發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、精品2.1曲軸的結(jié)構(gòu)曲軸的作用是把活塞往復(fù)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【18 】時，驅(qū)動配氣機構(gòu)和其它輔助裝置，如風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機等。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。一個主軸頸、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。平衡重用來平衡

2、發(fā)動機不平衡的離心力矩及一部分往復(fù)慣性力，從而保證【19 】了曲軸旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。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)等感謝下載載精品于氣缸數(shù)的一半。曲軸前端裝有正時齒輪，以驅(qū)動風(fēng)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)作功的兩缸保持盡量遠

3、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)角內(nèi)， 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(fēng)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(fù)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情況十分復(fù)雜，它

4、是在周期性變化的燃氣作用力、往復(fù)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(fù)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(fù)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 】所示。，如圖 2.1感謝下載載精品圖 2.11- 彎曲疲勞裂紋2- 扭轉(zhuǎn)疲

5、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，也會使曲軸產(chǎn)生彎曲疲

6、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，所以感謝下載載精品扭轉(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)速范圍內(nèi)時。扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的斷面與

7、軸線相交成 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(xiāng)/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【25 】轉(zhuǎn)疲勞破壞就會得以控制。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：感謝下載載精品1.具有足夠的疲勞

9、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；【26 】5.材料選擇適當(dāng)，制造方便。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。另一種是非全支承曲軸。其曲軸的

10、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【27 】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。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?！?8 】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；鍛造時無需較大的鍛壓設(shè)備，制造方便，熱處理

11、和機械加工業(yè)較方便，并可縮短生產(chǎn)周期。當(dāng)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。一般的說，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。在感謝下載載精品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，生產(chǎn)效率價高。鐓鍛可節(jié)約大量金屬材料

12、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內(nèi)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、耐磨性、耐嚴重的熱和機械沖擊、耐高溫或低溫、耐腐蝕【2

13、9 】以及尺寸穩(wěn)定性的曲軸較適用。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)內(nèi)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(xí)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)、實際受力狀況感謝下載載精品及用途，本設(shè)計曲軸毛坯采用鑄造方法，曲軸材料選擇球墨鑄鐵QT60-2 。2.6曲軸的主要部件設(shè)計2

14、.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)計直接影響了內(nèi)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(dǎo)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 ,這有利于縮短內(nèi)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)速范圍內(nèi)產(chǎn)生共振的可能性。一般情

15、況下曲柄銷直徑D2 總是小于主軸頸直徑【30 】D1。2.6.2曲柄臂曲柄臂在曲柄平面內(nèi)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(dāng)?shù)膶挾群秃穸龋⑦x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【31 】度，而從提高曲柄臂的抗彎強度來說，增加厚度比增加寬度效果要好得多。2.6.3曲軸圓角曲軸主軸頸和曲柄臂連接的圓角稱為主軸頸圓角，曲柄銷和曲柄臂連接的圓角稱為曲柄銷圓角。這些過渡圓角能夠減小應(yīng)力集中，提高疲勞強度，其半徑的增大與其表面【32 】光潔程度的提高，是增加曲軸疲勞強度的有效措施。曲軸圓角

16、半徑 r 應(yīng)足夠大，但是圓角半徑過小會使應(yīng)力集中嚴，而圓角半徑的增大會使軸頸承壓的有效長度減小，因而也會減小軸承承壓面積。為增大曲軸圓角半徑，且感謝下載載精品不縮短軸頸的有效工作長度，可采用沉割圓角，但設(shè)計沉割圓角時應(yīng)注意保證曲柄臂有足夠厚度。曲軸圓角也可由半徑不同的二圓弧和三圓弧組成，當(dāng)各段圓弧半徑選擇適當(dāng)時可提高曲軸疲勞強度。由于沉割圓角和二圓弧以及三圓弧設(shè)計工藝十分的復(fù)雜，設(shè)計要求較高，以我們現(xiàn)階段的水平難以得出準確結(jié)果， 故而本設(shè)計采用等圓弧圓角。 由柴油機設(shè)計手冊 （上）可知： r / D0.045 ，即 r5.94mm 。故取曲軸圓角半徑r =6.00mm。2.6.4潤滑油道軸承的

17、工作能力在很大程度上決定于摩擦表面的額潤滑品質(zhì)。因此，為了保證軸承的可靠性，主軸頸和曲柄銷通常都采用壓力潤滑。曲軸上油道和油孔的設(shè)計，對于曲軸軸承的潤滑及曲軸強度都有重要的影響，因此必須十分慎重的選擇油道方案和確定油孔的位置。將潤滑油輸送到曲軸油道中去的供油方式有兩種：一種是集中供油，即將曲軸內(nèi)部做成中空的連續(xù)孔道，作為內(nèi)燃機的主油道，機油從曲軸的一端輸入曲軸，然后經(jīng)曲軸內(nèi)孔串聯(lián)流向各軸承；另一種是分路供油，即機油從曲軸箱上的主油道并聯(lián)進入各個主軸承，然后通過曲軸的油道再進入相應(yīng)的連桿軸承。采用集中供油時，因為機油從一端進入曲軸后需要克服很大的離心力和流動阻力，才能供到另一端的軸承，壓力損失較

18、大。為了保持最后潤滑的軸承仍有一定的油壓，進入軸承的油壓必須很高，這使得曲軸油腔的密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因而多數(shù)內(nèi)燃機采用分路供油，且本設(shè)計也采用分路供油。油道布置主要根據(jù)潤滑供油充分和對曲軸疲勞強度的影響來決定，主軸頸上的油孔入口應(yīng)保證像曲柄銷供油充分；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?qū)εまD(zhuǎn)疲勞感謝下載載精品強度的影響很顯著。圖 2.2曲軸中油道的布置有很多方式， 其中斜線油道在結(jié)構(gòu)上是最簡單的，如圖 2.2 所示。但其缺點是曲柄臂與軸頸過渡處被削弱，降低了曲軸的強度，油道與軸頸的表面交線呈橢圓形，斜角愈大橢圓度愈大，油孔邊緣處的應(yīng)力集中就愈嚴重，斜線油孔加工工藝復(fù)雜，為避免上述缺點，可從曲柄臂肩部鉆一斜孔，貫通曲柄銷和主軸頸，再在此兩個軸頸上鉆直油孔接通，最后將曲柄臂肩部孔堵死。油道也可布置成如圖2.3 所示的形式，油孔由曲柄臂鉆入到主軸頸，再由曲柄臂和主軸頸表面垂直鉆通，這樣的油道布置，工藝較為復(fù)雜，但能夠有效的提高曲軸的疲勞強度。圖 2.3感謝下載載精品由于本設(shè)計曲軸的軸頸及曲柄臂直徑都比較粗，重疊度也比較大，再考慮到油道加工的工藝性，因而本設(shè)計油道的布置方式選擇斜線油道油道加工的工藝性。2.6.5平衡重平衡塊是用來平衡曲軸不平衡的離心慣性力和離心慣性力矩。設(shè)計平衡重時，平衡重應(yīng)盡可