第5章曲軸學(xué)生

1、曲軸曲軸曲軸簡介曲軸簡介軸系：曲軸、皮帶輪、飛輪、扭振減振器軸系：曲軸、皮帶輪、飛輪、扭振減振器曲拐：主軸頸曲拐：主軸頸+曲柄臂曲柄臂+曲柄銷（連桿軸曲柄銷（連桿軸 頸）頸）前端：皮帶輪、發(fā)電機、水泵、齒輪系（燃油泵、機油泵、前端：皮帶輪、發(fā)電機、水泵、齒輪系（燃油泵、機油泵、凸輪軸）轉(zhuǎn)向助力、空調(diào)、風(fēng)扇、空氣壓縮機凸輪軸）轉(zhuǎn)向助力、空調(diào)、風(fēng)扇、空氣壓縮機后端：飛輪、后端：飛輪、or齒輪系、離合器齒輪系、離合器內(nèi)燃機零部件工作條件內(nèi)燃機零部件工作條件1、受力：強度（應(yīng)力）、剛度（變形）、受力：強度（應(yīng)力）、剛度（變形） 交變的連桿力交變的連桿力-曲柄切向力曲柄切向力+曲柄徑向力曲柄徑向力-疲勞

2、破壞疲勞破壞2、受熱：最高溫度、熱應(yīng)力、受熱：最高溫度、熱應(yīng)力 no3、磨損：表面硬度高、磨損：表面硬度高 主軸頸和曲柄銷銷軸頸，（潤滑組織）主軸頸和曲柄銷銷軸頸，（潤滑組織）曲軸的受力曲軸的受力連桿力連桿力-曲柄切向力曲柄切向力+ +曲柄徑向力曲柄徑向力曲軸應(yīng)力集中嚴(yán)重曲軸應(yīng)力集中嚴(yán)重 徑向力徑向力彎曲載荷彎曲載荷曲柄銷圓角、主軸頸圓角曲柄銷圓角、主軸頸圓角 切向力切向力-扭轉(zhuǎn)載荷扭轉(zhuǎn)載荷-油孔圓角油孔圓角 扭振附加應(yīng)力：角位移扭振附加應(yīng)力：角位移0.250.25度度 中速機：中速機：0.450.45度度 軸向力：外部設(shè)備軸向力：外部設(shè)備曲軸的破壞形式曲軸的破壞形式曲軸常見破壞形式：疲勞破壞

3、曲軸常見破壞形式：疲勞破壞彎曲載荷為主，扭轉(zhuǎn)載荷次之（缸數(shù)影響，車用、船用）彎曲載荷為主，扭轉(zhuǎn)載荷次之（缸數(shù)影響，車用、船用） 曲柄銷內(nèi)圓角：彎曲疲勞（必須校核）曲柄銷內(nèi)圓角：彎曲疲勞（必須校核） 油孔邊緣圓角：扭矩（最后一個曲拐、船機校核）油孔邊緣圓角：扭矩（最后一個曲拐、船機校核）曲軸的設(shè)計要求曲軸的設(shè)計要求1、受力：、受力： 足夠的疲勞強度：曲柄銷內(nèi)圓角和油孔邊緣圓角足夠的疲勞強度：曲柄銷內(nèi)圓角和油孔邊緣圓角 足夠的剛度：變形會惡化連桿、活塞的工作足夠的剛度：變形會惡化連桿、活塞的工作 提高扭振固有頻率：剛度增加減少扭振附加應(yīng)力提高扭振固有頻率：剛度增加減少扭振附加應(yīng)力2、磨損：、磨損：

4、 軸頸表面硬度高、承壓面積夠、最小油膜厚度等軸頸表面硬度高、承壓面積夠、最小油膜厚度等AVL D=100-150,AVL D=100-150,高速柴油機，主軸承：高速柴油機，主軸承：1.2- 1.4um,1.2- 1.4um,連桿軸承：連桿軸承：0.8-1 um0.8-1 um3 3、材料與工藝、材料與工藝 球鐵球鐵800800（YC6108YC6108）、）、45 45 鋼（鋼（CY6102CY6102）、合金鋼（）、合金鋼（ 42CrMo 42CrMo CY4D43TCY4D43T ）各材料對加工缺陷敏感度不同，要求粗糙度不同）各材料對加工缺陷敏感度不同，要求粗糙度不同曲軸設(shè)計計算曲軸設(shè)計

5、計算1 1、靜強度計算、疲勞強度計算、靜強度計算、疲勞強度計算 、軸心軌跡計算、船機的扭、軸心軌跡計算、船機的扭振分析計算等振分析計算等2 2、曲軸受力分析：分段法（保守）、連續(xù)梁法、有限元法、曲軸受力分析：分段法（保守）、連續(xù)梁法、有限元法分段法受力分析分段法受力分析徑向力、切向力、離心力、支反力徑向力、切向力、離心力、支反力( (力矩）、前后段扭矩力矩）、前后段扭矩兩個方向的合力為兩個方向的合力為0 0，合力矩為，合力矩為0-0-支反力（力矩）支反力（力矩）曲軸的各截面的彎矩、扭矩（軸頸、圓角、油孔處）曲軸的各截面的彎矩、扭矩（軸頸、圓角、油孔處）參見參見P124P124公式公式靜強度計算

6、靜強度計算用于計算低速內(nèi)燃機曲軸用于計算低速內(nèi)燃機曲軸 計算工況：計算工況： Z Z最大值時最大值時 T T為最大值時（各拐不同，最后一拐最大）為最大值時（各拐不同，最后一拐最大） Z Z、T T合力最大時合力最大時 與許用應(yīng)力比較與許用應(yīng)力比較危險截面危險截面 曲柄銷軸頸圓角截面曲柄銷軸頸圓角截面 主軸頸圓角截面主軸頸圓角截面 曲柄銷軸頸截面曲柄銷軸頸截面 油孔截面油孔截面 22TZR 疲勞強度計算疲勞強度計算彎曲疲勞強度和扭轉(zhuǎn)疲勞強度彎曲疲勞強度和扭轉(zhuǎn)疲勞強度 綜合疲勞強度綜合疲勞強度影響疲勞強度因素：影響疲勞強度因素： 應(yīng)力幅和平均應(yīng)力（名義應(yīng)力）應(yīng)力幅和平均應(yīng)力（名義應(yīng)力） 有效應(yīng)力集

7、中系數(shù)：查表有效應(yīng)力集中系數(shù)：查表 材料疲勞極限材料疲勞極限 尺寸影響系數(shù)尺寸影響系數(shù) 強化系數(shù)強化系數(shù) 材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱敏感系數(shù)材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱敏感系數(shù)扭振附加應(yīng)力的影響扭振附加應(yīng)力的影響maKn1maKn122nnnn+n1.070.07-3dmnnd（） 有效應(yīng)力集中系數(shù)的獲得有效應(yīng)力集中系數(shù)的獲得材料的應(yīng)力集中敏感性系數(shù)材料的應(yīng)力集中敏感性系數(shù)形狀系數(shù)的定義：結(jié)構(gòu)形狀對應(yīng)力集中的影響（實測、形狀系數(shù)的定義：結(jié)構(gòu)形狀對應(yīng)力集中的影響（實測、FEAFEA）) 1(1) 1(1KqKKqKBK義法向應(yīng)力曲柄臂上相應(yīng)點處的名圓角處的實際法向應(yīng)力形狀系數(shù)的確定形狀系數(shù)的確定)()()()

8、()()(10ebKK疲勞強度安全的評價疲勞強度安全的評價對鋼制曲軸取對鋼制曲軸取n1.5n1.5，汽車發(fā)動機曲軸的安全系數(shù)可取得略低。汽車發(fā)動機曲軸的安全系數(shù)可取得略低。n1.3n1.3；球鐵曲軸，疲勞強度的分散度較大，取球鐵曲軸，疲勞強度的分散度較大，取n1.8n1.8。疲勞強度安全系數(shù)允許值必須和計算方法對應(yīng)疲勞強度安全系數(shù)允許值必須和計算方法對應(yīng)可以證明：前述疲勞強度計算公式和可以證明：前述疲勞強度計算公式和Goodman-SmithGoodman-Smith方法是完方法是完全一致的。參加全一致的。參加汽車發(fā)動機設(shè)計汽車發(fā)動機設(shè)計清華大學(xué)清華大學(xué) 陸際清編陸際清編曲軸的受力分析曲軸的受

9、力分析曲軸的有限元模型曲軸的有限元模型曲軸的邊界條件曲軸的邊界條件QT800 QT800 某點某點L L的應(yīng)力的應(yīng)力, ,通過通過OLOL作直線得到點作直線得到點F F，則可得安全系數(shù)，則可得安全系數(shù) aFn/疲勞強度試驗方法疲勞強度試驗方法Rig testingRig testing：曲柄銷圓角應(yīng)力：曲柄銷圓角應(yīng)力鋼軸：鋼軸：10107 7 球鐵：球鐵：5x105x106 6幾個小時完成疲勞試驗幾個小時完成疲勞試驗曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計曲軸的總體形式：組合式曲軸和整體曲軸曲軸的總體形式：組合式曲軸和整體曲軸曲拐的尺寸曲拐的尺寸提高曲拐疲勞強度的結(jié)構(gòu)措施提高曲拐疲勞強度的結(jié)構(gòu)措施曲軸油道

10、的安排曲軸油道的安排曲軸平衡重的設(shè)計曲軸平衡重的設(shè)計曲軸的前端和后端曲軸的前端和后端曲軸的止推曲軸的止推曲軸的總體形式曲軸的總體形式整體式曲軸整體式曲軸 全支撐式：全支撐式： 非全支撐式：（過去強化程度低發(fā)動機，非全支撐式：（過去強化程度低發(fā)動機， NA NA汽油機升功率汽油機升功率40-50 kW,T40-50 kW,T：60kW60kW，Ecoboost92 kWEcoboost92 kW）組合式曲軸組合式曲軸 隧道式機體隧道式機體 大內(nèi)燃機機曲軸大內(nèi)燃機機曲軸 小通用機曲軸小通用機曲軸曲拐的結(jié)構(gòu)尺寸曲拐的結(jié)構(gòu)尺寸徑向尺寸：主軸頸半徑、曲柄銷半徑、曲柄半徑徑向尺寸：主軸頸半徑、曲柄銷半徑、

11、曲柄半徑軸向尺寸：主軸頸長度、曲柄銷長度、曲柄臂厚度、缸心距軸向尺寸：主軸頸長度、曲柄銷長度、曲柄臂厚度、缸心距 曲拐的結(jié)構(gòu)尺寸（曲拐的結(jié)構(gòu)尺寸（1）主軸頸半徑為什么小于曲柄銷半徑？主軸頸半徑為什么小于曲柄銷半徑？ 連桿大頭尺寸要通過缸孔連桿大頭尺寸要通過缸孔 減少轉(zhuǎn)動慣量減少轉(zhuǎn)動慣量-提高扭振固有頻率提高扭振固有頻率 粗的曲柄銷、薄的曲柄臂導(dǎo)致應(yīng)力集中粗的曲柄銷、薄的曲柄臂導(dǎo)致應(yīng)力集中曲軸軸向尺寸對缸心距的影響曲軸軸向尺寸對缸心距的影響 缸心距缸心距= =主軸承長度主軸承長度+ +曲柄銷長度曲柄銷長度+2X+2X曲柄臂厚度曲柄臂厚度軸承承壓面積、軸承長度與寬度（機油壓力與冷卻流量）軸承承壓面

12、積、軸承長度與寬度（機油壓力與冷卻流量）曲柄臂的厚度和寬度（曲柄臂外上部切去）曲柄臂的厚度和寬度（曲柄臂外上部切去） 提高曲拐疲勞強度結(jié)構(gòu)措施提高曲拐疲勞強度結(jié)構(gòu)措施疲勞強度公式、曲軸形狀系數(shù)公式：疲勞強度公式、曲軸形狀系數(shù)公式：1 1、提高曲軸的重疊度（短行程）、提高曲軸的重疊度（短行程）2 2、減少應(yīng)力集中、減少應(yīng)力集中3 3、表面粗糙度、表面處理強化、表面粗糙度、表面處理強化)()()()()()(10ebKKmaKn1 中空軸頸對曲軸應(yīng)力的影響中空軸頸對曲軸應(yīng)力的影響主軸頸中空（減小曲柄銷應(yīng)力）主軸頸中空（減小曲柄銷應(yīng)力）曲柄銷中空（減少慣量）曲柄銷中空（減少慣量） 軸頸圓角對曲軸應(yīng)力

13、的影響軸頸圓角對曲軸應(yīng)力的影響做功沖程開始、進氣沖程開始時刻的徑向力（從彎矩解釋拉壓應(yīng)力）做功沖程開始、進氣沖程開始時刻的徑向力（從彎矩解釋拉壓應(yīng)力）拉應(yīng)力和壓應(yīng)力（圓角滾壓、噴丸）拉應(yīng)力和壓應(yīng)力（圓角滾壓、噴丸） 軸頸圓角對曲軸應(yīng)力的影響（軸頸圓角對曲軸應(yīng)力的影響（1）軸頸圓角與應(yīng)力集中軸頸圓角與應(yīng)力集中軸頸圓角與軸承長度、下凹圓角（結(jié)構(gòu)緊湊性）軸頸圓角與軸承長度、下凹圓角（結(jié)構(gòu)緊湊性）變半徑圓角變半徑圓角 提高軸頸耐磨性的措施提高軸頸耐磨性的措施1 1、軸頸表面淬火（耐磨、軸頸表面淬火（耐磨 3-7mm)3-7mm)2 2、氮化、氮化 鋼：提高鋼：提高 60-80%60-80% 合金鋼：合

14、金鋼：20-30%20-30% 球鐵：球鐵：50-70%50-70% 附加好處：殘余壓應(yīng)力附加好處：殘余壓應(yīng)力 曲軸軸承的潤滑曲軸軸承的潤滑 機油泵機油泵-主油道主油道-主軸承主軸承-油槽（長度和油孔數(shù)）油槽（長度和油孔數(shù)）-曲軸油道曲軸油道-連桿大頭軸承（進油口位置）連桿大頭軸承（進油口位置）直油道直油道 or or 斜油道？斜油道？中空軸頸的曲軸油道中空軸頸的曲軸油道 連桿軸承油孔開口：軸承載荷最小小部位，出油順暢、對油膜影響小連桿軸承油孔開口：軸承載荷最小小部位，出油順暢、對油膜影響小 曲軸的平衡重曲軸的平衡重 平衡重的作用平衡重的作用 1 1、平衡離心力矩（、平衡離心力矩（3 3缸機）

15、缸機） 2 2、減小曲軸內(nèi)力矩，減小主軸承偏磨、減小曲軸內(nèi)力矩，減小主軸承偏磨平衡重的不利影響平衡重的不利影響 增加慣量增加慣量-固有頻率固有頻率-扭振扭振 曲軸的固定曲軸的固定-主軸承蓋主軸承蓋主軸承蓋：瓦蓋主軸承蓋：瓦蓋 整體式瓦蓋、整體式瓦蓋、 框架式機體框架式機體主軸承螺栓、平衡重螺栓主軸承螺栓、平衡重螺栓 曲軸的前端曲軸的前端 前端附件：皮帶輪、發(fā)電機、水泵、空壓機、轉(zhuǎn)向助力、風(fēng)扇、齒輪前端附件：皮帶輪、發(fā)電機、水泵、空壓機、轉(zhuǎn)向助力、風(fēng)扇、齒輪 扭振減振器扭振減振器前端：鍵連接前端：鍵連接前端密封：甩油盤前端密封：甩油盤+ +油封油封曲軸前軸段疲勞曲軸前軸段疲勞 曲軸的前端曲軸的前端 曲軸的后端曲軸的后端 1 1 后端：飛輪、齒輪系后端：飛輪、齒輪系曲軸法蘭曲軸法蘭飛輪螺栓飛輪螺栓飛輪定位銷：曲軸和飛輪一起動平衡飛輪定位銷：曲軸和飛輪一起動平衡曲軸甩油盤曲軸甩油盤+ +油封油封飛輪慣量：怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定飛輪慣量：怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 過大、過小缺陷過大、過小缺陷 曲軸的止推（軸向定位） 軸向力：離合器、變速箱軸向力：離合器、變速箱翻邊軸瓦、止推片翻邊軸瓦、止推片 曲軸的止