柴油机曲轴设计

曲轴设计一 .曲轴设计概论二 . 曲轴结构设计三 . 曲轴疲劳强度校核四 . 提高曲轴疲劳强度的措施一 . 曲轴设计概论 曲轴的成本大约占整机成本的十分之一，为内燃机中最贵的零件。 曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳，所以保证曲轴有足够的弯曲疲劳强度是曲轴设计的首要问题。 曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑条件的要求。 中小功率高速内燃机几乎都用整体曲轴、全支承、带有平衡块（无论整体是否平衡）。 1.曲轴工作条件 1、受周期变化力和力矩作用，重点是弯曲交变载荷（ 80是弯曲疲劳破坏）； 2、曲轴形状复杂，应力集中严重； 3、曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重；2.设计要求 1、有足够的疲劳强度； 2、有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨； 3、尽量减少应力集中； 4、刚度好，变形小。3.常用材料 1、中碳钢：如 45，绝大多数采用模段制造；锻造后进行正火或调质处理，然后在各轴颈表面实施感应加热表面淬火。钢曲轴也可以进行渗氮处理，以提高疲劳强度。 2、合金钢：在强化程度较高的发动机中采用； 3、球墨铸铁：在强度和刚度要求一定是，使用球墨铸铁材料能减少制造成本，且其阻尼特性能减小扭转振动的幅值。 在曲轴设计中，曲轴的结构、材料、工艺三因素各自有独立规律，且相互影响。二 . 曲轴结构设计 一、曲轴结构形式 1、整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、刚度、强度较高、加工表面较少的特点，中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。 2、组合式曲轴：当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，采用整体式结构将导致加工非常困难，可采用组合式结构。小型单缸发动机也有采用。整体式曲轴和组合式曲轴曲轴支承 (a)全支承曲轴 :优点是 曲轴刚性好 ， 不易弯曲 ， 缺点是 缸心距加大 ， 机体加长 ， 制造成本增加 。柴油机多用 全支承曲轴。 . (b)非全支承曲轴 :多用于中小功率的汽油机曲轴全支承与非全支承优 点 缺点 应 用全支承曲 轴提高曲 轴 的 刚 度和弯曲 强 度，减 轻 主轴 承的 载 荷曲 轴 的加工表面增多，主 轴承数增多，使机体加 长柴油机一般多采用此种支撑方式非全支承曲轴缩 短了曲 轴 的 长 度，使 发动 机 总 体 长度有所减小主 轴 承 载 荷 较大承受 载 荷 较 小的汽油机可以采用此种方式曲轴主要尺寸参数 dcp：曲柄销直径； lcp：曲柄销长度； hcw：曲柄臂厚度； bcw：曲柄臂宽度 dcj：主轴颈直径； lcj：主轴颈长度； 气缸中心距 L= lcp + lcj +2 hcw 它们存在一个合理分配的问题。 过渡圆角半径 R对应力集中影响巨大。 各尺寸参数的统计值见下表： 油道设计及油孔位置曲轴前端与后端 （ 1）作用： 曲轴前端用来安装正时齿轮、皮带轮、扭振减振器及起动爪等；后端有飞轮结合盘 (凸缘盘 )，用来安装飞轮。 （ 2）前后端的密封： 曲轴前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑油沿轴颈流出，在曲轴前后端都设有防漏装置。常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。曲轴的轴向定位 （ 1） 结构： 止推片：在某一道主轴承的两侧装止推片。止推片由低碳钢背和减磨层组成。 翻边轴瓦： （ 2） 安装注意：止推片有减磨层的一面朝向转动件 (有油槽一面 )。当曲轴向前窜动时，后止推片承受轴向推力；向后窜动时，前止推片承受轴向推力曲拐的布置（ 1）一般规律1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。3) 避免进气重叠4） V型发动机左右气缸尽量交替作功。5）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。三 . 曲轴疲劳强度校核 曲轴破坏主要是弯曲疲劳破坏 现在曲轴强度计算绝大部分采用有限元计算方法，且有很多现成的工程分析软件，如 ansys， pro/e， UG等。 有限元计算精度关键取决于如何处理曲轴的位移约束条件、加载方式、网格划分等，这需要详细了解曲轴的工作情况和受力状况。 安全系数 n 1.5（钢）或 1.8（球墨铸铁）四 . 提高曲轴疲劳强度的措施在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度就应设法降低应力集中；适当减小单拐中间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀。结构措施 1、加大曲轴轴颈的重叠度 重叠度 A=(dcp+dcj)/2-r 重叠度系数 =(dcp+dcj)/S 2、加大轴颈附近的过渡圆角 过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质量等对曲轴应力的影响十分明显。 3、采用空心曲轴 4、采用沉割圆角和开卸载槽工艺措施 1、圆角滚压强化：表面产生剩余压应力，抵消部分工作拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度。 2、圆角淬火强化：