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

1、 .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【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。一個(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

2、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【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(guò)渡，以減少應(yīng)力集中。直列發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿軸頸數(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

3、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)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【20】。2.2 曲軸的疲勞損壞形式曲軸的工作情況十分復(fù)雜，它是在周期性變化的燃?xì)庾饔昧?、?/p>

4、復(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【21】，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)

5、生在主軸頸或曲柄銷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)渡圓角處的最大應(yīng)力出現(xiàn)在曲柄臂中心對(duì)稱線下方。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)

6、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)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45°角，斷面上的裂紋線近似螺旋線【22】【23

7、】。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(kuò)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(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【24】。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

8、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【25】。2.3 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，

9、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(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【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(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)

10、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式【27】。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【28】；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

11、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。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(jià)高。鐓鍛可節(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

12、KTZ70-2、合金鑄鐵及鑄鋼ZG35等。在強(qiáng)化程度要求不高的內(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【29】。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

13、的材料應(yīng)具有較高的疲勞強(qiáng)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(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(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QT60-2。2.6 曲軸的主要部件設(shè)計(jì)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(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

14、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(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,減小主軸頸長(zhǎng)度,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。一般情況下曲柄銷直徑總是小于主軸頸直徑【30】。2.6.2 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)

15、時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)?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(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【31】。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(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【32】。曲軸圓角半徑應(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

16、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，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：/0.045，即5.94mm。故取曲軸圓角半徑=6.00mm。2.6.4 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

17、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

18、柄銷供油充分；曲柄銷上的油孔出口應(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まD(zhuǎn)疲勞強(qiáng)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(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