07__曲軸設(shè)計

1、曲軸設(shè)計曲軸是發(fā)動機中最重要的機件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅 影響著發(fā)動機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機的可 靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動機其它零件的嚴重損壞，在發(fā) 動機的結(jié)構(gòu)改進中，曲軸的改進也占有重要地位。隨著內(nèi)燃機的發(fā)展與強 化，曲軸的工作條件越來越惡劣了。因此，曲軸的強度和剛度問題就變得 更加嚴重了。在設(shè)計曲軸時，必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、 材料與工藝，以求獲得經(jīng)濟最合理的效果。7.1 曲軸的工作條件、結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇7.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計要求曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力 以及它們的力矩共同作

2、用下工作的，從而使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞 應(yīng)力狀態(tài)；對內(nèi)不平衡的發(fā)動機曲軸還承受內(nèi)彎矩和剪力；未采取扭轉(zhuǎn)振 動減振措施使曲軸還可能作用著幅值較大的扭轉(zhuǎn)振動彈性力矩。這些載荷 都是交變性的，可能引起曲軸疲勞失效。實踐表明，彎曲載荷具有決定性 作用，彎曲疲勞失效是主要破壞形式。因此曲軸結(jié)構(gòu)強度的研究重點是彎 曲疲勞強度，曲軸設(shè)計上要致力于提高曲軸的疲勞強度。圖7-1曲軸的疲勞破壞a）彎曲疲勞破壞b）扭轉(zhuǎn)疲勞破壞曲軸形狀復雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當嚴重，特別在連桿軸頸與曲柄臂的 過渡圓角處和潤滑油孔出口附近的應(yīng)力集中尤為突出。通常的曲軸斷裂、 疲勞裂紋都始于過渡圓角和油孔處。圖7-1表明了曲軸彎曲疲勞

3、破壞和扭 轉(zhuǎn)疲勞破壞的情況。彎曲疲勞裂縫從 軸頸根部表面的圓角處發(fā)展到曲柄 上，基本上成450折斷曲柄；扭轉(zhuǎn)疲 勞破壞通常是從機械加工不良的油 孔邊緣開始，約成45°剪斷曲柄銷。 所以，在設(shè)計曲軸時，要特別注意設(shè) 法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象，強化應(yīng)力集中 部位。曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動摩 擦。這些軸承在實際變工況運轉(zhuǎn)條件下并不總能保證為液體摩擦，尤其當 潤滑油不潔凈時，軸頸表面遭到強烈的磨料磨損，使得曲軸的實際使用壽 命大大降低。所以，設(shè)計時，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好適當材料 的軸瓦。曲軸是曲柄連桿機構(gòu)中的中心環(huán)節(jié)，其剛度亦很重要。如果曲軸彎曲 剛度不

4、足，則可能發(fā)生較劇烈的彎曲振動，使活塞連桿和軸承的工作條件 大為惡化，影響這些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲軸箱局部應(yīng)力 過大而開裂。曲軸的扭轉(zhuǎn)剛度差，則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的扭 轉(zhuǎn)振動。輕則引起噪音，加速曲柄上齒輪等傳動件的磨損；重則使曲軸斷 裂。所以，設(shè)計時，應(yīng)保證它有盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。由于曲軸受力復雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設(shè)計時，至今還沒有 一個能反映客觀實際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設(shè)計主要是 依靠經(jīng)驗來設(shè)計。7.1.2 曲軸的材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強度決定著曲 軸的體積、重量和壽命。因此，必須根據(jù)內(nèi)燃機的用途及強化強

5、度，正確 的選用曲軸材料，在保證曲軸有足夠強度的前提下，盡可能采用一般材料。 以鑄代鍛，以鐵代鋼。作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機械性能以外， 還要求有高度的耐磨性，耐疲勞性和沖擊韌性。同時也要使曲軸的加工容 易和造價低廉。摩托車發(fā)動機曲軸通常用高強度、 沖擊韌性好的中碳鋼或中炭合金鋼, 經(jīng)模鍛和調(diào)質(zhì)處理，對軸頸表面通過高頻率淬火和氮化處理，經(jīng)精加工而 成。本設(shè)計中采用45鋼模鍛曲軸。7.1.3 曲軸結(jié)構(gòu)型式的選擇曲軸的結(jié)構(gòu)型式與其制造方法有直接關(guān)系，在進行曲軸設(shè)計時必須同 時考慮。曲軸有整體式曲軸和組合式曲軸兩大型式。而摩托車發(fā)動機常采 用組合式曲軸，這是因為其加工簡單，不需要大型模鍛設(shè)備

6、，它由曲軸左 半部、曲軸右半部及曲軸銷組成。通過液壓壓入的方法將其接合起來。本 設(shè)計中采用滾動軸承作主軸承。這是因為使用它具有以下優(yōu)點：1）可以采用隧道式曲軸，保證曲軸箱有較高的剛度和強度；2）可以減少摩擦損失，提高機械效率，因而使燃料消耗下降；3）發(fā)動機起動較為容易，尤其在氣溫較低的時候；4）采用滾動軸承后，對主軸的潤滑較易實現(xiàn)。7.1.4 曲軸強化的方法提高曲軸的疲勞強度是設(shè)計人員必須努力解決的問題。為了提高曲軸 的疲勞強度，可以采用一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計措施。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可以采用以下措施：1）提高曲柄銷和曲軸主軸頸的重疊度。2）采用較大的圓角半徑可以使圓角彎曲形狀系數(shù)下降，從而提高

7、彎曲 強度。3）軸頸上設(shè)計卸載槽使應(yīng)力分布更加均勻，而且沿軸頸和曲柄臂寬度 的最大應(yīng)力較小，還可能使軸頸到曲柄臂過渡圓角的半徑增大。4）曲柄銷的內(nèi)卸載孔相對其幾何軸線遠離曲柄半徑中心呈偏心布置使 圓角處的彎曲應(yīng)力降低，提高疲勞強度。5）增大曲柄臂的厚度和寬度。除了設(shè)計措施外，工藝方面利用特殊的機械加工方法、熱處理或化學 處理方法強化表面，以提高曲軸的疲勞強度。常用的表面強化工藝有以下 幾種：1）圓角高頻感應(yīng)淬火；2）圓角滾壓；3）氮化。7.2 曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計在選定曲軸材料、毛坯制造及其基本結(jié)構(gòu)型式后，便從單位曲拐（包 括主軸頸、曲柄銷和曲柄等主要部分）著手確定主要尺寸和結(jié)構(gòu)細

8、節(jié)。曲軸與活塞連桿組件和機體有密切的聯(lián)系，曲軸的設(shè)計不能孤立地進行。曲軸長度方向的尺寸基本上取決于缸心距L0o并列連桿式V型發(fā)動機的Lo主要決定于軸承負荷。所以，曲軸的基本尺寸大多根據(jù)發(fā)動機的總體 布置來考慮。7.2.1 曲柄銷的直徑D2和長度L2在考慮曲軸頸的粗細時，首先是確定曲柄銷的直徑C2o由內(nèi)燃機設(shè)計表5-1可知：V型發(fā)動機的D2/D （曲柄銷直徑/氣缸直徑）比值在0.55 0.62范圍。即D2=29.7033.48嘰由于位于同一曲軸銷上的每一對氣缸 的一級往復慣性力的合成變?yōu)橐粋€旋轉(zhuǎn)的離心力，再加上原有的離心力， 使總的離心負荷顯得特別大。因此，為減輕離心負荷希望V型發(fā)動機的D2/D

9、 較小。止匕外，V型發(fā)動機一般在曲柄銷上并列兩個連桿，每個連桿很窄，為 保證最佳的軸頸長度和直徑的比例，D/D也必須較小。綜合上述情況，在本次設(shè)計中取曲柄銷直徑 D2=30mm0從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作出發(fā)，應(yīng)使曲柄銷的長度12控制在一定范圍內(nèi)，同時注意曲拐各部分尺寸協(xié)調(diào)。由內(nèi)燃機設(shè)計表 5-1 可知。V型發(fā)動機曲柄銷長度12按12/D=0.450.60取值，即12=24.3032.4 mm時，軸承的承載能力最大。若12過長，則流經(jīng)軸承的機油量就減少，冷 卻度差，油溫升高而使油粘度下降，軸承的承載能力反而降低。止匕外，軸 承過長對曲軸變形的順應(yīng)性差，容易造成棱緣過負荷。軸承負荷越大，油

10、 膜厚度就越小，用相對較窄的軸承較好。為了保證曲柄強度，曲柄臂厚度 應(yīng)適當加厚，這也要求減小12。所以本次設(shè)計中取12=25 mm,其寬度與滾針 軸承相配合。連桿軸頸的尺寸可以依據(jù)承壓面的投影面積 F2=0.01/D2l 2 cm 2與活塞投 影面積F=tt D2/400 cm 2之比來校核。此比值據(jù)統(tǒng)計應(yīng)在 0.20.5范圍內(nèi)。而且汽油機偏下限，V型發(fā)動機也偏下限。在本次設(shè)計中，F(xiàn)2/F=4D22=0.33, 所以所設(shè)計的連桿軸頸符合要求。7.2.2 主軸頸的直徑Di如果從曲軸沿全長度具有等剛度要求出發(fā)，可以認為主軸頸與曲柄銷 一樣粗就行了。而從軸承負荷出發(fā)，由于主軸承最大負荷小于連桿軸承，

11、 因此主軸頸可以比曲柄銷更細。為了最大限度地加強曲軸的剛度，可適當 加粗主軸頸，這是因為加粗主軸頸能增加曲軸軸頸的重疊度，從而提高曲 軸剛度，但幾乎不增加曲軸的轉(zhuǎn)動慣量，故可提高自振頻率，減輕扭振危 害。同時，加粗主軸頸可相對縮短其長度，使曲柄加厚以加強整根曲軸的 薄弱環(huán)節(jié)(圖6-1B斷面)。由內(nèi)燃機設(shè)計表5-1可知，對V型發(fā)動機而言，主軸頸 D的取值 范圍為D= (0.600.70) D=32.4037.80 mm0根據(jù)以上分析，WJ取 D=35 mm。本設(shè)計中主軸頸選用滾動軸承，主軸頸長度與軸承寬度相配合，因此 參照機械設(shè)計手冊表 3.11-15選取207GB276-64型單列向心球軸承，

12、 該軸承的寬度為17mm07.2.3 曲柄臂摩托車發(fā)動機曲軸的曲柄臂形狀大多數(shù)采用橢圓或圓形，本設(shè)計中采 用圓形曲柄臂，這是由于圓形曲柄便于機械加工和拋光，而表面拋光是提 高合金鋼曲軸疲勞強度的重要措施之一。曲柄臂應(yīng)選擇適當?shù)暮穸?、寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強度。曲柄臂在曲拐平面內(nèi)的抗彎能力以其矩形斷面的抗彎模數(shù)W仃來衡量：bh2, 2、W(j= (mm )-6式中 b -曲柄臂的寬度(mm)；h 一曲柄臂的厚度(mm)。由上式可知，在提高曲拐平面內(nèi)的抗彎能力上，顯然，增加曲柄臂厚度h要比增加曲柄臂寬度b要好得多。有實驗例子表明，h增加10% W提高20%而實際抗彎強度可提高40% b增加1

13、0%抗彎能力也應(yīng)提高10% 而實際只提高了 5%這是因為曲柄臂越寬，應(yīng)力分布越不均勻。在本次設(shè) 計中，取 b=50 mm, h=8 mm0重疊度-R - -1.5DiD2:.二2符合小排量發(fā)動機采用組合式曲軸時，由于結(jié)構(gòu)限制，重疊度A為負值的要求。在軸頸與曲柄臂交界出，設(shè)計一個寬為0.5加的臺階，以便精磨軸頸和圓角時，砂輪不與曲柄臂相碰。在曲柄臂與軸頸連接處，為了減小應(yīng)力 集中，提高疲勞強度，往往采用圓角過渡。過渡圓角半徑的增大與其表面 粗糙度的降低，是增加曲軸疲勞強度的有效措施。通常取圓角半徑r=（0.05 0.09） D1=1.75 3.15 mm,取 r=2 mm07.2.4 平衡重鑄造

14、曲軸的平衡重一般與曲軸鑄成一體，這樣可使加工較簡單，并且 工作可靠。平衡重應(yīng)盡可能使其重心遠離曲軸旋轉(zhuǎn)中心，即用較輕的重量 達到較好的效果，以便盡可能減輕曲軸重量。平衡重的徑向尺寸和厚度應(yīng) 以不碰活塞裙底和連桿大頭能通過為限度。7.2.5 油道布置本設(shè)計中采用分路供油為保證曲軸軸承工作可靠，對它們必需有充分的潤滑。一般采用油壓 為26bar的壓力進行潤滑。將潤滑油輸送到曲軸油道中去的供油方法有 兩種，一種是集中供油，另一種是分路圖7-2有利油道取向油道布置主要根據(jù)潤滑供油充 分和其對曲軸疲勞強度的影響來決 定。主軸頸上的油孔入口應(yīng)保證向曲 軸銷供油充分；曲柄銷上的油孔出口 應(yīng)設(shè)在較低負荷區(qū)，以

15、提高軸瓦的供 油能力。油孔的位置應(yīng)參考軸承負荷 圖和軸心軌跡圖來確定。油道的取向 對扭轉(zhuǎn)疲勞強度的影響很顯著。油孔 出口與軸頸表面的交線形成的橢圓， 如其長軸與軸頸受純扭轉(zhuǎn)時的最大 拉應(yīng)力（T i相平行（圖7-2）,油道取 向就有利提高疲勞強度。實驗表明：油孔夾角 8與B大 些，都可提高曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞拉力。在相同的扭矩作用下，9角越大，沿油孔走向的截面所受的拉應(yīng)力就越小。 此外，油孔夾角8還決定了橢圓孔口的長軸與最大拉應(yīng)力的夾角的大小。 9角越大，橢圓孔的長軸與最大拉應(yīng)力的角度越小。油道布置中 9角不小 于55°,小角盡量接近90°,這是考慮到曲軸的承載是彎矩組合，小角大些

16、 曲柄銷油孔出口靠近曲拐平面內(nèi)彎曲的中性平面。強化曲軸的油孔出口應(yīng)為圓角，并拋光。7.2.6 曲軸兩端的結(jié)構(gòu)曲軸上帶動輔助系統(tǒng)的驅(qū)動鏈輪（正時鏈輪）一般裝在曲軸的前端， 對多缸發(fā)動機而言往往把傳動齒輪裝在曲軸后端。消除扭轉(zhuǎn)振動的減振器 無疑應(yīng)裝在曲軸前端，因為這里的振幅最大。驅(qū)動齒輪裝在前端采用鍵連 接。曲軸后端設(shè)有法蘭和加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。 且定位銷的布置是不對稱的或只有一個。7.2.7 曲軸的止推為了防止曲軸由于受熱膨脹而伸長或受斜齒輪及離合器等的軸向力而 產(chǎn)生軸向移動，在曲軸和機體之間設(shè)置了一個止推軸承。為了使曲軸相對 于機體能自由的沿軸向作熱膨脹，止推軸承只能設(shè)置

17、一個，且設(shè)在前端， 從而可以減小軸向移動對配氣定時和供油定時的影響。曲軸的軸向和間隙 應(yīng)保持 2=0.050.29 （mm） 0其它各主軸承面間隙應(yīng)保證曲軸受熱，伸長 時能自由延伸。7.2.8 曲軸的油封裝置發(fā)動機工作時，為了防止曲軸前端沿著軸向漏油，曲軸應(yīng)有油封裝置。 在摩托車發(fā)動機上采用的油封結(jié)構(gòu)都是組合式的，一般常采用甩油盤和反 油螺紋進行密封。反油螺紋和機體的間隙為 0.250.30 mm,安裝時必須注 意同心度。7.3曲軸的疲勞強度校核多缸機曲軸是靜不定的多支承空間連續(xù)梁，曲軸的應(yīng)力狀態(tài)，與支座 彎矩有關(guān)，并受支座彈性和軸承孔的不同心度影響。因此用連續(xù)法計算曲 軸強度較為合理。7.3

18、.1 曲拐的受力分析對于多缸發(fā)動機的曲軸實際上是一多支承連續(xù)梁，受力比較復雜。為 了分析其基本受力情況，采用簡支梁法進行分析。所謂簡支梁法即假定曲 軸為一不連續(xù)梁，把曲軸合成幾段，每段當作簡支梁分析。曲拐的受力如圖7-3所示，作用在曲拐上的力和力矩有：1）沿曲拐半徑方向作用的徑向力，其中包括K氣體壓力和活塞連桿往復運動的慣性力所產(chǎn)生的徑向力；Ki一連桿旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力；&一曲柄 銷的離心力。設(shè)使曲柄受壓的 K力為正；2）沿垂直于曲拐半徑方向的切向力 T,設(shè)指向旋轉(zhuǎn)方向為正；，TH圖7-3單元曲拐受力簡圖i 13）由前面氣缸傳來的扭矩 Mi =；4）由右邊主軸頸傳出的扭矩 M j 1 =

19、 M j =】； i5）曲柄的離心力R;6）平衡重的離心力Pp；7）主軸承的垂直支反力Rki和Rk（T）；8）主軸承的水平支反力RTi和Rt（t）。以上各作用力都按集中處理，作用點如圖 7-3所示，這些力除Ki、& 和P、Pp外均具有周期性交變的性質(zhì)，即曲軸在不同的轉(zhuǎn)角位置時，這些 力具有不同的值或符號。7.3.2 安全系數(shù)的計算曲軸的安全系數(shù)即曲軸強度的儲備系數(shù)，它表示曲軸本身的疲勞強度 與工作應(yīng)力之比。圓角安全系數(shù)可用下式計算：只考慮彎曲時的安全系數(shù):只考慮扭轉(zhuǎn)時的安全系數(shù):式中-1、T-1 一曲軸材料對稱循環(huán)彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞極限。對于結(jié)構(gòu)鋼曲軸的預算可采用：(7-1=0.45 (T

20、b,其中為材料的 拉伸強度極限。由材料力學查得(Tb=598MPa則 (T -i=269.1MPa, -1 = ( 0.55 0.60 )6-1=148 161.46MPq 取 t-1 =150MPak仃、kT 一分別為彎曲和扭轉(zhuǎn)時圓角處的應(yīng)力集中系數(shù)；KJLP 強化系數(shù)，由內(nèi)燃機設(shè)計表 5-4查得=1.3;，、% 絕對尺寸影響系數(shù)，由內(nèi)燃機設(shè)計表 5-5查得%=0.91 , ， =0.89 ;中仃、中七一材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)。其值可通過2：2 .，一 人W丁=匕來計算，。°、石。分別為脈動循環(huán)時材料的彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞極限，對于鋼曲軸 = (1.4 1.6 ) =376.74 430.56MPa % = ( 1.6 2.0) =240300MPa 取仃0=400MPa %=250MPa 貝 中 0=0.35 ,中 T =0.2 ;一圓角彎曲名義應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力;一名義切應(yīng)力的應(yīng)力幅。要計算彎曲圓角處的應(yīng)力集中系數(shù) kb 首先要求得彎曲形狀系數(shù) 為和彎曲應(yīng)力集中敏感系數(shù) qQ0而aQuamf1f2f