发动机曲轴设计原创性.doc

南昌大学科学技术学院学士学位论文 密级： 科学技术学院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（2016年 2017年） 题 目： JX493ZQL型车用发动机曲轴设计 学 科 部： 理 工 学 科 部 专 业： 车 辆 工 程 班 级： 车辆131班 学 号： 7012913026 学生姓名： 刘俊文_ 起讫日期： 2017.01.032017.05.01 指导教师： 程文明 职称： 教授 学科部主任： 邓 泽 元 南昌大学 科学技术学院学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ，在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期：JX493ZQL型车用发动机曲轴设计专业：车辆工程 学号:7012913026 学生姓名:刘俊文 指导教师：程文明摘要曲轴是所有发动机中的重要零部件之一，它的设计尺寸大小影响着发动机整体机构外形尺寸的大小和重量。如曲柄销直径尺寸对连杆大端尺寸和重量有着直接影响，后者又发过来影响着曲轴箱宽度。曲轴是内燃机曲柄连杆机构的主要传动件，也俗称发动机中的三大运动件之一。曲轴的的功能就是把气缸中所作的功，都传递到活塞连杆上，然后以旋转运动形式进行输出。除此之外，曲轴的工作可靠性和寿命对发动机工作的可靠性和寿命有很大程度的影响。本文设计主要以JX493ZQL型车用发动机的相关参数作为参考，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并对此系列的柴油发动机的曲轴零部件进行了主要的结构设计计算，并对发动机中的曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析。关键词：发动机；曲柄连杆机构；曲轴； ABSTRACTCrankshaft is one of the important parts of all engine, its design size also influences the overall dimensions of the engine size and weight. Such as the crank pin diameter size have a direct impact on the connecting rod big end size and weight, which in turn sent affects the width of the crankcase. The crankshaft internal combustion engine crank connecting rod mechanism is the main transmission parts, also commonly known as one of the three moving parts of the engine. The crankshaft is the function of the cylinder made in the work, all is passed on to the piston connecting rod, and output in the form of rotary motion. In addition, the working reliability and life of engine crankshaft working reliability and life expectancy has great influence. Designed mainly JX493ZQL type related parameters of vehicle engines for reference, to the movement rule of crank connecting rod mechanism and the detailed analysis of the force in the movement, and this series of diesel engine crankshaft parts to carry on the design and calculation of main structure, and the engine crank connecting rod mechanism of the kinematics and dynamics analysis of the theory.Key words: Engine；Crankshaft-Connecting Rod Mechanism；The crankshaft. 摘要ABSTRACT第一章 绪论11.1 本课题的目的及意义11.2柴油机曲轴设计的背景11.3国内外研究的现状和发展趋势2第二章 JX493ZQL曲轴的设计32.1 JX493ZQL曲轴的结构形式设计32.2 JX493ZQL曲轴的材料选择42.3 曲轴的疲劳损坏形式42.4曲轴的设计要求4第三章 JX493ZQL曲轴尺寸的计算和结构细节设计53.1 曲柄销的直径和长度53.2 主轴颈的直径和长度设计53.3 曲柄的尺寸设计53.4 平衡重的设计63.5 油孔的位置和尺寸63.6 曲轴两端的结构确定63.7 曲轴的止推63.8润滑油道的布置7第四章 JX493ZQL曲轴的疲劳强度校核94.1 作用于单元曲拐上的力和力矩计算94.1.1 计算公式及其推导94.1.2 曲拐平面内支承弯矩计算104.1.3支反力的计算114.2发动机曲轴应力的计算124.2.1弯曲应力的计算134.2.2扭转应力的计算15第五章JX493ZQL曲轴飞轮的设计155.1曲轴飞轮的功能155.2曲轴飞轮的设计与计算15设计总结17致谢18参考文献19第一章 绪论1.1 本课题的目的及意义发动机的动力能源来源是可燃混合气的燃烧，但是柴油和汽油机燃料形成以及点火方式与汽油机相比两者差异很大。在柴油机中通常采用压缩空气的方法来增加工作温度，这种方法使得它的功率增大对比汽油机更加省油更加节源。但这也导致柴油机工作时会有一些负面影响，比如燃烧时，整个密闭空间中的气体压力会很大，这就要求发动机中各有关零件的结构强度和刚度要好。因此，我们一般所能够看到的柴油机的整体尺寸都不小，比较重。如果曲轴发生损坏的故障，机体的内部机构将会遭受严重的破坏，对整体机构会造成很大的不稳定性。曲轴本身是一根结构形状比较复杂的曲梁结构，加工制造的难度也比较大，可谓是是整个内燃机中造价最贵的零部件。因此我们在设计时必须要正确合理的选择曲轴的结构形式，并根据任务书中所给的一些相关要求设计出合理的曲轴尺寸，选取合适的材料与合理的曲轴加工工艺，以求最大程度上满足发动机的实际需求。由以上所述我们可以清晰地明白曲轴设计的重要性。1.2柴油机曲轴设计的背景柴油机另外在汽车节能等方面有较大的潜力，他本身具有良好的经济性、动力性及较高的热效率等突出的优点。近些年来，随着更多的研究投入和新技术的应用，现代柴油机的性能得到了飞速的发展，已与往日我们印象中的柴油机的呆板形象不可同日而语。此外，随着、电控喷射、高压共轨、涡轮增压、中冷等这一系列的先进技术在柴油机进行应用，柴油机一些不好的弊端已经得到了显著改善，在节能和有害物的排放方面的优势已逐渐显现出来。柴油机的研究技术在这么多年来已取得了瞩目的进步。曲轴一般是有多个相互错开一定角度的曲拐加上功率输出端和自由端这些零部件组成的。曲轴在发动机中的主要功能就是是把发动机内的活塞所产生的的往复直线运动变成旋转运动，将内燃机工作时所产生的作用在活塞上的气体压力变成曲轴的扭矩，进一步向外输出，从而用来带动其他零部件及机构运动起来，进一步驱动车辆前行。曲轴可谓是发动机中所有零件中最重要的，发动机正常工作时所产生的全部功率都是通过发动机曲轴输出的。而且曲轴在发动机工作过程中承受着不断周期性变化的力、力矩，因此发动机曲轴非常容易产生疲劳破坏。故我们在设计中必须要保证曲轴有足够的疲劳强度，以保证发动机的正常工作。 1.3国内外研究的现状和发展趋势曲轴是柴油机中重要零件之一，机械制造业发达的国家都十分重视曲轴的制造生产，设计人员不断的改进曲轴的材质及相关的加工工艺，以提高曲轴工作时的性能水平，从而来满足发动机行业不断发展的需要。随着中国国门的打开，我国不断借用国外先进的制造技术工艺，并对此进一步加以研究改进，我国的曲轴加工技术也取得了十分瞩目的成就。它的加工制造方法一般可以大致的分为两类：其一为钢锻曲轴，其二为球墨铸铁曲轴。我们在采用铸造方法进行曲轴的加工时可以比较容易得到让我们理想的结构形状，而且可以更好地保证曲轴毛坯尺寸，以至于曲轴在后道工序中的机加工余量能够在很大程度上减小，避免加工的浪费。球铁的切削性能相比较而言相当良好，它也比较容易进行通过各种热处理和表面强化处理措施来进一步提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。随着改进后的加工工艺的逐渐应用，国内的曲轴加工水平正逐步提高。第二章 JX493ZQL曲轴的设计2.1 JX493ZQL曲轴的结构型式设计发动机曲轴的作用是把活塞往复运动转变为旋转运动，进一步把运动传给底盘的传动机构。同时，驱动风扇、水泵、发电机等辅助装置。曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成，如下图所示。图6-1主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处常设置平衡重。平衡重用来平衡发动机不平衡的离心力矩及一部分往复惯性力，从而保证了曲轴旋转的平稳性。曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，曲柄与主轴颈的相连处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目与气缸数相等而V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。曲轴前端装有正时齿轮，以驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。曲轴的形状和曲拐相对位置取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。多缸发动机的发火顺序应使连续作功的两缸保持尽量远的距离，这样既可以减轻主轴承的载荷，又能避免可能发生的进气重叠现象。此外作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，以保证发动机运转平稳。2.2 JX493ZQL曲轴的材料经查询相关资料可知：该发动机曲轴采用球墨铸铁铸造而成。2.3 曲轴的疲劳损坏形式发动机曲轴的工作情况比较恶劣承受着周期性变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力等各个力矩的作用。根据发动机曲轴产生裂纹的种类性质不一样，可将其分为弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲一扭转疲劳裂纹这三种不同的形式，具体裂纹特征如下图所示：图7-21-弯曲疲劳裂纹 2-扭转疲劳裂纹2.4曲轴的设计要求根据上述曲轴的失效形式及其产生的根本原因，我们在发动机曲轴设计过程中应着手注意以几个方面：1. 发动机曲轴上尽量减小应力集中，以保证其工作可靠；2.具有足够的弯曲和扭转刚度，不至于在工作中产生过大的变形量；3.轴颈的耐磨性要好，以此来确保曲轴和轴承的寿命长；4.发动机曲轴的材料选择适当，且加工工艺性好。第三章 JX493ZQL曲轴尺寸的计算和结构细节设计3.1 曲柄销的直径和长度 在进行曲轴设计时，第一步要确定曲柄销的直径，通常为了降低曲柄销比压而采用较大的值。但是，曲柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，也会大大影响曲轴及轴承的工作性能。对于柴油机，为气缸直径，已知=80.985，则，曲柄销直径取为=0.60=47.80。曲柄销的长度是在曲柄销直径选定的基础上考虑的。根据统计/=，取=0.59=28。轴颈的尺寸，最后可以根据承压面的投影面积与活塞投影面积之比来校核，此比值据统计在范围内。那么由，则长度取值合适。3.2 主轴颈的直径和长度从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取，取=1.13=54。由于主轴承的负荷比连杆轴承轻，主轴颈的长度一般比曲柄销的长度短，参考相关资料可知：，取=0.31=25.11。3.3 曲柄曲柄应选择适当的厚度、宽度，以使曲轴有足够的刚度和强度。参考相关资料可得出:曲柄的宽度，取，厚度，取。曲柄臂以凸肩接主轴颈和曲柄销。凸肩的厚度根据曲轴加工工艺决定。全加工曲轴的只有0.51，取=1。曲柄销和主轴颈至曲柄臂凸肩的过渡圆角对应力集中程度影响最大，加大圆角半径可使圆角应力峰值降低，故宜取大，至少不能小于0.05或2.5，取=3。3.4 平衡重设计平衡重时，应尽可能使平衡重的重心远离曲轴旋转中心，即用较轻的重量达到较好的效果，以便尽可能减轻曲轴重量。平衡重的径向尺寸和厚度以不碰活塞裙底和连杆大头能通过为限度。将平衡重与曲轴铸成一体，时加工较简单，并且工作可靠。3.5 油孔的位置和尺寸曲柄销油孔选择在曲拐平面运转前方的范围内。由于油道位于曲拐平面内，油道出口处应力集中现象严重，当油道中心线与轴颈中心线的夹角时，最大应力增加很快，因此油孔设在小于处。油道的孔径一般在左右，取为4。3.6 曲轴两端的结构曲轴上带动辅助系统的正时齿轮和皮带轮一般装在曲轴的前端，因为结构简单，维修方便。发动机的配气机构也是由曲轴自由端驱动。这是应为曲轴自由端的轴颈允许较细，可以采用节圆直径小的齿轮，消除扭转振动的减振器装在曲轴前端，因为这里的振幅最大。在曲轴自由端从曲轴箱伸出去额地方必须考虑密封。一方面防止曲轴箱中的机油由这里漏出去，另一方面也防止外面的尘土等进入。密封是用甩油环和密封装置所组成，密封装置可以是密封圈，也可以是螺纹迷宫槽。所谓迷宫槽是在轴上或在曲轴箱的对应孔壁上制出螺纹，螺纹的螺旋方向与轴的螺旋方向相反。当机油漏入轴与孔之间的间隙中时，依靠机油的粘性和螺纹，把机油像个螺母一样地退了回去，不使它漏出机体外。曲轴后端（功率输出端）设有法兰，飞轮与后端用螺栓和定位销连接。螺栓应拧得足够紧，以便能够依靠飞轮与法兰之间的摩擦力矩传输出曲轴的最大转矩。定位销用来保证重装飞轮时保持飞轮与曲轴的装配位置。故定位销的布置是不对称的或只有一个。这种连接方式结构简单，工作可靠。为了提高曲轴的扭转刚度，从最后一道主轴承到飞轮法兰这一轴段应该尽量粗短13。3.7 曲轴的止推为了控制发动机在工作时曲轴受热而产生的轴向窜动，在曲轴上通常设置有轴向定位装置，同时为了保证曲轴在受热膨胀时有一定的自由伸长量，所以曲轴上只能有一处轴向定位。从降低曲轴和机体加工尺寸链精度要求出发，止推轴承设在中间主轴承的两边。在第三主轴颈处设置轴向止推片，止推片为四片。曲轴轴向间隙应保持，其它各主轴承端面间隙应保证曲轴受热伸长时能自由延伸。3.8润滑油道将润滑油输送到曲轴油道中去的供油方式有两种：一种是集中供油，即将曲轴内部做成中空的连续孔道，作为内燃机的主油道，机油从曲轴的一端输入曲轴，然后经曲轴内孔串联流向各轴承；另一种是分路供油，即机油从曲轴箱上的主油道并联进入各个主轴承，然后通过曲轴的油道再进入相应的连杆轴承。采用集中供油时，因为机油从一端进入曲轴后需要克服很大的离心力和流动阻力，才能供到另一端的轴承，压力损失较大。为了保持最后润滑的轴承仍有一定的油压，进入轴承的油压必须很高，这使得曲轴油腔的密封结构复杂。因而多数内燃机采用分路供油，且本设计也采用分路供油。油道布置主要根据润滑供油充分和对曲轴疲劳强度的影响来决定，主轴颈上的油孔入口应保证像曲柄销供油充分；曲柄销上的油孔出口应设在较低负荷区，以提高轴瓦的供油能力，油孔的位置应参考轴承负荷图和轴心轨迹图来确定。油道的取向对扭转疲劳强度的影响很显著。图10-3曲轴中油道的布置有很多方式，其中斜线油道在结构上是最简单的，如上图所示。但其缺点是曲柄臂与轴颈过渡处被削弱，降低了曲轴的强度，油道与轴颈的表面交线呈椭圆形，斜角愈大椭圆度愈大，油孔边缘处的应力集中就愈严重，斜线油孔加工工艺复杂，为避免上述缺点，可从曲柄臂肩部钻一斜孔，贯通曲柄销和主轴颈，再在此两个轴颈上钻直油孔接通，最后将曲柄臂肩部孔堵死。油道也可布置成如下图所示的形式，油孔由曲柄臂钻入到主轴颈，再由曲柄臂和主轴颈表面垂直钻通，这样的油道布置，工艺较为复杂，但能够有效的提高曲轴的疲劳强度。图11-4由于本设计曲轴的轴颈及曲柄臂直径都比较粗，重叠度也比较大，再考虑到油道加工的工艺性，因而本设计油道的布置方式选择斜线油道油道加工的工艺性。第4章 JX493ZQL曲轴的疲劳强度校核4.1 作用于单元曲拐上的力和力矩4.1.1 计算公式及其推导我们在设计时把曲轴简化为等圆截面梁，由材料力学相关知识可知：在支承处左端梁转角和右端梁转角为（若）： （5.2）由变形协调条件=，图12-5 连续梁受力图=又因为，所以 （5.3）设第一支承和最后一个支承处的弯矩为零，即。上式中包含，三个支承处的内弯矩，故称三弯矩方程。连续梁有多少个内支承就可以建立多少各这样的三弯矩方程，以此可求出支承处的内弯矩。4.1.2 曲拐平面内支承弯矩计算已知=28+25.11+18.082=89.27，当=2，=3，=4时，由上式得三弯矩方程组： 根据四缸机工作循环表，参照可知具体数值。具体如下所示:将、分别代入方程组，得工况下各支承处的弯矩如表5.2所示。同理根据各工况下载荷计算曲拐平面的垂直平面内弯矩，计算结果如下表所示。表1各工况下载荷数据 （单位：）工况一-346.967997.616122.88-10276.86二7997.61-10276.86-346.966122.88三-10276.866122.887997.61-346.96四6122.88-346.96-10276.867997.61表2各工况下曲拐平面内弯矩计算结果 （单位：）工况一5.45133.87-68.23二8.42-110.0575.89三-66.49-126.79-32.38四2593.32-42.42 表3 各工况下载荷数据 （单位：）工况一-1024.172365.961811.36-304.24二2365.96-3040.24-1024.171811.36三-3040.241811.362365.96-1024.17四1811.36-1024.17-304.242365.96表4曲拐平面的垂直平面内弯矩计算结果 （单位：）工况一1.339.71-20.2二4.15-39.1716.39三-20.239.711.3四16.39-39.174.154.1.3支反力计算求得各支承弯矩后，就可用下图所示的模型来进行各个支座的支反力的计算：图14-6支反力计算模型得到支反力表达式如下： 式中：作用在曲柄销上的径向力；作用在曲柄销上的切向力； 连杆旋转质量、曲柄销、曲柄臂的总的离心惯性力；已知，由上述公式可计算得到各个支座反力，其计算结果如下表所示： 表5 各工况下曲拐平面内支座反力计算结果 （单位：）工况一-3635.44535.35-401.198599.57-3461.9二536.81-8599.19-3635-401.3-3461.9三-8599.58-401.13-537.38-3635.74-3461.9四-400.74-3636.71-537.38-3461.9 表6各工况下曲拐平面的垂直平面内支座反力计算结果 （单位：）工况一-512.11182.52905.46-1519.90二1182.97-1519.73511.83905.50三-1519.9905.46-1182.52-512.10四905.5-511.83-1519.731182.930可见，各支座在曲拐平面内的值比曲拐平面的垂直面内的值大得多。4.2发动机曲轴应力的计算应力计算的任务是求出曲拐上曲柄销圆角处的名义应力幅、和名义应力的平均值、。现选择对第三缸曲拐进行名义应力计算：曲轴材料：QT900-2，极限强度，对称循环弯曲疲劳极限，对称循环扭转疲劳极限，单拐计算模型见下图：图16-7单拐计算模型4.2.1弯曲应力 首先由上面计算可知，最大支反力，对应的支承弯矩，最小支反力，对应的支承弯矩，然后对曲柄臂中央处弯矩进行计算，计算的弯矩最大值为： 弯矩最小值为： 曲柄臂抗弯截面模量为： 圆角名义弯曲应力为： 最后得到，圆角弯曲应力幅和平均应力为： 4.2.2扭转应力由上述计算可知，单拐扭矩，对应的曲拐垂直平面内支反力，对应的曲拐垂直平面内支反力。然后计算圆角承受的扭矩： 曲柄销抗扭截面系数为： 计算结果远远小于许用值，则校核合格。第五章JX493ZQL曲轴飞轮的设计5.1飞轮的作用由于曲轴所发出的扭矩是个周期变化的量，当它大于有效阻力矩时，曲轴就加速，反之就减速，造成曲轴转速的波动，减小这种波动的措施有两种：一是增加内燃机的气缸数，另一措施是在曲轴上加装飞轮。在本次设计中，我们在曲轴上加装了飞轮。5.2飞轮的设计与计算在飞轮的设计计算中，我们先根据经验定出其外径、内径和厚度b，然后在根据经验公式对其进行校核。表7不同缸数i四冲程发动机的扭矩不均匀系数和盈亏功系数i110201.11.828150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.01由初步确定的尺寸按5-2式可计算出飞轮的重量：由于，所以，此飞轮合格。设计总结在对市面上的一些常见柴油发动机曲轴机构相关资料的翻阅查询，使我对柴油机的结构有了更进一步的认识，在国内乘用车中多数使用汽油发动机而商用车则多采用柴油机，其中重要的原因是柴油机马力大且省油是商用车最为合适的选择，而在乘用车中多采用汽油机的原因是国内的柴油品质较差且柴油机技术的发展相对较差，其次体积大噪音大对于乘用车最基本的舒适型要求更难达标，在汽车工业强国德国则将柴油机品质发挥极致，所以在未来的柴油机技术发展具有很大可能性前景瞻望，而本次设计恰好是对JX493ZQL型号的柴油机曲轴进行基础改良设计，极大引起本人的兴致，对于该改良设计抱有极大的追求。在资料收集分析之后进一步完成JX493ZQL柴油发动机曲轴机构的总成和零部件绘制，在设计的过程中，并同时对其进行实际研究，发掘柴油机技术可能性，同时贴合本设计的要求以及实际需要进行改良，其中完成主要步骤如下：设计完成主要步骤：1、根据JX493ZQL柴油发动机所给出的设计的基本参数，查询资料并阐述曲轴的基本性能。2、对JX493ZQL设计要求的数据进行计算并汇总。3、JX493ZQL柴油发动机曲轴的相关零部件图纸绘制。4、整合设计资料以及自己翻阅查询资料对论文进行撰写。通过本次的毕业设计，我深深的感受到了柴油机机械设计对我们生活的影响和重要性，我们可将机械设计到符合我们需要的标准，在对机械的设计或者改进中，我们可以体验到机械这种工业产品魅力以及蕴含的各种奥妙无穷的物理学。机械设计可以让我们的生活更加美好，提高效率，也能节约资源，同时推动人类文明的发展。在设计过程中还有要求到对曲轴相关零部件的图纸绘制，在绘制中需要掌握的CAD绘画技术让我个人能力得到更高的提升，在图纸绘制中熟练的掌握了CAD软件，这将会对我个人以后的职业生涯和学习有极大的帮助。致谢 在此设计终于完成，在这里我要感谢帮助过我的老师程