第5章曲轴学生

1、曲轴曲轴曲轴简介曲轴简介轴系：曲轴、皮带轮、飞轮、扭振减振器轴系：曲轴、皮带轮、飞轮、扭振减振器曲拐：主轴颈曲拐：主轴颈+曲柄臂曲柄臂+曲柄销（连杆轴曲柄销（连杆轴 颈）颈）前端：皮带轮、发电机、水泵、齿轮系（燃油泵、机油泵、前端：皮带轮、发电机、水泵、齿轮系（燃油泵、机油泵、凸轮轴）转向助力、空调、风扇、空气压缩机凸轮轴）转向助力、空调、风扇、空气压缩机后端：飞轮、后端：飞轮、or齿轮系、离合器齿轮系、离合器内燃机零部件工作条件内燃机零部件工作条件1、受力：强度（应力）、刚度（变形）、受力：强度（应力）、刚度（变形） 交变的连杆力交变的连杆力-曲柄切向力曲柄切向力+曲柄径向力曲柄径向力-疲劳

2、破坏疲劳破坏2、受热：最高温度、热应力、受热：最高温度、热应力 no3、磨损：表面硬度高、磨损：表面硬度高 主轴颈和曲柄销销轴颈，（润滑组织）主轴颈和曲柄销销轴颈，（润滑组织）曲轴的受力曲轴的受力连杆力连杆力-曲柄切向力曲柄切向力+ +曲柄径向力曲柄径向力曲轴应力集中严重曲轴应力集中严重 径向力径向力弯曲载荷弯曲载荷曲柄销圆角、主轴颈圆角曲柄销圆角、主轴颈圆角 切向力切向力-扭转载荷扭转载荷-油孔圆角油孔圆角 扭振附加应力：角位移扭振附加应力：角位移0.250.25度度 中速机：中速机：0.450.45度度 轴向力：外部设备轴向力：外部设备曲轴的破坏形式曲轴的破坏形式曲轴常见破坏形式：疲劳破坏

3、曲轴常见破坏形式：疲劳破坏弯曲载荷为主，扭转载荷次之（缸数影响，车用、船用）弯曲载荷为主，扭转载荷次之（缸数影响，车用、船用） 曲柄销内圆角：弯曲疲劳（必须校核）曲柄销内圆角：弯曲疲劳（必须校核） 油孔边缘圆角：扭矩（最后一个曲拐、船机校核）油孔边缘圆角：扭矩（最后一个曲拐、船机校核）曲轴的设计要求曲轴的设计要求1、受力：、受力： 足够的疲劳强度：曲柄销内圆角和油孔边缘圆角足够的疲劳强度：曲柄销内圆角和油孔边缘圆角 足够的刚度：变形会恶化连杆、活塞的工作足够的刚度：变形会恶化连杆、活塞的工作 提高扭振固有频率：刚度增加减少扭振附加应力提高扭振固有频率：刚度增加减少扭振附加应力2、磨损：、磨损：

4、 轴颈表面硬度高、承压面积够、最小油膜厚度等轴颈表面硬度高、承压面积够、最小油膜厚度等AVL D=100-150,AVL D=100-150,高速柴油机，主轴承：高速柴油机，主轴承：1.2- 1.4um,1.2- 1.4um,连杆轴承：连杆轴承：0.8-1 um0.8-1 um3 3、材料与工艺、材料与工艺 球铁球铁800800（YC6108YC6108）、）、45 45 钢（钢（CY6102CY6102）、合金钢（）、合金钢（ 42CrMo 42CrMo CY4D43TCY4D43T ）各材料对加工缺陷敏感度不同，要求粗糙度不同）各材料对加工缺陷敏感度不同，要求粗糙度不同曲轴设计计算曲轴设计

5、计算1 1、静强度计算、疲劳强度计算、静强度计算、疲劳强度计算 、轴心轨迹计算、船机的扭、轴心轨迹计算、船机的扭振分析计算等振分析计算等2 2、曲轴受力分析：分段法（保守）、连续梁法、有限元法、曲轴受力分析：分段法（保守）、连续梁法、有限元法分段法受力分析分段法受力分析径向力、切向力、离心力、支反力径向力、切向力、离心力、支反力( (力矩）、前后段扭矩力矩）、前后段扭矩两个方向的合力为两个方向的合力为0 0，合力矩为，合力矩为0-0-支反力（力矩）支反力（力矩）曲轴的各截面的弯矩、扭矩（轴颈、圆角、油孔处）曲轴的各截面的弯矩、扭矩（轴颈、圆角、油孔处）参见参见P124P124公式公式静强度计算

6、静强度计算用于计算低速内燃机曲轴用于计算低速内燃机曲轴 计算工况：计算工况： Z Z最大值时最大值时 T T为最大值时（各拐不同，最后一拐最大）为最大值时（各拐不同，最后一拐最大） Z Z、T T合力最大时合力最大时 与许用应力比较与许用应力比较危险截面危险截面 曲柄销轴颈圆角截面曲柄销轴颈圆角截面 主轴颈圆角截面主轴颈圆角截面 曲柄销轴颈截面曲柄销轴颈截面 油孔截面油孔截面 22TZR 疲劳强度计算疲劳强度计算弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度 综合疲劳强度综合疲劳强度影响疲劳强度因素：影响疲劳强度因素： 应力幅和平均应力（名义应力）应力幅和平均应力（名义应力） 有效应力集

7、中系数：查表有效应力集中系数：查表 材料疲劳极限材料疲劳极限 尺寸影响系数尺寸影响系数 强化系数强化系数 材料对应力循环不对称敏感系数材料对应力循环不对称敏感系数扭振附加应力的影响扭振附加应力的影响maKn1maKn122nnnn+n1.070.07-3dmnnd（） 有效应力集中系数的获得有效应力集中系数的获得材料的应力集中敏感性系数材料的应力集中敏感性系数形状系数的定义：结构形状对应力集中的影响（实测、形状系数的定义：结构形状对应力集中的影响（实测、FEAFEA）) 1(1) 1(1KqKKqKBK义法向应力曲柄臂上相应点处的名圆角处的实际法向应力形状系数的确定形状系数的确定)()()()

8、()()(10ebKK疲劳强度安全的评价疲劳强度安全的评价对钢制曲轴取对钢制曲轴取n1.5n1.5，汽车发动机曲轴的安全系数可取得略低。汽车发动机曲轴的安全系数可取得略低。n1.3n1.3；球铁曲轴，疲劳强度的分散度较大，取球铁曲轴，疲劳强度的分散度较大，取n1.8n1.8。疲劳强度安全系数允许值必须和计算方法对应疲劳强度安全系数允许值必须和计算方法对应可以证明：前述疲劳强度计算公式和可以证明：前述疲劳强度计算公式和Goodman-SmithGoodman-Smith方法是完方法是完全一致的。参加全一致的。参加汽车发动机设计汽车发动机设计清华大学清华大学 陆际清编陆际清编曲轴的受力分析曲轴的受

9、力分析曲轴的有限元模型曲轴的有限元模型曲轴的边界条件曲轴的边界条件QT800 QT800 某点某点L L的应力的应力, ,通过通过OLOL作直线得到点作直线得到点F F，则可得安全系数，则可得安全系数 aFn/疲劳强度试验方法疲劳强度试验方法Rig testingRig testing：曲柄销圆角应力：曲柄销圆角应力钢轴：钢轴：10107 7 球铁：球铁：5x105x106 6几个小时完成疲劳试验几个小时完成疲劳试验曲轴的结构设计曲轴的结构设计曲轴的总体形式：组合式曲轴和整体曲轴曲轴的总体形式：组合式曲轴和整体曲轴曲拐的尺寸曲拐的尺寸提高曲拐疲劳强度的结构措施提高曲拐疲劳强度的结构措施曲轴油道

10、的安排曲轴油道的安排曲轴平衡重的设计曲轴平衡重的设计曲轴的前端和后端曲轴的前端和后端曲轴的止推曲轴的止推曲轴的总体形式曲轴的总体形式整体式曲轴整体式曲轴 全支撑式：全支撑式： 非全支撑式：（过去强化程度低发动机，非全支撑式：（过去强化程度低发动机， NA NA汽油机升功率汽油机升功率40-50 kW,T40-50 kW,T：60kW60kW，Ecoboost92 kWEcoboost92 kW）组合式曲轴组合式曲轴 隧道式机体隧道式机体 大内燃机机曲轴大内燃机机曲轴 小通用机曲轴小通用机曲轴曲拐的结构尺寸曲拐的结构尺寸径向尺寸：主轴颈半径、曲柄销半径、曲柄半径径向尺寸：主轴颈半径、曲柄销半径、

11、曲柄半径轴向尺寸：主轴颈长度、曲柄销长度、曲柄臂厚度、缸心距轴向尺寸：主轴颈长度、曲柄销长度、曲柄臂厚度、缸心距 曲拐的结构尺寸（曲拐的结构尺寸（1）主轴颈半径为什么小于曲柄销半径？主轴颈半径为什么小于曲柄销半径？ 连杆大头尺寸要通过缸孔连杆大头尺寸要通过缸孔 减少转动惯量减少转动惯量-提高扭振固有频率提高扭振固有频率 粗的曲柄销、薄的曲柄臂导致应力集中粗的曲柄销、薄的曲柄臂导致应力集中曲轴轴向尺寸对缸心距的影响曲轴轴向尺寸对缸心距的影响 缸心距缸心距= =主轴承长度主轴承长度+ +曲柄销长度曲柄销长度+2X+2X曲柄臂厚度曲柄臂厚度轴承承压面积、轴承长度与宽度（机油压力与冷却流量）轴承承压面

12、积、轴承长度与宽度（机油压力与冷却流量）曲柄臂的厚度和宽度（曲柄臂外上部切去）曲柄臂的厚度和宽度（曲柄臂外上部切去） 提高曲拐疲劳强度结构措施提高曲拐疲劳强度结构措施疲劳强度公式、曲轴形状系数公式：疲劳强度公式、曲轴形状系数公式：1 1、提高曲轴的重叠度（短行程）、提高曲轴的重叠度（短行程）2 2、减少应力集中、减少应力集中3 3、表面粗糙度、表面处理强化、表面粗糙度、表面处理强化)()()()()()(10ebKKmaKn1 中空轴颈对曲轴应力的影响中空轴颈对曲轴应力的影响主轴颈中空（减小曲柄销应力）主轴颈中空（减小曲柄销应力）曲柄销中空（减少惯量）曲柄销中空（减少惯量） 轴颈圆角对曲轴应力

13、的影响轴颈圆角对曲轴应力的影响做功冲程开始、进气冲程开始时刻的径向力（从弯矩解释拉压应力）做功冲程开始、进气冲程开始时刻的径向力（从弯矩解释拉压应力）拉应力和压应力（圆角滚压、喷丸）拉应力和压应力（圆角滚压、喷丸） 轴颈圆角对曲轴应力的影响（轴颈圆角对曲轴应力的影响（1）轴颈圆角与应力集中轴颈圆角与应力集中轴颈圆角与轴承长度、下凹圆角（结构紧凑性）轴颈圆角与轴承长度、下凹圆角（结构紧凑性）变半径圆角变半径圆角 提高轴颈耐磨性的措施提高轴颈耐磨性的措施1 1、轴颈表面淬火（耐磨、轴颈表面淬火（耐磨 3-7mm)3-7mm)2 2、氮化、氮化 钢：提高钢：提高 60-80%60-80% 合金钢：合

14、金钢：20-30%20-30% 球铁：球铁：50-70%50-70% 附加好处：残余压应力附加好处：残余压应力 曲轴轴承的润滑曲轴轴承的润滑 机油泵机油泵-主油道主油道-主轴承主轴承-油槽（长度和油孔数）油槽（长度和油孔数）-曲轴油道曲轴油道-连杆大头轴承（进油口位置）连杆大头轴承（进油口位置）直油道直油道 or or 斜油道？斜油道？中空轴颈的曲轴油道中空轴颈的曲轴油道 连杆轴承油孔开口：轴承载荷最小小部位，出油顺畅、对油膜影响小连杆轴承油孔开口：轴承载荷最小小部位，出油顺畅、对油膜影响小 曲轴的平衡重曲轴的平衡重 平衡重的作用平衡重的作用 1 1、平衡离心力矩（、平衡离心力矩（3 3缸机）

15、缸机） 2 2、减小曲轴内力矩，减小主轴承偏磨、减小曲轴内力矩，减小主轴承偏磨平衡重的不利影响平衡重的不利影响 增加惯量增加惯量-固有频率固有频率-扭振扭振 曲轴的固定曲轴的固定-主轴承盖主轴承盖主轴承盖：瓦盖主轴承盖：瓦盖 整体式瓦盖、整体式瓦盖、 框架式机体框架式机体主轴承螺栓、平衡重螺栓主轴承螺栓、平衡重螺栓 曲轴的前端曲轴的前端 前端附件：皮带轮、发电机、水泵、空压机、转向助力、风扇、齿轮前端附件：皮带轮、发电机、水泵、空压机、转向助力、风扇、齿轮 扭振减振器扭振减振器前端：键连接前端：键连接前端密封：甩油盘前端密封：甩油盘+ +油封油封曲轴前轴段疲劳曲轴前轴段疲劳 曲轴的前端曲轴的前端 曲轴的后端曲轴的后端 1 1 后端：飞轮、齿轮系后端：飞轮、齿轮系曲轴法兰曲轴法兰飞轮螺栓飞轮螺栓飞轮定位销：曲轴和飞轮一起动平衡飞轮定位销：曲轴和飞轮一起动平衡曲轴甩油盘曲轴甩油盘+ +油封油封飞轮惯量：怠速转速稳定飞轮惯量：怠速转速稳定 过大、过小缺陷过大、过小缺陷 曲轴的止推（轴向定位） 轴向力：离合器、变速箱轴向力：离合器、变速箱翻边轴瓦、止推片翻边轴瓦、止推片 曲轴的止