發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、目錄1 緒論1.1 本課題的目的及意義1.2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展1.2.2 曲軸強(qiáng)度計(jì)算發(fā)展 1.3 有限元分析2 1015柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 曲軸的結(jié)構(gòu)2.2 曲軸的疲勞損壞形式2.2.1 彎曲疲勞裂紋2.2.2 扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋2.2.3 彎曲一扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋 2.3 曲軸的設(shè)計(jì)要求2.4 曲軸的結(jié)構(gòu)型式2.5 曲軸的材料2.6 曲軸的主要部件設(shè)計(jì)2.6.1 主軸頸和曲柄銷(xiāo) 2.6.2 曲柄臂2.6.3 曲軸圓角2.6.4 潤(rùn)滑油道2.6.5 平衡重2.6.6 曲軸兩端和軸向止推 2.6.7 曲軸的強(qiáng)化2.7 曲軸的強(qiáng)度校核2.7.1 曲柄銷(xiāo)應(yīng)力2

2、.7.2 圓角形狀系數(shù)2.7.3 安全系數(shù)3有限元分析3.1 ANSYS軟件介紹3.2 整體曲軸有限元模型的建立 3.2.1 有限元網(wǎng)格的劃分3.2.2 載荷狀況的確定3.3 曲軸整體模型計(jì)算結(jié)果分析 3.3.1 壓應(yīng)力分析3.3.2 拉應(yīng)力分析3.4 疲勞強(qiáng)度校核3.5 結(jié)論4 總結(jié)參考文獻(xiàn)致謝1 緒論1.1 本課題的目的及意義柴油機(jī)與汽油機(jī)相比其燃料、可燃混合氣的形成以及點(diǎn)火方式都不相同，而柴油 機(jī)采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度 ，因此柴油機(jī)的功率更大、經(jīng)濟(jì)性能更好，這也 導(dǎo)致柴油機(jī)工作壓力大，要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，所以柴油機(jī)比 較笨重，體積較大；柴油機(jī)的噴油泵與噴嘴制造

3、精度要求高，所以成本較高；另外，柴油機(jī)工作粗暴，振動(dòng)噪聲大；柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車(chē)時(shí)起動(dòng)困難。因而柴油發(fā)動(dòng) 機(jī)一般用于大、中型載重貨車(chē)上 。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，其尺寸與內(nèi)燃機(jī)整體尺寸和重量有很大關(guān)系，如曲柄銷(xiāo) 直徑直接影響連桿大端尺寸和重量，后者又影響曲軸箱寬度，曲軸單位曲柄長(zhǎng)度影響內(nèi) 燃機(jī)總長(zhǎng)度，曲軸尺寸大小在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的外形尺寸和重量。曲軸是內(nèi)燃 機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要組成部分、三大運(yùn)動(dòng)件之一，是主要傳力件。它的功用是把氣缸 中所作的功，通過(guò)活塞連桿匯總后以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式輸出。止匕外，曲軸還傳動(dòng)保證內(nèi)燃機(jī) 正常工作需要的機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)附件（如配氣機(jī)構(gòu)、燃油泵、水泵、潤(rùn)滑油泵等），因

4、此曲軸 工作的可靠性和壽命在很大程度上影響內(nèi)燃機(jī)工作的可靠性和壽命。曲軸的工作情況及其復(fù)雜，基本工作載荷是彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷；對(duì)內(nèi)不平衡的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸還承受內(nèi) 彎矩和剪力；未采取扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振措施的曲軸還可能作用著幅值較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)彈性力 矩。這些載荷都是交變性的，可能引起曲軸疲勞失效。曲軸的破壞事故可能引起其它零 件的嚴(yán)重?fù)p壞。曲軸又是一根連續(xù)曲梁，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，剛性差，材質(zhì)要求嚴(yán)，制造要 求高，是內(nèi)燃機(jī)造價(jià)最貴的機(jī)件。隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展與強(qiáng)化，曲軸的工作條件愈加嚴(yán)酷 了，必須在設(shè)計(jì)上正確選擇曲軸的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合理的尺寸、合適 的材料與恰當(dāng)?shù)墓に嚕郧螳@得滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果 。由以

5、上所述可以看出曲軸設(shè)計(jì) 的重要性。1.2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在過(guò)去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展。 在曲軸的設(shè)計(jì)初期一般是按照 已有的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或者與已有的曲軸進(jìn)行類(lèi)比設(shè)計(jì) 。在進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)后造出曲 軸樣品再進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn) 。曲軸設(shè)計(jì)發(fā)展到今天已經(jīng)有了很大的發(fā)展。隨著內(nèi)燃機(jī)向高可靠性、高緊湊性、高經(jīng)濟(jì)性的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)、 試湊、定性為主要設(shè)計(jì)內(nèi)容的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足要求，而隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不 斷發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到采用包括有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 等現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)在內(nèi)的計(jì)算機(jī)分析、

6、預(yù)測(cè)和模擬階段 同。有限元法是最有效的數(shù)值 計(jì)算方法之一，它使人們對(duì)零部件關(guān)鍵參數(shù)的理解和設(shè)計(jì)更進(jìn)了一步。有限元法在曲軸 的設(shè)計(jì)計(jì)算中有廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的是用以計(jì)算單拐曲鈾在受彎、扭時(shí)各過(guò)渡圓角及油 孔處的應(yīng)力分布；也常用來(lái)計(jì)算曲柄在受彎或扭時(shí)的變形或剛度；偶爾也見(jiàn)用于曲軸連 續(xù)梁的計(jì)算，用以計(jì)算支座反力、支座彎矩及曲拐上的名義應(yīng)力I10,o根據(jù)不同計(jì)算目的，在選擇計(jì)算模型及進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，也有不同的考慮。例如在 計(jì)算受法向力載荷下的彎曲應(yīng)力時(shí)，多選用三維模型，且在圓角等應(yīng)力集中嚴(yán)重處采用 細(xì)密的網(wǎng)格劃分；只有在作定性分析或作圓角方案對(duì)比時(shí)，才可選用平面變厚度模型。 至于計(jì)算受扭時(shí)的應(yīng)力，則必

7、須用三維模型。若用以計(jì)算曲柄的抗彎、抗扭剛度，則均 以三維模型為宜，且可采用組的網(wǎng)格劃分，甚至略去圓角等細(xì)微構(gòu)形的影響，因?yàn)榫W(wǎng)格 劃分的組細(xì)及圓角等構(gòu)形的影響，對(duì)剛度計(jì)算的精度影響甚小。由于曲軸工作時(shí)所受載 荷及約束均十分復(fù)雜，因此對(duì)整根曲軸進(jìn)行有限元計(jì)算不易獲得成功。這種能描繪整根 曲軸并能詳細(xì)給出應(yīng)力數(shù)據(jù)的模型也必然太龐大，求解耗費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)，費(fèi)用太貴，也受 計(jì)算機(jī)計(jì)算容量的限制1111 0較合理的模型是用較小的有代表性的一部分來(lái)代表整根曲 軸，例如用二分之一或四分之一的曲柄來(lái)建立計(jì)算模型。具前提是在適當(dāng)?shù)挠?jì)算時(shí)間內(nèi) 獲得足夠的精度，同時(shí)也使力邊界條件和約束邊界條件盡量簡(jiǎn)化 |121隨著現(xiàn)代

8、計(jì)算機(jī)技 術(shù)的飛速發(fā)展以及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)這些在原來(lái)看來(lái)是不可能的事情在現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn) 實(shí)。1.2.2 曲軸強(qiáng)度計(jì)算發(fā)展60年代以前很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們主要用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)研究曲軸的強(qiáng)度。隨著計(jì)算 機(jī)和計(jì)算力學(xué)的飛速發(fā)展，最近30多年來(lái)曲軸計(jì)算方法的應(yīng)力分析精度有了極大的提 高，可以相當(dāng)精確地確定在任一工況下曲軸任意部位的應(yīng)力，因此對(duì)曲軸整體的強(qiáng)度 也可以作比較精確的評(píng)估。60年代-70年代，產(chǎn)生了整體曲軸計(jì)算的連續(xù)梁模型和空 間鋼架模型。在60年代末期，美國(guó)的Poter提出了一種曲柄剛度的經(jīng)驗(yàn)算法，但方法 比較繁瑣，并且缺少實(shí)驗(yàn)和使用的驗(yàn)證。后來(lái)，又有人提出了一種曲柄剛度的斜截面 法，計(jì)算精度較P

9、orter法有新的提高，但由于不能考慮削去的肩部以及中心油孔等因素的影響，計(jì)算剛度仍然比實(shí)測(cè)值大【13】現(xiàn)有的曲軸強(qiáng)度計(jì)算都?xì)w結(jié)為疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算步驟分為以下兩步一是應(yīng)力 計(jì)算，求出曲軸危險(xiǎn)部位的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力；二是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。常 用的應(yīng)力計(jì)算的方法有三種：傳統(tǒng)法、有限元法和邊界元法1141 01.3 有限元分析有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多 稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不 是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較

10、簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題 難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行 之有效的工程分析手段1151 0有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾 個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的 周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱(chēng)為矩陣近似方 法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力 學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和 普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成 為

11、一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法1161 0曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要、承載最復(fù)雜的零件之一，同時(shí)曲軸又是發(fā)動(dòng)機(jī)中典型的 易損件之一，其強(qiáng)度和剛度直接影響到整機(jī)的工作性能。曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的受力情況非常 復(fù)雜，承受著氣缸內(nèi)的氣體壓力及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的載荷， 還有可能承受扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彎曲振動(dòng)及軸向振動(dòng)。加之曲軸形狀復(fù)雜，實(shí)際上是在長(zhǎng)度 方向上交錯(cuò)分布的多個(gè)主軸頸與連桿軸頸的連接體，其過(guò)渡圓角區(qū)域往往成為應(yīng)力集 中處。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，曲軸內(nèi)會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，導(dǎo)致曲軸發(fā) 生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，并在圓角過(guò)渡處產(chǎn)生應(yīng)力集中。若長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)動(dòng)機(jī)，不可 避免地伴隨著

12、曲軸的裂紋、磨損等損耗的發(fā)生。損耗積累到一定程度必將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī) 故障，甚至造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷強(qiáng)化，曲軸的工作條 件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性是至關(guān)重要的。面臨上述問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段必須 找出切實(shí)可行的手段。因此如何較準(zhǔn)確地得到交變載荷作用下發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的應(yīng)力、變形的大小及分布，校核其疲勞強(qiáng)度，估算其疲勞壽命，對(duì)于指導(dǎo)曲軸的優(yōu)化、改進(jìn)設(shè) 計(jì)具有重要意義11”。2 1015柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 曲軸的結(jié)構(gòu)曲軸的作用是把活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳給底盤(pán)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 同時(shí)，驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和其它輔助裝置，如風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機(jī)等1181 o曲軸一般由主軸頸，連桿軸

13、頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成，如圖 1.1所示 個(gè)主軸頸、一個(gè)連桿軸頸和一個(gè)曲柄組成了一個(gè)曲拐，直列式發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲拐數(shù)目 等于氣缸數(shù)，而V型發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)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(dòng)機(jī)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(lái)平衡發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡的離心力矩及一部分往復(fù)慣性力，從而 保證了曲軸旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性1191 0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(guò)渡，以減少應(yīng)力集中。直列發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿

14、軸頸數(shù)目與氣缸數(shù)相等而 V型發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿軸頸數(shù) 等于氣缸數(shù)的一半。曲軸前端裝有正時(shí)齒輪，以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和水泵的皮帶輪以及起動(dòng)爪等。為了防止機(jī) 油沿曲軸軸頸外漏，在曲軸前端裝有一個(gè)甩油盤(pán)，在齒輪室蓋上裝有油封。曲軸的后 端用來(lái)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(jī)油向 后竄漏。曲軸的形狀和曲拐相對(duì)位置取決于氣缸數(shù)、氣缸排列和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序。多缸 發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序應(yīng)使連續(xù)作功的兩缸保持盡量遠(yuǎn)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(jìn)氣重疊現(xiàn)象。此外作功間隔應(yīng)力求均勻，也就是說(shuō)發(fā)動(dòng) 機(jī)在完成一個(gè)工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，每個(gè)氣缸都應(yīng)發(fā)火作功一次，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)

15、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(dòng)力，傳給底 盤(pán)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和其它輔助裝置，如風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機(jī)等。工 作時(shí)，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(fù)荷的沖擊作用。同時(shí)，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(qiáng)度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤(rùn)滑良好 1201 02.2 曲軸的疲勞損壞形式曲軸的工作情況十分復(fù)雜，它是在周期性變化的燃?xì)庾饔昧Α⑼鶑?fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)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(huì)影響到曲軸的受力狀況，其次，由于曲軸

16、彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(yán)重的應(yīng)力集中。最后曲軸主 軸頸與曲柄銷(xiāo)是在比壓下進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損。因此柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中 發(fā)生曲軸裂紋和斷裂事故不為鮮見(jiàn)，尤其是發(fā)電柴油機(jī)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 儂，如圖2.1所示。圖2.1 1-彎曲疲勞裂紋 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(xiāo)頸與曲柄臂連接的過(guò)渡圓角處， 或逐漸擴(kuò)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(yàn)表明，過(guò)渡 圓角處

17、的最大應(yīng)力出現(xiàn)在曲柄臂中心對(duì)稱(chēng)線下方。應(yīng)力沿曲軸長(zhǎng)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(jī)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)之后發(fā)生。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn) 后柴油機(jī)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(shí)產(chǎn)生過(guò)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(jī)座）等的剛性不足，柴油機(jī)短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，也會(huì)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(shí)還會(huì)產(chǎn)生附加交變扭轉(zhuǎn) 應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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)

18、力集中嚴(yán)重的油孔或過(guò)渡圓角處，并在軸頸上 沿著與軸線成45角的兩個(gè)方向擴(kuò)展。這是因?yàn)檩S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(guò)渡圓角向軸頸擴(kuò)展，而很少向曲柄臂擴(kuò)展。但若同時(shí)存在較 強(qiáng)的彎曲應(yīng)力，則裂紋也可自圓角向曲柄臂擴(kuò)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(diǎn)附近的曲柄上。發(fā)生扭磚疲勞裂紋的時(shí)間 一般是在柴油機(jī)運(yùn)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(shí)。扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的 斷面與軸線相交成450角，斷面上的裂紋線近似螺旋線1221 1231。2.2.3 彎曲一扭轉(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

19、疲勞裂紋，繼而在彎曲與扭轉(zhuǎn)的共同作用下使裂紋擴(kuò)展、斷 裂，最后斷裂面與軸線成 450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1/3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(shí)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)斷面上的紋理、裂紋方向和最后斷裂區(qū)進(jìn)行分析判斷1241 o生產(chǎn)中，曲軸的彎曲疲勞破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算和控制。柴油 機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，曲軸的

20、各道主軸承磨損是很難掌握和計(jì)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(guò)計(jì)算準(zhǔn)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(jī)在臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過(guò) 載，曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞就會(huì)得以控制1251 o2.3 曲軸的設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程中應(yīng)盡 量滿足以下的要求：1 .具有足夠的疲勞強(qiáng)度，以保證曲軸工作可靠。盡量減小應(yīng)力集中，加強(qiáng)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(guò)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 .

21、曲柄的排列應(yīng)合理，以保證柴油機(jī)工作均勻，曲軸平衡性良好，以減少振動(dòng)和 主軸承最大負(fù)荷；5 .材料選擇適當(dāng)，制造方便1261 o2.4 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(gè)，即每一個(gè)連桿軸頸兩邊都有一個(gè)主軸頸。這種支承，曲軸的強(qiáng)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(jī)和大部分汽油機(jī)多采用這種形 式。另一種是非全支承曲軸。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(zhǎng) 度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的總體長(zhǎng)度有所減小。有些汽油機(jī)，承受載荷較小可以采用這種曲軸型 卜

22、.【27】式 o鑒于本課題所設(shè)計(jì)的1015柴油機(jī)為四缸，故而動(dòng)機(jī)的總體長(zhǎng)度較小。且其常用于 重型載重車(chē)，曲軸的強(qiáng)度及剛度要求都較高，因此設(shè)計(jì)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(lái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、重量輕、工作可靠、剛度和強(qiáng)度較高等優(yōu) 點(diǎn)。組合式曲軸是分段制造的，鑄造時(shí)容易保證質(zhì)量，降低廢品率1281 ;鍛造時(shí)無(wú)需較大的鍛壓設(shè)備，制造方便，熱處理和機(jī)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(gè)曲柄發(fā)現(xiàn)有缺陷時(shí)，可以局部更換而不必報(bào)廢整個(gè)曲軸。一般的說(shuō)，在選擇曲軸結(jié)構(gòu)時(shí)，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

23、型柴油機(jī)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(duì)于本課題得設(shè)計(jì)，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(lèi)。鍛造游客分為自由鍛、模鍛和鍛鍛。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(jià)高。鍛鍛可節(jié)約大量金屬材料和機(jī)械加工工時(shí)，且加工出的曲軸能充分發(fā)揮材 料的強(qiáng)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(qiáng)化

24、程度要求不高的內(nèi)燃機(jī)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(dòng)振幅。合金鋼多用于 強(qiáng)化要求高的柴油機(jī)曲軸，其疲勞強(qiáng)度高但對(duì)應(yīng)力集中敏感性大，因而對(duì)機(jī)械加工要 求也高。球墨鑄鐵價(jià)格低廉，制造方便，對(duì)應(yīng)力集中不敏感，并可以通過(guò)合理的造型 降低應(yīng)力的集中，還可通過(guò)加入合金元素、熱處理、表面強(qiáng)化等方法提升其性能。因 此對(duì)于要求高的強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性、耐嚴(yán)重的熱和機(jī)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1291 o但球墨鑄鐵延伸率、沖擊韌性、彈性模數(shù)及疲勞強(qiáng)度較低，在使用其作為曲軸材料時(shí)，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(qiáng)度、必要的

25、硬度以及較好的淬透性。在選取材料 是不僅要考慮到機(jī)械性能，同時(shí)也要考慮工藝性、資源性和經(jīng)濟(jì)性。在選擇材料時(shí)， 需要根據(jù)內(nèi)燃機(jī)類(lèi)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(lèi)近似 機(jī)型所用材料，根據(jù)曲軸受力情況和使用習(xí)慣，憑經(jīng)驗(yàn)選取。根據(jù)上述各種毛坯制造方法及材料特點(diǎn)，并結(jié)合1015柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、實(shí)際受力狀況及用途，本設(shè)計(jì)曲軸毛坯采用鑄造方法，曲軸材料選擇球墨鑄鐵QT60-22.6 曲軸的主要部件設(shè)計(jì)2.6.1 主軸頸和曲柄銷(xiāo)主軸頸和曲柄銷(xiāo)是曲軸最重要的兩對(duì)摩擦副，他們的設(shè)計(jì)直接影響了內(nèi)燃機(jī)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(qiáng)度、剛度及潤(rùn)滑條件有密 切的關(guān)系。曲軸的直

26、徑越大，曲軸的剛度也越大，但軸頸直徑過(guò)大會(huì)引起表面圓周速 度增大，導(dǎo)致摩擦損失和機(jī)油溫度的增高。曲柄銷(xiāo)直徑的增大會(huì)引起旋轉(zhuǎn)離心力及轉(zhuǎn) 動(dòng)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(guò)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Di,減小主軸頸長(zhǎng)度L,這有利于縮 短內(nèi)燃機(jī)的長(zhǎng)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。一般情況下曲柄銷(xiāo)直徑D2總是小于主軸頸直徑Di 1301。由柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）表9-1可知：直列式非增壓柴油機(jī)主軸頸直徑與氣缸直徑之比Di / D的比值范圍為 0.700.80,且D =132

27、mm,U Di=92.4105.6mm 根據(jù)以上分析取D1=100.0mm各主軸頸長(zhǎng)度都相等且與氣缸直徑之比L1/ D =0.350.50,即L1 =46.266.0mm 取 L1 =55mm曲柄銷(xiāo)直徑與氣缸直徑之比D2 / D =0.600.70 ,即D2 =79.292.4mm,取D2=85.0mm曲柄銷(xiāo)長(zhǎng)度與氣缸直徑之比L2 / D =0.350.45,即L2 =46.259.4mm,取L2=50.0mm曲軸經(jīng)和曲柄銷(xiāo)具有適當(dāng)尺寸和形狀的減重孔時(shí)，可以改善圓角應(yīng)力分布，提高疲勞強(qiáng)度。因而本設(shè)計(jì)的主軸頸和曲柄銷(xiāo)均采用減重孔，主軸頸減重孔直徑d1與曲柄銷(xiāo)減重孔直徑d2均取30.0mm 即d1

28、 =d2=50.0mm2.6.2 曲柄臂曲柄臂在曲柄平面內(nèi)的抗彎曲剛度和強(qiáng)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(jì)時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)?shù)膶挾群秃穸?，?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(qiáng)度，而從提高曲柄臂的抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，增加厚度比增加寬度效果要好得多二由柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）表 9-1可知：曲柄臂厚度 h與氣缸直徑D之比h / D =0.2 0.3,即 h =26.4 39.6mm 取 h =30.0mm.曲柄臂寬度b與氣缸直徑 D之比b / D =0.91.3 ,即b =118.8171.6mm 取b =130

29、.0mm曲柄臂應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸?、寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)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。來(lái)衡量：bh2 .aW(mm3) (2.1 ) -6計(jì)算得彎模數(shù)W仃=3000mm3。隨著內(nèi)燃機(jī)沖程缸徑比S / D值的減小及曲軸軸頸的增大，使曲柄銷(xiāo)和主軸頸產(chǎn)生了重疊，此時(shí)，有一部分力可以直接傳遞到主軸頸，因而改善了曲柄臂的受力狀態(tài)，通常用重疊度來(lái)表示其重疊程度的大小，則有A=D1 +D2 -R(mm) (2.2)2式中：R-曲軸半徑，R = S /2, S為內(nèi)燃機(jī)沖程，且S =145mm則有R=72.5mm由此計(jì)算式2,得重疊度4 =20.0mm2.6.3 曲軸圓角曲軸

30、主軸頸和曲柄臂連接的圓角稱(chēng)為主軸頸圓角，曲柄銷(xiāo)和曲柄臂連接的圓角稱(chēng) 為曲柄銷(xiāo)圓角。這些過(guò)渡圓角能夠減小應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度，其半徑的增大與其 表面光潔程度的提高，是增加曲軸疲勞強(qiáng)度的有效措施 1321 o曲軸圓角半徑r應(yīng)足夠大，但是圓角半徑過(guò)小會(huì)使應(yīng)力集中嚴(yán)，而圓角半徑的增大 會(huì)使軸頸承壓的有效長(zhǎng)度減小，因而也會(huì)減小軸承承壓面積。為增大曲軸圓角半徑， 且不縮短軸頸的有效工作長(zhǎng)度，可采用沉割圓角，但設(shè)計(jì)沉割圓角時(shí)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(shí)可提高曲軸疲勞強(qiáng)度。由于沉割圓角和二圓弧以及三圓弧設(shè)計(jì)工藝十分的復(fù)雜，設(shè)計(jì)要求較高，

31、以我們 現(xiàn)階段的水平難以得出準(zhǔn)確結(jié)果，故而本設(shè)計(jì)采用等圓弧圓角。由柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)可知：r / D 0.045 ,即r之5.94mm 故取曲軸圓角半徑r =6.00mm2.6.4 潤(rùn)滑油道軸承的工作能力在很大程度上決定于摩擦表面的額潤(rùn)滑品質(zhì)。因此，為了保證軸 承的可靠性，主軸頸和曲柄銷(xiāo)通常都采用壓力潤(rùn)滑曲軸上油道和油孔的設(shè)計(jì)，對(duì)于曲軸軸承的潤(rùn)滑及曲軸強(qiáng)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(rùn)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(jī)的主油道，機(jī)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

32、一種是分路供油，即機(jī)油從曲軸箱上的主油道并聯(lián)進(jìn)入 各個(gè)主軸承，然后通過(guò)曲軸的油道再進(jìn)入相應(yīng)的連桿軸承。采用集中供油時(shí)，因?yàn)闄C(jī)油從一端進(jìn)入曲軸后需要克服很大的離心力和流動(dòng)阻 力，才能供到另一端的軸承，壓力損失較大。為了保持最后潤(rùn)滑的軸承仍有一定的油 壓，進(jìn)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(jī)采 用分路供油，且本設(shè)計(jì)也采用分路供油。油道布置主要根據(jù)潤(rùn)滑供油充分和對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)決定，主軸頸上的油 孔入口應(yīng)保證像曲柄銷(xiāo)供油充分；曲柄銷(xiāo)上的油孔出口應(yīng)設(shè)在較低負(fù)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(fù)荷圖和軸心軌跡圖來(lái)確定。油道的取向?qū)ε?轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度的影響

33、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(jiǎn)單的，如圖 2.2所 示。但其缺點(diǎn)是曲柄臂與軸頸過(guò)渡處被削弱，降低了曲軸的強(qiáng)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(yán)重，斜線油孔加 工工藝復(fù)雜，為避免上述缺點(diǎn)，可從曲柄臂肩部鉆一斜孔，貫通曲柄銷(xiāo)和主軸頸，再 在此兩個(gè)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(qiáng)度。圖2.3由于本設(shè)計(jì)曲軸的軸頸及曲柄臂直徑都比較粗，重疊度也比較大，再

34、考慮到油道 加工的工藝性，因而本設(shè)計(jì)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(lái)平衡曲軸不平衡的離心慣性力和離心慣性力矩。設(shè)計(jì)平衡重時(shí)，平 衡重應(yīng)盡可能使其重心遠(yuǎn)離曲軸旋轉(zhuǎn)中心，即用較輕的重量達(dá)到較好的效果，以便盡可能減輕曲軸重量，并且應(yīng)盡量不增加內(nèi)燃機(jī)的尺寸，在滿足動(dòng)平衡的條件下，還能 使曲軸的制造比較方便。曲軸上是否需要安裝平衡重和怎樣決定平衡重的數(shù)目，大小及位置等問(wèn)題，都要 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的用途，曲軸形狀，常用工況的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，結(jié)構(gòu)和工藝上的簡(jiǎn)便程度等 因素來(lái)定。曲軸的平衡重可以與與曲軸鑄成一體，這樣可使加工較簡(jiǎn)單，并且工作可 靠。平衡中亦可單獨(dú)制造，通過(guò)螺栓連

35、接在曲軸的曲柄臂上。本設(shè)計(jì)平衡重采用單獨(dú)制造的方法，這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，且可以根據(jù)實(shí)際 需求改動(dòng)平衡重的設(shè)置1331 02.6.6 曲軸兩端和軸向止推曲軸上帶動(dòng)輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)鏈輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 維修方便。如果止推軸承設(shè)在后端，傳動(dòng)齒輪裝在前端，并且又是用斜齒時(shí)，這樣當(dāng) 曲軸因受離合器的作用力、斜齒的軸向力和熱膨脹而產(chǎn)生軸向外移時(shí)，將影響配氣和 供油定時(shí)，從這個(gè)觀點(diǎn)看，傳動(dòng)齒輪應(yīng)裝在后端較為合適。從曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)看，前 端的振幅較大，這對(duì)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不利。多缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于曲軸較長(zhǎng)，往往把傳動(dòng)齒輪 裝在曲軸后端。本設(shè)計(jì)的曲軸為多缸柴油機(jī)曲軸，因此也把傳動(dòng)齒輪裝在曲軸后

36、端。減振器應(yīng)裝在振幅最大曲軸前端，用以消除扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。中小型高速內(nèi)燃機(jī)上的驅(qū) 動(dòng)齒輪如裝在前端一般采用鍵連接，如裝在后端則視曲軸輸出端的結(jié)構(gòu)而定。曲軸后端設(shè)有法蘭或加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷(xiāo)連接。定位銷(xiāo)用來(lái) 保證重裝飛輪時(shí)保持飛輪與曲軸的裝配位置，故定位銷(xiāo)的布置是不對(duì)稱(chēng)的或只有一 個(gè)。曲軸受熱膨脹而伸長(zhǎng)，或受斜齒輪及離合器等的軸向力會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，為防止 曲軸的軸向移動(dòng)，在曲軸與機(jī)體之間設(shè)置止推軸承。止推軸承只能設(shè)置一個(gè)，以便使 曲軸相對(duì)于機(jī)體能自由地沿軸向作熱膨脹10從減小軸向移動(dòng)對(duì)配氣定時(shí)和供油定時(shí)的影響出發(fā)，希望把止推軸承設(shè)在前端； 止推軸承設(shè)在后端則可以避免曲軸各曲拐承受功率消

37、耗者的軸向推力的作用；從降低 曲軸和機(jī)體加工尺寸鏈精度要求出發(fā)，也可設(shè)在曲軸中央。2.6.7 曲軸的強(qiáng)化除了設(shè)計(jì)措施外，還可以利用特殊加工方法、熱處理方法或化學(xué)方法強(qiáng)化曲軸表 面，提高曲軸疲勞強(qiáng)度。常見(jiàn)的表面強(qiáng)化方法有：圓角高頻感應(yīng)淬火、圓角滾壓以及 氮化與軟氮化。軸頸表面圓角感應(yīng)淬火是提高軸頸耐磨性的一種簡(jiǎn)便有效的表面硬化法，適用于 大量生產(chǎn)。這種方法是先用高頻電流加熱軸頸表面，隨即噴水冷卻，然后回火以消除 殘余應(yīng)力。但這種方法易引起曲軸變形，工藝也較復(fù)雜，必須嚴(yán)格控制圓角淬火前殘 余應(yīng)力，并用特殊淬火劑控制感應(yīng)電流頻率，以減小變形。圓角滾壓可以大幅度提高曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度，且工藝簡(jiǎn)單、工藝

38、周期短、經(jīng)濟(jì) 的優(yōu)點(diǎn)，且滾壓后表面光潔無(wú)裂紋。滾壓硬化層的深度和最大殘余應(yīng)力主要取決于滾 壓負(fù)荷、滾輪形狀及尺寸等因素。圓角滾壓時(shí)應(yīng)注意減少曲軸變形，必要使主軸頸擺 差超過(guò)容許范圍。氮化通常是指氣體氮化，即把曲軸放在加熱至一定溫度的爐內(nèi)，通入氨氣，并保 持一段時(shí)間，使氨氣熱分解所產(chǎn)生的活性氮離子滲入曲軸表面，從而得到一種含氨組 織。這是一種化學(xué)熱處理方法。氮化可以使曲軸軸頸表面形成一層具有壓縮應(yīng)力的表 面，從而提高曲軸的疲勞強(qiáng)度、表面硬度及耐磨性。而軟氮化則是一種鹽浴氮化方法 同樣可以大幅度的提高曲軸疲勞強(qiáng)度，且氮化過(guò)程短。采用任何一種表面強(qiáng)化法都要防止曲軸變形過(guò)大，變形量大了，則必然要用壓力

39、機(jī)進(jìn) 行校直，而校直時(shí)難免在圓弧過(guò)渡處形成拉伸應(yīng)力集中，從而嚴(yán)重地削弱曲軸的疲勞 強(qiáng)度。根據(jù)上述三種提高曲軸疲勞強(qiáng)度的工藝措施的比較，本設(shè)計(jì)采用最為常用的氮化 處理來(lái)提高曲軸的疲勞強(qiáng)度1351 02.7 曲軸的強(qiáng)度校核曲軸在工作中承受的是交變載荷，因此它常因疲勞而損壞，另一方面曲軸的結(jié)構(gòu) 形狀有很復(fù)雜，這使曲軸存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中促進(jìn)了曲軸的疲勞損 壞，因此在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)曲軸進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度計(jì)算是必不可少的一環(huán)。計(jì)算曲軸的彎曲應(yīng)力一般有兩種方法：一種是分段法（斷開(kāi)梁法）；另一種是連續(xù) 梁法。分段法計(jì)算簡(jiǎn)單，突出了曲拐受力的主要矛盾，所以使用普遍。不過(guò)由于它忽 略了許多影響因素，

40、甚至也沒(méi)有考慮相鄰曲拐的影響，致使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大；連續(xù)梁法近年來(lái)正逐步受到人們的重視，因?yàn)樗紤]了支承的彈性安裝不同心 度以及支座彎矩等因素對(duì)曲軸應(yīng)力的影響，使計(jì)算較為全面。但這種方法在分析時(shí)仍 忽略了一些難以控制、然而又非常重要的影響因素，如軸頸與軸承間的工作間隙、主 軸頸的偏心、錐度、橢圓度、作用力的形態(tài)等因素對(duì)曲軸應(yīng)力的影響，使得計(jì)算結(jié)果 仍不能令人滿意，這種方法也有待進(jìn)一步完善。連續(xù)梁法與實(shí)際接近程度，取決于曲 軸和支撐的剛度比，它的正確值只能通過(guò)試驗(yàn)才能找到。因此，僅在進(jìn)行已有結(jié)構(gòu)的 校核時(shí)，利用連續(xù)梁法才更為精確。計(jì)算結(jié)果表明，分段法所得的應(yīng)力幅值，一般都 比運(yùn)轉(zhuǎn)中的實(shí)

41、際值為高，僅在某些機(jī)型中有些微小偏差。若將分段法與連續(xù)梁法進(jìn)行 比較，則前者比后者計(jì)算所得的曲軸危險(xiǎn)截面應(yīng)力約高1520%因此用分段法計(jì)算偏于安全。而多缸機(jī)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)梁法計(jì)算曲軸強(qiáng)度較為合 理 1361 0為使設(shè)計(jì)出的曲軸更安全，并限于現(xiàn)有的知識(shí)及所給的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用分段法 進(jìn)行計(jì)算。2.7.1 曲柄銷(xiāo)應(yīng)力曲柄銷(xiāo)所受彎矩隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化，求出它的最大彎矩與最小彎矩，即可得出它 的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 2.4所示，由圖可見(jiàn)，作用在曲柄平面內(nèi)的力 有：燃?xì)庾饔昧g、往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力P

42、j、連桿大頭離心力巳、曲柄銷(xiāo)離心力P曲柄臂的離心力Pa及平衡重的離心力R等。圖2.4曲軸支反力可由下式求出Zi=L2(Pg -Pj -P. -F2)-PL(L-a1 +a2)+PbL(L-ai-b2)+PbL(a2+b2)(ND (2.3) LLLL由于本設(shè)計(jì)的曲軸為四缸柴油機(jī)，且發(fā)火間隔角為 180：因此曲柄左右對(duì)稱(chēng)，則上式又可化簡(jiǎn)為1乙=2(Pg -Pj -P。-Pc2) Pa+R (N)(2.4)式中:Pb-第個(gè)曲拐上平衡重總的離心力，則有Pb =R1 +P2 ;PC- Pc=Ki+Pc2。據(jù)此可以求出在曲柄平面內(nèi)作用于曲柄臂計(jì)算截面上的彎矩Mi為M1 =Z1al ( N m) (2.5

43、)再進(jìn)一步求出截面處得名義彎曲應(yīng)力.bh2 仃=M1/ (MPa ) (2.6) 6式中：b-曲柄臂寬度，單位為m；h-曲柄臂厚度，單位為m o將燃?xì)庾饔昧ψ畲笾礟g及最小值Pg如圖所2.5示代入式(2.4),即求得Mi及 g maxgminmaxMimin ,再利用式(2.5)、式(2.6)求出仃max及n。圖2.5有汽車(chē)構(gòu)造圖4-1可知，Pg =0.1 MPa 。則算得仃max=82.27 MPa , g minmax仃min =-15.11 MPa o從而算出曲柄銷(xiāo)圓角處得名義應(yīng)力幅13 =(Omax Qmin) ( MPa )(2.7)2即仃金48.69 MPa。名義平均應(yīng)力10m (

44、Omax +%in)( MPa)(2.8) 2即仃m =33.58 MPa。在計(jì)算曲柄銷(xiāo)的切應(yīng)力時(shí)，首先必須找出曲軸中承受最大扭矩的曲柄。由內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)可知，本設(shè)計(jì)作用在第 3曲柄上的總扭矩最大，求曲柄銷(xiāo)上的最大扭矩Mkmax=7394.20 Nm及最小扭矩Mkmin=0Nm,則根據(jù)公式Tn =M ( MPa ) (2.9)二 D2 -d216 D2算得 %ax =62.30 MPa , mnni= =0MPa進(jìn)一步求出切應(yīng)力幅值為17 =一(4ax - =n) ( MPa ) (2.10)2平均切應(yīng)力1 (Wax+tn)( MPa )(2.11 )2經(jīng)計(jì)算得 % =31.15 MPa , 7m

45、=31.15 MPa。2.7.2圓角形狀系數(shù)曲柄上的名義最大應(yīng)力 仃max和Emax并不是曲柄上的最大應(yīng)力，由于應(yīng)力集中的緣故，曲柄上的最大應(yīng)力比計(jì)算所得的最大名義應(yīng)力要大得多，且軸頸和曲柄連接的圓 角處和油孔附近是曲軸應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位，尤其以圓角處更為突出如圖2.6。曲軸這種應(yīng)力局部增高的現(xiàn)象，通常用形狀系數(shù)來(lái)描述。本設(shè)計(jì)將以列金法分析各結(jié)構(gòu)參 數(shù)度形狀系數(shù)的影響。圖2.6(1)圓角彎曲形狀系數(shù)根據(jù)定義，可得彎曲形狀系數(shù)可表示為aO-=Jumax/an (2.12)式中：Zmax-曲軸圓角處實(shí)測(cè)的最大彎曲應(yīng)力，單位為 MPa。由列金法，則有圓角彎曲形狀系數(shù)表達(dá)式% =% f/2 f3f4

46、 f5 (2.13)式中：標(biāo)準(zhǔn)曲軸彎曲形狀系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)圖9-53可知，當(dāng)r/h=0.2時(shí)，口 行=2.5;f1-曲軸重疊度的影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖 9-54可知，當(dāng)Rd =0.2、h/d=0.3 時(shí)，G=0.84;f2 -曲柄臂寬度的影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖 9-55可知，當(dāng)b/d =0.2、Rd =0.2 時(shí),f? =0.85 ;f3-曲柄空心度得影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖9-56可知，當(dāng)d/d=0.3 時(shí)，f3=1.00;f4-軸頸減重孔偏心距e的影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖9-57可知，當(dāng) e/d=0.1 時(shí)，f4 =0.99 ;f5-

47、所計(jì)算圓角相連的曲柄臂中減重孔邊緣至軸頸的距離l影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖9-58可知，f5=1.12。其中d為與所計(jì)算圓角相連接曲軸軸頸的外徑，d1與所計(jì)算圓角相連接曲軸軸頸的內(nèi)徑。將以上數(shù)據(jù)代入式11計(jì)算得0to=1.97.（2）圓角扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)根據(jù)定義，可得扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)可表示為、= %max/K （2.14）式中： max-曲軸圓角處實(shí)測(cè)的最大切應(yīng)力，單位為 MPa。由列金法，則有圓角彎曲形狀系數(shù)表達(dá)式% = %*24344 45 （2.15）%-軸段直徑比為2的周對(duì)稱(chēng)的階梯周扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)。查 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上） 圖 9-62 可知， =1.62;q-曲柄臂寬度的影響系數(shù)。查

48、柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖9-63可知，0=1.37;q2-曲柄臂厚度的影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖9-63可知，q2=1.08;q3-軸頸重疊度的影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖9-64可知，q3=1.00;q4-軸頸減重孔偏心距的影響系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）圖 9-65可知, q4 =0.96 ;q5-鼓形減重的影響系數(shù)。由于本設(shè)計(jì)減重孔不是鼓形因此，則有qs=1o有以上數(shù)據(jù)算得 =2.73 oV2.7.3安全系數(shù)曲軸的安全系數(shù)即曲軸強(qiáng)度的儲(chǔ)備系數(shù)，它表示曲軸本身的疲勞強(qiáng)度與工作應(yīng)力 之比。（1）在只考慮彎曲時(shí)，安全系數(shù)為 (2.16)三a m式中:仃-對(duì)稱(chēng)循環(huán)時(shí)，曲軸材料的彎曲疲

49、勞極限。由常用材料手冊(cè)可得 仃。=0.32ob,且仃b=588MPa ,貝U仃=188.16 MPa ;K-彎曲時(shí)圓角處的應(yīng)力集中系數(shù)?？捎晒終.= 1 + q仆-1） （2.17）其中：q0為應(yīng)力集中敏感系數(shù)，查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）表 9-16可知，q=0.5。 由此算得K仃=1.49。P-不同加工方法的影響系數(shù)，稱(chēng)為表面加工系數(shù)。由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)講義表 6-2 可知，強(qiáng)化方法采用氮化處理的曲軸，表面加工系數(shù)P=1.30;%-不同尺寸的影響系數(shù)，又稱(chēng)尺寸系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）表 9-14 可知，%=0.9;%-材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱(chēng)的敏感系數(shù)。由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)講義表3-3可知,中小0.05。有

50、以上數(shù)據(jù)可算得n仃=3.74。(2)在只考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)，安全系數(shù)為式中:Q-對(duì)稱(chēng)循環(huán)時(shí)，曲軸材料的扭轉(zhuǎn)疲勞極限。由常用材料手冊(cè)可得,1 =0.58aA,貝U f=109.13 MPa ;K-扭轉(zhuǎn)時(shí)圓角處的應(yīng)力集中系數(shù)?？捎晒終1 + q式+1) (2.19)其中：q,為應(yīng)力集中敏感系數(shù)，查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)表 9-16可知，qT=0.22o 由此算出K廣1.38;%-不同尺寸的影響系數(shù)，又稱(chēng)尺寸系數(shù)。查柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)表 9-14 可知，%=0.9;中尸材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱(chēng)的敏感系數(shù)。由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)講義表 3-3可知, =00由以上數(shù)據(jù)可算得n=2.97。3.從而可得到圓角處的總安全系數(shù)(2

51、.20)則算得n=2.33,其值大于1.5,因而符合要求。3有限元分析隨著柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化，曲軸的工作條件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性至關(guān) 重要，其設(shè)計(jì)是否可靠，對(duì)柴油機(jī)的使用壽命有很大影響，因此在研制過(guò)程中需給予 高度重視。由于曲軸的形狀及其載荷比較復(fù)雜，對(duì)其采用經(jīng)典力學(xué)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分 析往往有局限性。有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值計(jì)算方法， 是分析各種結(jié)構(gòu)問(wèn)題的強(qiáng)有力的工具，使用有限元法可方便地進(jìn)行分析并為設(shè)計(jì)提供 理論依據(jù)。本設(shè)計(jì)采用ANSYST限元軟件，在靜應(yīng)力計(jì)算部分采用整體曲軸模型進(jìn)行有限元分 析和模態(tài)分析，并就單元選擇及網(wǎng)格劃分對(duì)應(yīng)力的影響做了分析比較由。3

52、.1 ANSYS軟件介紹ANSYSt限公司由John Swanson博士創(chuàng)建于1970年，該公司開(kāi)發(fā)利用計(jì)算機(jī)技術(shù) 進(jìn)行工程分析的軟件。ANSYST限元程序是ANSYST限公司的主要產(chǎn)品。它開(kāi)發(fā)初期是 為了用于電力工業(yè)，現(xiàn)在已能滿足從汽車(chē)、電子到宇航、化學(xué)等大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域有限 元分析（FEA）的需要。ANSYSa件作為一個(gè)大型、通用的有限元程序，其功能已為全世 界所公認(rèn)。ANSYS是迄今為止世界范圍內(nèi)唯一通過(guò) IS09001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類(lèi)軟 件，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）美國(guó)核安全局（NQA）及近20種專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的 標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。ANSYS第一個(gè)通過(guò)中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員

53、會(huì)認(rèn)證并在17個(gè)部委推廣使用的分析軟件。ANSYSt件具有結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體分析等強(qiáng)大的功能。該軟件采用 APDL參數(shù) 化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，能和AutoCAD, UG, SolidWorks, I-DEAS, PRO/E 等多種CA球件接口,因 此本設(shè)計(jì)采用ANSY漱件進(jìn)行有限元分析。3.2 整體曲軸有限元模型的建立傳統(tǒng)的曲軸分析，國(guó)內(nèi)外多采用單拐或1/2單拐模型。但這種方法還不能反映整體 曲軸內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)，有些學(xué)者也采用連續(xù)梁理論對(duì)曲軸進(jìn)行分析計(jì)算，但把 象曲軸這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成連續(xù)梁，計(jì)算結(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的。因此，為了較為準(zhǔn) 確地計(jì)算曲軸強(qiáng)度和了解曲軸內(nèi)部的應(yīng)力狀況，本文采用曲軸三維整

54、體模型，對(duì)曲軸 進(jìn)行靜強(qiáng)度和剛度的有限元分析。3.2.1 有限元網(wǎng)格的劃分由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用有限元軟件進(jìn)行建模時(shí)很難保證與圖紙上的曲軸結(jié)構(gòu)完 全一致，因此建模時(shí)必須簡(jiǎn)化。為了減少應(yīng)力集中，曲軸上不同截面的結(jié)合處都有半 徑不一的倒角，如果在建模時(shí)考慮這些倒角和油孔，則會(huì)使有限元的網(wǎng)格非常密集， 這就大大地增加了模型的單元數(shù)量，花費(fèi)大量的求解時(shí)間，而且生成的網(wǎng)格形狀也不 理想，降低了求解精度，因此在整體曲軸建模時(shí)僅考慮主軸頸、曲軸軸頸與曲拐連接 處的過(guò)渡圓角1381 o單個(gè)曲拐三維模型驚醒網(wǎng)格劃分后如圖3.1所示.3.2.2 載荷狀況的確定曲軸在工作時(shí)承受缸內(nèi)的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力的

55、作用，根據(jù)已給定 的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，求得此發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸頸載荷的最大值，及隨 后曲圖3.1軸再轉(zhuǎn)過(guò)180度、360度、540度、720度，時(shí)連桿軸頸載荷的數(shù)值 儂。(1)曲軸的邊界條件由于曲軸主要是因彎曲而破壞的，因此對(duì)曲軸受到飛輪處的扭轉(zhuǎn)力可暫不考慮 0,為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，對(duì)于氣缸可假設(shè)，當(dāng)其發(fā)火時(shí)，活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)連桿軸頸載 荷達(dá)到最大值1411 0圖3.2(2)力的邊界條件根據(jù)傳統(tǒng)的方法及有限寬度軸頸油膜壓力應(yīng)力分布規(guī)律，并忽略油孔處壓力峰值 突變的影響，假定力邊界條件為：載荷沿曲柄銷(xiāo)軸向均勻分布，沿曲柄銷(xiāo)徑向180度角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布1421 o(3)支撐邊界條件將主

56、軸承對(duì)曲軸的支撐視為彈性支座，設(shè)彈簧剛度為K ,認(rèn)為K值在曲軸縱向?qū)ΨQ(chēng)面內(nèi)沿主軸頸均布，可視K均分在曲軸縱向?qū)ΨQ(chēng)面內(nèi)主軸頸中截面左右的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)點(diǎn) 上，本設(shè)計(jì)中取K值為3M1.0E+11N/m,這一剛度接近于主軸承的實(shí)際剛度1431 o在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為模擬曲軸的全支撐情況，約束彈簧對(duì)主軸頸的徑向位移 ； 為模擬止推軸承的作用，可將曲軸左端面靠近軸心的對(duì)稱(chēng)四個(gè)節(jié)點(diǎn)的 Z向位移為0,以 防止曲軸沿軸向產(chǎn)生剛體位移1441 o載入約束后如圖3.2所示.3.3 曲軸整體模型計(jì)算結(jié)果分析載入數(shù)據(jù)后，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，根據(jù)這些應(yīng)力的分布。3.3.1 壓應(yīng)力分析應(yīng)力分布如圖3.3所示圖3.3承受壓力其位移分布如圖3.4所示圖3.43.3.2 拉應(yīng)力分析應(yīng)力分布如圖3.5所示承受壓力其位移分布如圖3.6所示圖3.5圖3.63.4 疲勞強(qiáng)度校核整體曲軸的斷裂，在多數(shù)情況下首先在曲柄銷(xiāo)圓角出現(xiàn)疲勞裂紋，隨后裂紋向曲 柄臂發(fā)展而導(dǎo)致整根曲軸的斷裂。只在個(gè)別情況下因曲軸支承的局部損壞引起支座彎 矩急劇增加而造成主軸頸圓角損壞1451 1461 0這主要是由于主軸頸圓角應(yīng)力以壓應(yīng)力為 主，致使其抗交變載荷的能力增強(qiáng)。因此，通常僅對(duì)承載最大曲柄的曲柄銷(xiāo)圓角進(jìn)行 疲勞強(qiáng)度計(jì)算就能滿足要求。曲柄銷(xiāo)圓角彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)可通過(guò)式