曲軸設(shè)計(jì),一.曲軸設(shè)計(jì)概論 二. 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三. 曲軸疲勞強(qiáng)度校核 四. 提高曲軸疲勞強(qiáng)度的措施,一. 曲軸設(shè)計(jì)概論,曲軸的成本大約占整機(jī)成本的十分之一，為內(nèi)燃機(jī)中最貴的零件。 曲軸最常見的損壞原因是彎曲疲勞，所以保證曲軸有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度是曲軸設(shè)計(jì)的首要問題。 曲軸各軸頸的尺寸還應(yīng)滿足軸承承壓能力和潤(rùn)滑條件的要求。 中小功率高速內(nèi)燃機(jī)幾乎都用整體曲軸、全支承、帶有平衡塊（無論整體是否平衡）。,1.曲軸工作條件,1、受周期變化力和力矩作用，重點(diǎn)是彎曲交變載荷（80是彎曲疲勞破壞）； 2、曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重； 3、曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴(yán)重；,2.設(shè)計(jì)要求,1、有足夠的疲勞強(qiáng)度； 2、有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨； 3、盡量減少應(yīng)力集中； 4、剛度好，變形小。,3.常用材料,1、中碳鋼：如45，絕大多數(shù)采用模段制造；鍛造后進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，然后在各軸頸表面實(shí)施感應(yīng)加熱表面淬火。鋼曲軸也可以進(jìn)行滲氮處理，以提高疲勞強(qiáng)度。 2、合金鋼：在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)中采用； 3、球墨鑄鐵：在強(qiáng)度和剛度要求一定是，使用球墨鑄鐵材料能減少制造成本，且其阻尼特性能減小扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅值。 在曲軸設(shè)計(jì)中，曲軸的結(jié)構(gòu)、材料、工藝三因素各自有獨(dú)立規(guī)律，且相互影響。,二. 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一、曲軸結(jié)構(gòu)形式 1、整體式曲軸：具有工作可靠、重量輕、剛度、強(qiáng)度較高、加工表面較少的特點(diǎn)，中小型發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用。一般配合滑動(dòng)軸承（有的單缸機(jī)采用滾動(dòng)軸承）。 2、組合式曲軸：當(dāng)曲軸尺寸較大，曲拐數(shù)較多時(shí)，采用整體式結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致加工非常困難，可采用組合式結(jié)構(gòu)。小型單缸發(fā)動(dòng)機(jī)也有采用。,整體式曲軸和組合式曲軸,曲軸支承,(a)全支承曲軸: 優(yōu)點(diǎn)是曲軸剛性好，不易彎曲，缺點(diǎn)是缸心距加大，機(jī)體加長(zhǎng)，制造成本增加。柴油機(jī)多用全支承曲軸。. (b)非全支承曲軸: 多用于中小功率的汽油機(jī),曲軸全支承與非全支承,曲軸主要尺寸參數(shù),dcp：曲柄銷直徑； lcp：曲柄銷長(zhǎng)度； hcw：曲柄臂厚度；bcw：曲柄臂寬度 dcj：主軸頸直徑； lcj：主軸頸長(zhǎng)度；,氣缸中心距,L= lcp + lcj +2 hcw 它們存在一個(gè)合理分配的問題。 過渡圓角半徑R對(duì)應(yīng)力集中影響巨大。 各尺寸參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值見下表：,油道設(shè)計(jì)及油孔位置,曲軸前端與后端,（1）作用： 曲軸前端用來安裝正時(shí)齒輪、皮帶輪、扭振減振器及起動(dòng)爪等；后端有飛輪結(jié)合盤(凸緣盤)，用來安裝飛輪。 （2）前后端的密封： 曲軸前后端都伸出曲軸箱，為了防止?jié)櫥脱剌S頸流出，在曲軸前后端都設(shè)有防漏裝置。,常用的防漏裝置有擋油盤、填料油封、自緊油封、回油螺紋等。,曲軸的軸向定位,（1）結(jié)構(gòu)： 止推片：在某一道主軸承的兩側(cè)裝止推片。止推片由低碳鋼背和減磨層組成。 翻邊軸瓦： （2）安裝注意：止推片有減磨層的一面朝向轉(zhuǎn)動(dòng)件(有油槽一面)。當(dāng)曲軸向前竄動(dòng)時(shí)，后止推片承受軸向推力；向后竄動(dòng)時(shí)，前止推片承受軸向推力,曲拐的布置,（1）一般規(guī)律 1）各缸的作功間隔要盡量均衡，以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 2）連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠(yuǎn)些，最好是在發(fā)動(dòng)機(jī)的前半部和后半部交替進(jìn)行。 3) 避免進(jìn)氣重疊 4） V型發(fā)動(dòng)機(jī)左右氣缸盡量交替作功。 5）曲拐布置盡可能對(duì)稱、均勻以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作平衡性好。,三. 曲軸疲勞強(qiáng)度校核,曲軸破壞主要是彎曲疲勞破壞 現(xiàn)在曲軸強(qiáng)度計(jì)算絕大部分采用有限元計(jì)算方法，且有很多現(xiàn)成的工程分析軟件，如ansys，pro/e，UG等。 有限元計(jì)算精度關(guān)鍵取決于如何處理曲軸的位移約束條件、加載方式、網(wǎng)格劃分等，這需要詳細(xì)了解曲軸的工作情況和受力狀況。 安全系數(shù)n1.5（鋼）或1.8（球墨鑄鐵）,四. 提高曲軸疲勞強(qiáng)度的措施,在載荷不變的條件下，要提高曲軸抗彎強(qiáng)度就應(yīng)設(shè)法降低應(yīng)力集中；適當(dāng)減小單拐中間部分的彎曲剛度，使應(yīng)力分布較為均勻。,結(jié)構(gòu)措施,1、加大曲軸軸頸的重疊度 重疊度 A=(dcp+dcj)/2-r 重疊度系數(shù) =(dcp+dcj)/S 2、加大軸頸附近的過渡圓角 過渡圓角的尺寸、形狀、材料組織、表面加工質(zhì)量等對(duì)曲軸應(yīng)力的影響十分明顯。 3、采用空心曲軸 4、采用沉割圓角和開卸載槽,工藝措施,1、圓角滾壓強(qiáng)化：表面產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力，抵消部分工作拉伸應(yīng)力，從而提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。 2、圓角淬火強(qiáng)化：用熱處理方法使金屬發(fā)生組織相變，體積膨脹而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高曲軸疲勞強(qiáng)度。 3、噴丸強(qiáng)化處理：與滾壓強(qiáng)化的道理一樣，屬于冷作硬化變形。 4、氮化處理：使氮?dú)鉂B入零件表面，金屬體積增大而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。,