内燃机构造与设计--7-12曲轴

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1、内燃机构造与设计12曲轴12.1概述曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的结构影响本身的强度和刚度，也就影响发动机的可靠性和寿命以及整机结构、重量等，所以对曲轴的设计要求很高。在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺等，以求获得最经济最合理的效果。曲轴的工作条件：曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转惯性力以及它们产生的力矩（扭矩和弯矩）共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。曲轴的破坏形式：主要是弯曲疲劳破坏，扭转载荷较小，对于扭振，通常采用减振措施。12.1概述曲轴破坏

2、的发源地：因曲轴形状复杂，应力集中严重，所以疲劳裂纹的发源地几乎全部产生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处。弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45º折断曲柄，扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45º剪断曲柄销。曲轴的设计要求：强度、刚度、耐磨、轻巧具有足够的疲劳强度，对应力集中部位采用局部强化的方法，具有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度，各轴颈表面要耐磨，曲轴的重量要轻。12.1概述以上要求有些是相互矛盾的，在设计中必须辩证地进行分析，找出主要矛盾。曲轴的设计方法：主要是依靠经

3、验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料，结合新机型的要求及工艺条件，初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计，强度校核，曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。必须指出，曲轴的载荷、应力和变形实际上是不可能完全准确的计算出来的。计算曲轴内力的截断简支梁模型有以下多处于实际情况不符：（1）曲柄销载荷、，曲柄销惯性力，曲柄臂惯性力，平衡重惯性力，都视为集中载荷，而实际上都是分布载荷;12.1概述（2）把曲轴截成了各个单曲拐，而对相邻曲拐间的相互作用只考虑了截断面上有扭矩M（i-1）和M（i

4、），忽略了实际上还存在内弯矩;（3）把每一截断的单拐视为点支撑梁，只考虑集中支反力Rx和Ry,并认为这些支反力决定于单拐的静力平衡条件;但实际上主轴颈有一定长度，各主轴颈和主轴承都还有同轴度误差，因而不仅有分布的支反力，而且支反力沿轴向还不是均布的，有可能形成支反力矩;同时支反力也不是由单个曲拐而是由曲轴整体决定的，机体上各主轴承座的弹性变形和振动对于支反力和支反力矩也有影响。此外，发动机能平稳运转的转速范围要尽可能地宽一些，并应能迅速从怠速变换到全速全负荷。12.2曲轴的结构设计12.2.1结构型式与材料曲轴的

5、结构型式曲轴的结构型式与制造方法有关，分为两大类：整体式曲轴——结构是整体的，毛坯可由整根钢料锻造或用铸造方法形成。特点是工作可靠，重量轻，强度、刚度较高，加工表面少，广泛应用于中、小型发动机的曲轴。此曲轴一般与滑动轴承相配合，只有单缸曲轴与滚动轴承配合，以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。组合式曲轴——把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。特点是工艺性好，应用于大功率柴油机和小型二冲程发动机，大曲轴加工困难，受到加工设备的限制，单缸二冲程发动机的连杆轴承一般采用滚针（柱）轴承，连杆大头做成

6、整体式，则曲轴必须采用组合式。12.2曲轴的结构设计曲轴还可以按支承轴承的个数分为全支承与非全支承。全支承曲轴的特点是刚度大，曲轴内弯矩小些，可使轴颈尺寸减小以降低轴承摩擦损失。曲轴的材料必须根据发动机的用途及强化程度，正确选用曲轴材料。选用原则：在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料，以铸代锻，以铁代钢。选用要求：优良的机械性能，高的耐磨性、耐疲劳性、冲击韧性，加工容易，造价低廉。12.2曲轴的结构设计常用材料及特点：钢——锻造用碳素钢、合金钢，铸造用铸钢（较少采用）。碳素钢：广泛采用中碳钢45号模锻

7、曲轴，应用于强化程度不太高的中高速发动机上。特点是刚度与合金钢差不多，强度低一些，但成本低。对加工工艺有一定要求，曲轴锻造后应进行第一次热处理（退火或正火），其目的是消除金属中的内应力和降低硬度以便于机械加工，在精磨前应进行第二次热处理（调质）以改善钢的机械性能，并提高轴颈表面硬度。对轴颈表面、圆角和油孔边缘均应抛光，以提高曲轴的疲劳强度。合金钢：应用于强化程度高的中高速机车柴油机和航空发动机上。特点是强度高，具有优异的综合机械性能，但对缺口的敏感性很强，对热处理、机械加工要求相当严格，因为其优良的性能只有在恰当

8、的热处理及良好的加工条件下才能发挥出来。曲轴整个表面都要进行抛光，避免应力集中。由于模锻设备庞大，自由锻又浪费材料，所以产生了铸造曲轴。12.2曲轴的结构设计球墨铸铁：广泛应用于车用汽油机、柴油机及农用柴油机上。特点是综合机械性能低于中碳钢，疲劳强度较低，所以球铁曲轴在结构上比较笨重，有较粗的轴颈，较厚的曲柄，并采用全支承曲轴。但对实际使用的球铁曲轴的弯曲疲劳强度并不低于