發(fā)動機曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

第頁共32頁2.1曲軸的結(jié)構(gòu)曲軸的作用是把活塞往復運動通過連桿轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，傳給底盤的傳動機構(gòu)。同時，驅(qū)動配氣機構(gòu)和其它輔助裝置，如風扇、水泵、發(fā)電機等【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。平衡重用來平衡發(fā)動機不平衡的離心力矩及一部分往復慣性力，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渡，以減少應力集中。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)等于氣缸數(shù)的一半。曲軸前端裝有正時齒輪，以驅(qū)動風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)火順序應使連續(xù)作功的兩缸保持盡量遠的距離，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雜，它是在周期性變化的燃氣作用力、往復運動和旋轉(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)和彎曲的復雜應力。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)生的附加應力，再加上曲軸形狀復雜，結(jié)構(gòu)變化急劇，產(chǎn)生了嚴重的應力集中。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2.11-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)的抗彎曲剛度和強度都較差，往往因受交變彎曲應力而引起斷裂。因此曲柄臂是整體曲軸上最薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)計時應注意適當?shù)膶挾群秃穸?，并選擇合理的形狀，以改善應力的分布狀況。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【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。這些過渡圓角能夠減小應力集中，提高疲勞強度，其半徑的增大與其表面光潔程度的提高，是增加曲軸疲勞強度的有效措施【32】。曲軸圓角半徑應足夠大，但是圓角半徑過小會使應力集中嚴，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，當各段圓弧半徑選擇適當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：/0.045，即5.94mm。故取曲軸圓角半徑=6.00mm。2.6.4潤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保證像曲柄銷供油充分；曲柄銷上的油孔出口應設(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，油孔邊緣處的應力集中就愈嚴重，斜線油孔加工工藝復雜，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，工藝較為復雜，但能夠有效的提高曲軸的疲勞強度。圖2.3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，并且應盡量不增加內(nèi)燃機的尺寸，在滿足動平衡的條件下，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，大小及位置等問題，都