【文章推荐】基于曲轴套装结构的孔轴尺寸精度设计方法

　　在标准公差的背景下，本文以曲轴前后端总成为案例，重点讨论了套装结构下的孔轴尺寸精度设计方法。在热压装配和非自由条件下，分析了热胀冷缩对配合性质的影响，并以具体案例讨论了热压变形量和精度设计方法。在特殊情况下，讨论了轴承外壳孔、挡环内外圈与飞轮安装止口的精度设计方法。

曲轴是内燃机中最重要的零部件之一，它的作用是将活塞和连杆传来的气体力转变为转矩输出， 以驱动与其相连的传动系统，如汽车、拖拉机、工程机械等，此外，它还要驱动内燃机本身的配气机构以及各种附件等。从结构特征上看，曲轴主要由曲轴前端、曲拐和曲轴后端组成，其中曲拐又分为连杆轴颈、曲柄臂、平衡重等部分。 在非道路内燃机领域，曲轴前端一般会布置曲轴齿轮、轮毂和减震皮带轮等，曲轴齿轮用来驱动正时齿轮系，如惰齿轮、高压油泵齿轮、凸轮轴齿轮、空压机齿轮等;减震皮带轮主要用来驱动各种附件，如水泵、风扇、发电机等。曲轴后端会布置挡环、滚动轴承和飞轮等，其中轴承来支撑动力输出离合器前轴，飞轮用来连接离合器总成。 由于动力源来自于曲轴，所以曲轴齿轮、轮毂、减振皮带轮、飞轮等均要套装在曲轴的前端或后端，整体采用套装结构设计;另外，孔轴公差与配合的选择也是套装结构设计中的重要组成部分，它直接影响机械产品的使用精度、性能和加工成本。

　1 关于孔、轴标准公差

GB/T1800.1—2009《极限与配合》中所规定的公差，称为标准公差，它的数值取决于孔或轴的标准公差等级和公称尺寸 。标准公差等级代号由符号IT和阿拉伯数字组成，如IT7、IT8等。孔、轴的标准公差等级各分为20个等级，它们分别用代号IT01、IT0、IT2、IT3、…、IT18表示。其中IT01最高，等级依次减低，IT18最低。 配合公差等于相结合的孔与轴的公差之和，当配合公差较小时，孔与轴的精度要求较高。在过盈配合、过渡配合和小间隙配合中，配合间隙或过盈的允许变动量相对较小。孔的标准公差等级一般不低于8级，轴的标准公差等级一般不低于7级，比如H7/m6。其目的是为了保证以上三种情况下间隙或过盈的允许变动量小，即配合公差不能太大。确定孔和轴的公差等级关系时，要考虑工艺等价性，即同一配合中孔和轴的加工难易程度大致相同。标准公差等级≤IT7时采用异级配合，标准公差等级≥IT8时采用同级配合。在机械制造领域，IT6的轴和IT7的孔应用很广泛，适用于较高精度的重要配合。

2 曲轴前端总成

如图1所示，本文以非道路柴油机用曲轴飞轮总成为案例进行阐述和分析，曲轴前端总成包括：1、曲轴前端，2、曲轴齿轮，3、轮毂，4、减振皮带轮，其中在曲轴前端上布置有小轴颈5(直径φ54)、大轴颈6(直径 φ58)等。
曲轴齿轮与大轴颈的精度设计：如图1所示，在曲轴齿轮1上布置齿轮过孔，直径大小为φ58，然后套装在曲轴前端的大轴颈6上， 采用过盈配合的连接方式，同时使用键与键槽来保证曲轴齿轮的正时。过盈配合连接的特点是结构简单、对中性好、承载能力大、对轴及轮毂的强度削弱小、耐冲击性好。一般情况下，正时齿轮系的负载不是很大，轮系的结构也不经常发生变化，关于齿轮过孔与大轴颈的配合选择，可基于以下原则：(1)根据轻型、中型、重型等压配方式，可选择中型压入装配;(2)根据基孔制优先、常用配合表，可选择“优先配合”;(3)对于薄壁小齿轮，为减小过盈对齿形的影响，谨慎使用很大的过盈配合。根据孔轴标准公差，再结合分析计算、实践经验等，选择齿轮过孔与大轴颈的配合代号为 φ58H7/s6，可产生较大的结合力，采用热压装配工艺。曲轴齿轮要求在150～300℃加热炉中，保温30min后， 热压到曲轴前端的大轴颈上，同时压至与曲轴第一主轴颈的轴肩端面相贴合。

轮毂与小轴颈、减振皮带轮的精度设计：如图1所示，曲轴齿轮套装在大轴颈上，轮毂再套装在小轴颈上，为避免热压装配过程中对结合面的损伤，大小轴颈的截面做成阶梯状，可以使曲轴齿轮顺利穿过小轴颈，为此选择小轴颈的直径为φ54。作为转接件，轮毂起着连接曲轴前端与减振皮带轮的桥梁作用，可以减少曲轴种类、降低工艺复杂性，以及更好的适应减振皮带轮的多样性。考虑前端附件的负载功率、配套轮毂的多变性和曲轴小轴颈的统一性，可采用基轴制配合，选择轮毂过孔与小轴颈的配合代号为φ54T7/h6，它比较接近于重型压配，可产生相当大的结合力，同样采用热压装配工艺。轮毂要求在温度为400℃加热炉中，保温30min，热压到曲轴前端，压至与曲轴齿轮贴合。图2所示为轮毂过孔与小轴颈的公差带与配合公差带示意图，s表示间隙，符号为正;δ表示过盈， 符号为负。它的选择逻辑如下：

(1)在φ90的轮毂外圆上，会套装骨架油封以防止机油泄漏，在油封标注GB/T1387.1—2007中，要求轴的直径公差不得超过h11;

(2)减振皮带轮与轮毂之间要求拆装方便但无相对运动;

(3)根据以上两点，初选减振皮带轮止口与轮毂外圆的配合代号为φ90H7/h6，属于最小间隙为0的间隙配合。
需要注意的是，所谓热压装配实际上是利用了物体热胀冷缩的性质，即物体受热之后会发生膨胀， 受冷之后就会发生收缩，而热胀冷缩可能会改变物体原来的形状。在温差不大的情况下，经历热胀冷缩后，物体的形状一般不会发生改变，但是当温差很大的时候，就有可能使物体发生塑性变形，这样就不可能完全恢复到原来的形状。金属热胀冷缩之后想要回归原有形状，要满足两个条件：

(1)没有出现屈服变形，即在弹性变形范围内;

(2)没有受到任何约束，即可以自由膨胀或收缩。在本文中，在将轮毂热压装配到小轴颈后，接下来进行的冷却收缩过程，显然不是自由收缩过程，它受到了小轴颈的阻碍作用，形成了所谓的过盈配合。那么，这就意味着轮毂上φ90h6的尺寸，在经过热压装配后会被胀大，结果就会导致减振皮带轮止口处装配困难，也就是出现了轴大孔小不容易装配的情况。实际上，轮毂外圆与减振皮带轮的止口按φ90H7/h6加工后，在生产过程中确实发生了装配困难的现象，图纸上轮毂φ90h6的公差带为[-0.022～0]，热压装配前后测量相关数据如表1所示。热压前外圆直径偏差测量数据均在公差[-0.022～0]的区间范围内，热压后外圆直径全部超差，热压变形量为+0.045~+0.055之间。通过图2我们可以知道，φ54T7/h6配合的平均过盈为-0.0605。为补偿热压变形量，将轮毂Ф90h6的上下极限偏差均减小0.06，这时极限偏差修正为[-0.082~-0.06]，保持减振皮带轮止口φ90H7不变。按这个修正公差带再次加工并装车验证，之前装配困难的问题得到了顺利解决。
如表2所示的测量数据，热压装配后实测零件的偏差值刚好在φ90h6的要求范围内，其中一个数据略微超差，这也是没有问题的，根据实际问题分析，即使选择φ90外圆的公差带代号h7[-0.035～0]也是可以满足使用要求的。根据以上数据和分析，最终将轮毂φ90的外圆尺寸公差带定义为[-0.082～-0.06],不再使用国标规定的标准偏差，但公差值还是可以使用标准值，即公差等级为标准IT6级。

　　3 曲轴后端总成

如图3所示，曲轴后端总成包括：1、曲轴后端，2、挡环，3、滚动轴承，4、飞轮，其中在曲轴后端还布置有后轴颈5(直径φ54)、后端内孔6(直径φ52)等。
关于轴承外壳孔的精度设计：滚动轴承属于标准件，其外圈与外壳孔的配合采用基轴制，内圈与轴颈的配合采用基孔制。由于滚动轴承内外圈的公差带在生产时已经确定，那么轴承与轴颈、外壳孔的配合选择就是确定相应轴颈和外壳孔的公差带，本文重点关注特殊情况下外壳孔的精度设计。在本案例中，曲轴与输出离合器前轴处于同步旋转状态，它们分别带着轴承的外圈和内圈旋转，而前轴的重力方向始终垂直向下，这样可以实现套圈滚道均匀磨损，从而提高轴承的使用寿命，这种负荷称为循环负荷或旋转负荷。这种情况下套圈与轴颈(或外壳孔)的配合可选择过盈配合或较紧的过渡配合。所选择轴颈或外壳孔的标准公差等级应与轴承公差等级协调，与0级(普通级)轴承配合的轴颈一般为IT6级，外壳孔一般为IT7级，相应外壳孔的公差带如表3所示。
挡环与后端内孔的精度设计：本案例使用普通级6204-2Z滚动轴承，以下简称轴承。如图4所示，后端内孔6按轴承座孔进行设计，也可以安装轴承。为匹配不同型号的轴承，减少曲轴的加工与型号，就设计了一个挡环套装结构，工作时轴承安装于挡环的内孔，然后再将挡环安装于曲轴的后端内孔中，使用挡环的内翻边对轴承外圈进行轴向定位。
关于尺寸精度的选择，原设计方案为：(1)后端内孔与挡环外圈采用了过渡配合，但大概率出现了过盈配合;(2)挡环内孔与轴承外圈采用了过渡配合。在生产过程中试装了20台，结果发现大部分轴承内圈发生了卡滞、转动不灵活的现象。与此同时，还发现当轴承座孔公差带使用N7的时候，轴承会有约60%的卡滞现象发生。经过拆解分析，认为是过盈配合导致轴承外圈向内发生变形， 最终导致了轴承内圈卡滞现象的发生，改进后的设计方案如下：

(1)轴承、挡环内孔的公差与配合

根据标准，查轴承6204-2Z外圈的公差带为φ47[-0.011~0]，根据具体工况、实践经验选择内孔的公差带代号为 φ47K7[-0.018~+0.007]，两者的配合公差为[-0.018～+0.018]属于过度配合，平均间隙为0，符合相关要求。

(2)挡环外圈、后端座孔的公差与配合

按轴承外壳孔的要求，公差等级IT7，并根据实践经验确定 后端座孔的公差带代号为φ52K7[-0.021～+0.009]，将其以图形的形式表示在图5中。
如图5所示，选择挡环外圈(轴)的公差等级IT6，以孔K7公差带的下极限偏差“-0.021”作为挡环外圈上极限偏差的选择参考，可适当向上浮动， 但要确保最终选择的配合中80%左右的概率是间隙配合，20%左右的概率是过盈配合。这样做的目的在于，当挡环带着轴承装入后端座孔时，既可以防止由于配合过松发生脱落，又可以防止过盈过大导致轴承外圈向内发生明显变形，造成轴承内圈卡滞。根据GB/T1800.1—2009，φ52IT6对应的标准公差数值为0.019，再根据以上分析进行对标，选择最接近的公差带代号 φ52g6[-0.029-0.010]最为最终的结果，通过图5中的孔轴配合公差带示意图，可看出该结果符合上述要求，其中+0.0135为平均间隙。至此，挡环外圈与后端座孔的配合代号确定为 φ52K7/g6，经批量试装验证该选择正确，没有轴承内圈卡滞的现象发生，也没有转运过程中挡环脱落的现象发生。这里需要说明的是，假如没有合适、比较接近的公差带代号，也没有必要强行标准化，按以上分析给出合理的上下极限偏差即可。

后轴颈与飞轮安装止口的精度设计：后轴颈的大小为φ105，在其上要套装飞轮部件。对于飞轮来说，它既要求对中性好，又要求拆装方便，那么可以选择过渡配合。关于后轴颈与飞轮止口的精度设计，根据基孔制优先、常用配合表，选择“优先配合”即可，最终确定配合公差代号为φ105H7/k6，经过实践验证反映良好，符合要求。

　4 结论

(1)在标准公差的背景下，本文以曲轴前后端总成为案例，重点讨论了套装结构下的孔轴尺寸精度设计方法。

(2)在热压装配和非自由条件下，分析了热胀冷缩对配合性质的影响，并以具体案例讨论了热压变形量和精度设计方法。

(3)在特殊情况下，讨论了轴承外壳孔、挡环内外圈与飞轮安装止口的精度设计方法。

参考文献：略。