發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、2.1 曲軸的結(jié)構(gòu)曲軸的作用是把活塞往復運動通過連桿轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，傳給底盤的傳動機構(gòu)。同 時，驅(qū)動配氣機構(gòu)和其它輔助裝置，如風扇、水泵、發(fā)電機等【18】。曲軸一般由主軸頸，連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成，如圖 1.1所示' 個主軸頸、一個連桿軸頸和一個曲柄組成了一個曲拐，直列式發(fā)動機曲軸的曲拐數(shù)目等 于氣缸數(shù)，而V型發(fā)動機曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。圖1.1主軸頸是曲軸的支承部分，通過主軸承支承在曲軸箱的主軸承座中。主軸承的數(shù)目 不僅與發(fā)動機氣缸數(shù)目有關(guān)，還取決于曲軸的支承方式。曲柄是主軸頸和連桿軸頸的連接部分，斷面為橢圓形，為了平衡慣性力，曲柄處常 設(shè)置平衡重。平衡重用

2、來平衡發(fā)動機不平衡的離心力矩及一部分往復慣性力，從而保證 了曲軸旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性【19】。曲軸的連桿軸頸是曲軸與連桿的連接部分，曲柄與主軸頸的相連處用圓弧過渡，以 減少應(yīng)力集中。直列發(fā)動機的連桿軸頸數(shù)目與氣缸數(shù)相等而 V型發(fā)動機的連桿軸頸數(shù)等 于氣缸數(shù)的一半。曲軸前端裝有正時齒輪，以驅(qū)動風扇和水泵的皮帶輪以及起動爪等。為了防止機油 沿曲軸軸頸外漏，在曲軸前端裝有一個甩油盤，在齒輪室蓋上裝有油封。曲軸的后端用 來安裝飛輪，在后軸頸與飛輪凸緣之間制成檔油凸緣與回油螺紋， 以阻止機油向后竄漏。曲軸的形狀和曲拐相對位置取決于氣缸數(shù)、氣缸排列和發(fā)動機的發(fā)火順序。多缸發(fā) 動機的發(fā)火順序應(yīng)使連續(xù)作功的兩缸保持盡

3、量遠的距離，這樣既可以減輕主軸承的載 荷，又能避免可能發(fā)生的進氣重疊現(xiàn)象。此外作功間隔應(yīng)力求均勻，也就是說發(fā)動機在 完成一個工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角，每個氣缸都應(yīng)發(fā)火作功一次，以保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。曲軸的作用：它與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力變?yōu)樾D(zhuǎn)的動力，傳給底盤 的傳動機構(gòu)。同時，驅(qū)動配氣機構(gòu)和其它輔助裝置， 如風扇、水泵、發(fā)電機等。工作時， 曲軸承受氣體壓力，慣性力及慣性力矩的作用，受力大而且受力復雜，并且承受交變負 荷的沖擊作用。同時，曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件，因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強度， 具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤滑良好 【20】。2.2 曲軸的疲勞損壞形式 曲軸的工作

4、情況十分復雜，它是在周期性變化的燃氣作用力、往復運動和旋轉(zhuǎn)運動 慣性力及其他力矩作用下工作的，因而承受著扭轉(zhuǎn)和彎曲的復雜應(yīng)力。曲軸箱主軸承的 不同心度會影響到曲軸的受力狀況， 其次，由于曲軸彎曲與扭轉(zhuǎn)振動而產(chǎn)生的附加應(yīng)力， 再加上曲軸形狀復雜，結(jié)構(gòu)變化急劇，產(chǎn)生了嚴重的應(yīng)力集中。最后曲軸主軸頸與曲柄 銷是在比壓下進行高速轉(zhuǎn)動，因而產(chǎn)生強烈的磨損。因此柴油機在運轉(zhuǎn)中發(fā)生曲軸裂紋 和斷裂事故不為鮮見，尤其是發(fā)電柴油機曲軸疲勞破壞較多。依曲軸產(chǎn)生裂紋的交變應(yīng) 力的性質(zhì)不同， 主要有以下三種疲勞裂紋 :彎曲疲勞裂紋、 扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋和彎曲一扭轉(zhuǎn)疲 勞裂紋【21】，如圖 2.1所示圖2.11-彎曲疲勞裂紋

5、2-扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋2.2.1 彎曲疲勞裂紋曲軸的彎曲疲勞裂紋一般發(fā)生在主軸頸或曲柄銷頸與曲柄臂連接的過渡圓角處，或逐漸擴展成橫斷曲柄臂的裂紋，或形成垂直軸線的裂紋。彎曲疲勞試驗表明，過渡圓角 處的最大應(yīng)力出現(xiàn)在曲柄臂中心對稱線下方。應(yīng)力沿曲軸長度方向的分布是在中間的和端部的曲柄有較大的彎曲應(yīng)力峰值。因此，曲軸彎曲疲勞裂紋常發(fā)生在曲軸的中間或兩 端的曲柄上。曲軸彎曲疲勞破壞通常是在柴油機經(jīng)過較長時間運轉(zhuǎn)之后發(fā)生。因為長時間運轉(zhuǎn)后柴油機的各道主軸承磨損不均勻，使曲軸軸線彎曲變形，曲軸回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生過大的附加交 變彎曲應(yīng)力。此外，曲軸的曲柄臂、曲柄箱或軸承支座（機座）等的剛性不足，柴油機短時間運轉(zhuǎn)后，也會

6、使曲軸產(chǎn)生彎曲疲勞破壞。2.2.2 扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋曲軸在扭轉(zhuǎn)力矩作用下產(chǎn)生交變的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，存在扭振時還會產(chǎn)生附加交變扭轉(zhuǎn)應(yīng) 力，嚴重時會引起曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞。扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋一般發(fā)生在曲軸上應(yīng)力集中嚴重的油孔或過渡圓角處，并在軸頸上沿 著與軸線成45。角的兩個方向擴展。這是因為軸頸的抗扭截面模數(shù)較曲柄臂的小，所以扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋多自過渡圓角向軸頸擴展，而很少向曲柄臂擴展。但若同時存在較強的彎曲應(yīng)力，則裂紋也可自圓角向曲柄臂擴展，造成曲柄臂彎曲斷裂通常扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋發(fā)生在曲輛扭振節(jié)點附近的曲柄上發(fā)生扭磚疲勞裂紋的時間一般是在柴油機運轉(zhuǎn)初期和曲軸的臨界轉(zhuǎn)速位于工作轉(zhuǎn)速圍時。 扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的斷面與軸 線相交成

7、 45 °角，斷面上的裂紋線近似螺旋線 【22】【23】。2.2.3 彎曲 - 扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋曲軸的疲勞破壞還可能是由于彎曲與扭轉(zhuǎn)共同作用造成常常由于主軸承不均勻磨損造成曲軸上產(chǎn)生彎曲疲勞裂紋，繼而在彎曲與扭轉(zhuǎn)的共同作用下使裂紋擴展、斷裂， 最后斷裂面與軸線成 45°角。斷面上自疲勞源起約 2/3 的面積為貝紋區(qū)， 呈暗褐色； 剩余 l/3 的面積為最后斷裂區(qū)， 斷面凹凸不平， 晶粒明亮。圓形波紋狀紋理是彎曲疲勞造成的， 放射狀紋理是扭轉(zhuǎn)疲勞造成的，兩種紋理交織成蛛網(wǎng)狀。彎曲一扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋有時也呈 以彎曲疲勞為主或以扭轉(zhuǎn)疲勞為主的破壞形式。因此，在具體情況下，應(yīng)根據(jù)斷面上的

8、紋理、裂紋方向和最后斷裂區(qū)進行分析判斷 【24】。生產(chǎn)中，曲軸的彎曲疲勞破壞遠遠多于鈕轉(zhuǎn)疲勞破壞。其主要原因是由于曲軸彎曲 應(yīng)力集中系數(shù)大于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，曲軸的彎曲應(yīng)力難于精確計算和控制。柴油機運 轉(zhuǎn)中，曲軸的各道主軸承磨損是很難掌握和計算的，由它所引起的曲軸變形和附加彎曲 應(yīng)力也就難于討算和控制了。相反，曲軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力可以通過計算準確掌握，并可采取 有效的減振措施予以平衡，只要避免柴油機在臨界轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過載，曲軸的扭 轉(zhuǎn)疲勞破壞就會得以控制 【25】。2.3 曲軸的設(shè)計要求根據(jù)上述曲軸的損壞形式及其原因，且為避免這些損壞，曲軸在設(shè)計過程中應(yīng)盡量 滿足以下的要求：1. 具有足夠的疲

9、勞強度， 以保證曲軸工作可靠。 盡量減小應(yīng)力集中， 加強薄弱環(huán)節(jié)；2. 具有足夠的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，使曲軸變形不致過大，以免惡化活塞連桿組及軸承 的工作條件；3. 軸頸就有良好的耐磨性，保證曲軸和軸承有足夠的壽命；4. 曲柄的排列應(yīng)合理，以保證柴油機工作均勻，曲軸平衡性良好，以減少振動和主 軸承最大負荷；5. 材料選擇適當，制造方便 【26】。2.4 曲軸的結(jié)構(gòu)型式曲軸的支承方式一般有兩種，一種是全支承曲軸，其曲軸的主軸頸數(shù)比氣缸數(shù)目多 一個，即每一個連桿軸頸兩邊都有一個主軸頸。 這種支承， 曲軸的強度和剛度都比較好， 并且減輕了主軸承載荷，減小了磨損。柴油機和大部分汽油機多采用這種形式。另一種

10、 是非全支承曲軸。其曲軸的主軸頸數(shù)比氣缸數(shù)目少或與氣缸數(shù)目相等。這種支承方式叫 非全支承曲軸，雖然這種支承的主軸承載荷較大，但縮短了曲軸的總長度，使發(fā)動機的 總體長度有所減小。有些汽油機，承受載荷較小可以采用這種曲軸型式【27】。鑒于本課題所設(shè)計的 1015 柴油機為四缸，故而動機的總體長度較小。且其常用于 重型載重車，曲軸的強度及剛度要求都較高，因此設(shè)計采用全支承曲軸。曲軸從結(jié)構(gòu)上可分為整體式和組合式。 整體式曲軸的毛胚由整根鋼料鍛造或鑄造方 法澆鑄出來，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、重量輕、工作可靠、剛度和強度較高等優(yōu)點。 組合式曲軸是分段制造的，鑄造時容易保證質(zhì)量，降低廢品率 【28】；鍛造時

11、無需較大的 鍛壓設(shè)備，制造方便，熱處理和機械加工業(yè)較方便，并可縮短生產(chǎn)周期。當生產(chǎn)后使用 中某個曲柄發(fā)現(xiàn)有缺陷時，可以局部更換而不必報廢整個曲軸。般的說，在選擇曲軸結(jié)構(gòu)時，只要生產(chǎn)設(shè)備允許應(yīng)該盡可能采用整體式曲軸。在 大型柴油機上由于曲軸尺寸與重量都較大， 整體制造極為困難是， 往往采用組合式曲軸。 對于本課題得設(shè)計，曲軸的尺寸較小及重量較輕，所以選擇整體式的。2.5 曲軸的材料曲軸的常用材料根據(jù)其毛坯制造方法的不同可分為鍛造曲軸材料和鑄造曲軸材料 兩大類。鍛造游客分為自由鍛、模鍛和鐓鍛。自由鍛適用于較小設(shè)備生產(chǎn)大型曲軸，但 效率太低，加工余量也大。模鍛需要一套較貴的鍛模設(shè)備和較大的鍛壓設(shè)備，

12、生產(chǎn)效率 價高。鐓鍛可節(jié)約大量金屬材料和機械加工工時，且加工出的曲軸能充分發(fā)揮材料的強 度。鍛造曲軸常用材料為普通碳素鋼及合金鋼。鑄造曲軸常用材料為球墨鑄 QT60-2 、 可斷鑄鐵 KTZ70-2 、合金鑄鐵及鑄鋼 ZG35 等。在強化程度要求不高的燃機中，一般 選用普通碳素鋼，碳素鋼的韌性比合金鋼高，可以降低扭轉(zhuǎn)振動振幅。合金鋼多用于強 化要求高的柴油機曲軸，其疲勞強度高但對應(yīng)力集中敏感性大，因而對機械加工要求也 高。球墨鑄鐵價格低廉，制造方便，對應(yīng)力集中不敏感，并可以通過合理的造型降低應(yīng) 力的集中，還可通過加入合金元素、熱處理、表面強化等方法提升其性能。因此對于要 求高的強度、塑性、韌性

13、、耐磨性、耐嚴重的熱和機械沖擊、耐高溫或低溫、耐腐蝕以 及尺寸穩(wěn)定性的曲軸較適用 【29】。但球墨鑄鐵延伸率、沖擊韌性、彈性模數(shù)及疲勞強度 較低，在使用其作為曲軸材料時，應(yīng)該確保軸頸和曲柄臂厚度較粗。曲軸的材料應(yīng)具有較高的疲勞強度、必要的硬度以及較好的淬透性。在選取材料是 不僅要考慮到機械性能，同時也要考慮工藝性、資源性和經(jīng)濟性。在選擇材料時，需要 根據(jù)燃機類型、用途及生產(chǎn)條件，確定曲軸毛坯的制造方法。并參考同類近似機型所用 材料，根據(jù)曲軸受力情況和使用習慣，憑經(jīng)驗選取。根據(jù)上述各種毛坯制造方法及材料特點，并結(jié)合 1015 柴油機結(jié)構(gòu)、實際受力狀況 及用途，本設(shè)計曲軸毛坯采用鑄造方法，曲軸材料

14、選擇球墨鑄鐵 QT60-22.6 曲軸的主要部件設(shè)計2.6.1 主軸頸和曲柄銷主軸頸和曲柄銷是曲軸最重要的兩對摩擦副， 他們的設(shè)計直接影響了燃機的工作可 靠性、外形尺寸及維修。軸頸的尺寸和結(jié)構(gòu)與曲軸的強度、剛度及潤滑條件有密切的關(guān) 系。曲軸的直徑越大，曲軸的剛度也越大，但軸頸直徑過大會引起表面圓周速度增大， 導致摩擦損失和機油溫度的增高。 曲柄銷直徑的增大會引起旋轉(zhuǎn)離心力及轉(zhuǎn)動慣量的劇 烈增加，并使連桿大頭的尺寸增大，這不利于連桿通過氣缸取出，因此在保證軸承比壓 不變的情況下，采用較大的軸頸直徑 D1 ,減小主軸頸長度 L1 ,這有利于縮短燃機的長度或 者加大曲柄臂的厚度采用短而粗的主軸頸可提高曲軸扭振的自振頻率， 減小在工作轉(zhuǎn)速 圍產(chǎn)生共振的可能性。一般情況下曲柄銷直徑 D2 總是小于主軸頸直徑 D1【30】。2.6.2 曲柄臂 曲柄臂在曲柄平面的抗彎曲剛度和強度都較差，往往因受交變彎曲應(yīng)力而引起斷 裂。因此曲柄臂是整體曲軸上最薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)計時應(yīng)注意適當?shù)膶挾群秃穸?，并選擇 合理的形狀，以改善應(yīng)力的分布狀況。增大曲柄臂的厚度和寬度都可以增大曲柄臂的強