚压等）和化学处理（如渗碳、渗氮、氮化等），以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。

知识拓展

一、曲轴

1.曲轴

曲轴是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，结构如图7-1-4所示。曲轴有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。

为减小曲轴质量及运动时所产生的离心力，曲轴轴颈往往做成中空的。在每个轴颈表面上都开有油孔，如图7-1-5所示，以便将机油引入或引出，用以润滑轴颈表面。为减少应力集中，主轴颈、曲柄销与曲柄臂的连接处都采用过渡圆弧连接。

图7-1-4　曲轴

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图7-1-5　曲轴油孔

2.曲轴平衡重

曲轴平衡重，也称为配重。如图7-1-6所示。作用是为了平衡旋转离心力及其力矩，有时也可平衡往复惯性力及其力矩。当这些力和力矩自身达到平衡时，平衡重还可用来减轻主轴承的负荷。平衡重的数目、尺寸和安置位置要根据发动机的气缸数、气缸排列形式及曲轴形状等因素来考虑。平衡重一般与曲轴铸造或锻造成一体，大功率柴油机平衡重与曲轴分开制造，然后用螺栓连接在一起。

图7-1-6　曲轴平衡重

3.加工技术

曲轴粗加工广泛采用数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工。此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速度等功能要求，以保证磨削质量的稳定。高精设备依赖进口的现状，估计短期内不会改变。

二、凸轮轴

1.作用与构造

凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。凸轮轴的作用是使各气门按各缸的工作顺序和配气相位即时地开启和关闭，并保证气门有足够的升程，有些汽油机还用它来驱动汽油泵、机油泵和分电器。凸轮轴由曲轴的正时皮带或链条带动，如图7-1-7所示。

凸轮轴的主体是一根与气缸组长度近似相同的圆柱形棒体，侧面呈鸡蛋形，如图7-1-8所示。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。

图7-1-7　凸轮轴传动方式

图7-1-8　凸轮轴形状

2.工作条件及材料

凸轮轴承受周期性的冲击载荷。凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此凸轮工作表面的磨损比较严重。针对这种情况，凸轮轴轴颈和凸轮工作表面除了应有较高的尺寸精度、较小的表面粗糙度和足够的刚度外，还应有较高的耐磨性和良好的润滑。

凸轮轴通常由优质碳钢或合金钢锻造，也可用合金铸铁或球墨铸铁铸造。轴颈和凸轮工作表面经热处理后磨光。