發(fā)動機曲軸結構設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上2.1 曲軸的結構曲軸的作用是把活塞往復運動通過連桿轉變?yōu)樾D運動，傳給底盤的傳動機構。同時，驅動配氣機構和其它輔助裝置，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)動機曲軸的曲拐數目等于氣缸數，而V型發(fā)動機曲軸的曲拐數等于氣缸數的一半。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。主軸承的數目不僅與發(fā)動機氣缸數目有關，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，曲柄處常設置平衡重。

2、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)動機的連桿軸頸數目與氣缸數相等而V型發(fā)動機的連桿軸頸數等于氣缸數的一半。曲軸前端裝有正時齒輪，以驅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、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

3、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)的曲軸轉角內，每個氣缸都應發(fā)火作功一次，以保證發(fā)動機運轉平穩(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的動力，傳給底盤的傳動機構。同時，驅動配氣機構和其它輔助裝置，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

4、性變化的燃氣作用力、往復運動和旋轉運動慣性力及其他力矩作用下工作的，因而承受著扭轉和彎曲的復雜應力。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振動而產生的附加應力，再加上曲軸形狀復雜，結構變化急劇，產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動，因而產生強烈的磨損。因此柴油機在運轉中發(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。依曲軸產生裂紋的交變應力的性質不同，主要有以下三種疲勞裂紋:彎曲疲勞裂紋、扭轉疲勞裂紋和彎曲一扭轉疲勞裂紋【21】，如圖2.1所示。圖2.1 1-彎曲疲勞裂紋 2-扭轉疲勞裂紋2.2.1 彎曲疲勞裂紋曲

5、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，過渡圓角處的最大應力出現在曲柄臂中心對稱線下方。應力沿曲軸長度方向的分布是在中間的和端部的曲柄有較大的彎曲應力峰值。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經過較長時間運轉之后發(fā)生。因為長時間運轉后柴油機的各道主軸承磨損不均勻，使曲軸軸線彎曲變形，曲軸回轉時產生過大的附加交變彎曲應力。此外，曲軸的曲柄臂、曲柄箱或軸承支座(機座)等的剛性不足，柴油機短時間運轉后，也會使曲軸產生彎曲疲勞破壞。2.2.2 扭轉疲勞裂紋

6、曲軸在扭轉力矩作用下產生交變的扭轉應力，存在扭振時還會產生附加交變扭轉應力，嚴重時會引起曲軸的扭轉疲勞破壞。扭轉疲勞裂紋一般發(fā)生在曲軸上應力集中嚴重的油孔或過渡圓角處，并在軸頸上沿著與軸線成45°角的兩個方向擴展。這是因為軸頸的抗扭截面模數較曲柄臂的小，所以扭轉疲勞裂紋多自過渡圓角向軸頸擴展，而很少向曲柄臂擴展。但若同時存在較強的彎曲應力，則裂紋也可自圓角向曲柄臂擴展，造成曲柄臂彎曲斷裂。 通常扭轉疲勞裂紋發(fā)生在曲輛扭振節(jié)點附近的曲柄上。發(fā)生扭磚疲勞裂紋的時間一般是在柴油機運轉初期和曲軸的臨界轉速位于工作轉速范圍內時。扭轉疲勞斷裂的斷面與軸線相交成45°角，斷面上的裂紋線近

7、似螺旋線【22】【23】。2.2.3 彎曲-扭轉疲勞裂紋曲軸的疲勞破壞還可能是由于彎曲與扭轉共同作用造成。常常由于主軸承不均勻磨損造成曲軸上產生彎曲疲勞裂紋，繼而在彎曲與扭轉的共同作用下使裂紋擴展、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，放射狀紋理是扭轉疲勞造成的，兩種紋理交織成蛛網狀。彎曲一扭轉疲勞裂紋有時也呈以彎曲疲勞為主或以扭轉疲勞為主的破壞形式。因此，在具體情況下，應根據斷面上的紋理、裂紋方向和最后斷裂區(qū)進行分析判斷【24】。生產中，曲軸的彎曲疲勞

8、破壞遠遠多于鈕轉疲勞破壞。其主要原因是由于曲軸彎曲應力集中系數大于扭轉應力集中系數，曲軸的彎曲應力難于精確計算和控制。柴油機運轉中，曲軸的各道主軸承磨損是很難掌握和計算的，由它所引起的曲軸變形和附加彎曲應力也就難于討算和控制了。相反，曲軸的扭轉應力可以通過計算準確掌握，并可采取有效的減振措施予以平衡，只要避免柴油機在臨界轉速運轉和扭轉應力過載，曲軸的扭轉疲勞破壞就會得以控制【25】。2.3 曲軸的設計要求根據上述曲軸的損壞形式及其原因，且為避免這些損壞，曲軸在設計過程中應盡量滿足以下的要求：1.具有足夠的疲勞強度，以保證曲軸工作可靠。盡量減小應力集中，加強薄弱環(huán)節(jié)；2.具有足夠的彎曲和扭轉剛度

9、，使曲軸變形不致過大，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.曲柄的排列應合理，以保證柴油機工作均勻，曲軸平衡性良好，以減少振動和主軸承最大負荷；5.材料選擇適當，制造方便【26】。2.4 曲軸的結構型式曲軸的支承方式一般有兩種，一種是全支承曲軸，其曲軸的主軸頸數比氣缸數目多一個，即每一個連桿軸頸兩邊都有一個主軸頸。這種支承，曲軸的強度和剛度都比較好，并且減輕了主軸承載荷，減小了磨損。柴油機和大部分汽油機多采用這種形式。另一種是非全支承曲軸。其曲軸的主軸頸數比氣缸數目少或與氣缸數目相等。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

10、大，但縮短了曲軸的總長度，使發(fā)動機的總體長度有所減小。有些汽油機，承受載荷較小可以采用這種曲軸型式【27】。鑒于本課題所設計的1015柴油機為四缸，故而動機的總體長度較小。且其常用于重型載重車，曲軸的強度及剛度要求都較高，因此設計采用全支承曲軸。曲軸從結構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，具有結構簡單、加工方便、重量輕、工作可靠、剛度和強度較高等優(yōu)點。組合式曲軸是分段制造的，鑄造時容易保證質量，降低廢品率【28】；鍛造時無需較大的鍛壓設備，制造方便，熱處理和機械加工業(yè)較方便，并可縮短生產周期。當生產后使用中某個曲柄發(fā)現有缺陷時，可以局部更換而不必報廢整個

11、曲軸。一般的說，在選擇曲軸結構時，只要生產設備允許應該盡可能采用整體式曲軸。在大型柴油機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。對于本課題得設計，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備生產大型曲軸，但效率太低，加工余量也大。模鍛需要一套較貴的鍛模設備和較大的鍛壓設備，生產效率價高。鐓鍛可節(jié)約大量金屬材料和機械加工工時，且加工出的曲軸能充分發(fā)揮材料的強度。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

12、QT60-2、可斷鑄鐵KTZ70-2、合金鑄鐵及鑄鋼ZG35等。在強化程度要求不高的內燃機中，一般選用普通碳素鋼，碳素鋼的韌性比合金鋼高，可以降低扭轉振動振幅。合金鋼多用于強化要求高的柴油機曲軸，其疲勞強度高但對應力集中敏感性大，因而對機械加工要求也高。球墨鑄鐵價格低廉，制造方便，對應力集中不敏感，并可以通過合理的造型降低應力的集中，還可通過加入合金元素、熱處理、表面強化等方法提升其性能。因此對于要求高的強度、塑性、韌性、耐磨性、耐嚴重的熱和機械沖擊、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、彈性模數及疲勞強度較低，在使用其作為曲軸材料時，應該確保軸頸

13、和曲柄臂厚度較粗。曲軸的材料應具有較高的疲勞強度、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械性能，同時也要考慮工藝性、資源性和經濟性。在選擇材料時，需要根據內燃機類型、用途及生產條件，確定曲軸毛坯的制造方法。并參考同類近似機型所用材料，根據曲軸受力情況和使用習慣，憑經驗選取。根據上述各種毛坯制造方法及材料特點，并結合1015柴油機結構、實際受力狀況及用途，本設計曲軸毛坯采用鑄造方法，曲軸材料選擇球墨鑄鐵QT60-2。2.6 曲軸的主要部件設計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摩擦副，他們的設計直接影響了內燃機的工作可靠性、外形尺寸及維修。軸頸的尺寸和結構與

14、曲軸的強度、剛度及潤滑條件有密切的關系。曲軸的直徑越大，曲軸的剛度也越大，但軸頸直徑過大會引起表面圓周速度增大，導致摩擦損失和機油溫度的增高。曲柄銷直徑的增大會引起旋轉離心力及轉動慣量的劇烈增加，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,減小主軸頸長度,這有利于縮短內燃機的長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，減小在工作轉速范圍內產生共振的可能性。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

15、軸上最薄弱的環(huán)節(jié)，設計時應注意適當的寬度和厚度，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

16、采用沉割圓角，但設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計工藝十分的復雜，設計要求較高，以我們現階段的水平難以得出準確結果，故而本設計采用等圓弧圓角。由柴油機設計手冊（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。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

17、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，即將曲軸內部做成中空的連續(xù)孔道，作為內燃機的主油道，機油從曲軸的一端輸入曲軸，然后經曲軸內孔串聯流向各軸承；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構復雜。因而多數內燃機采用分路供油，且本設計也采用分路供油。油道布置主要根據潤滑供油充分和對曲軸疲勞強度的影響來決定，主軸頸

18、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。油道的取向對扭轉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，其中斜線油道在結構上是最簡單的，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