曲軸設(shè)計 一. 曲軸設(shè)計概論曲軸的成本大約占整機成本的十分之一，為內(nèi)燃機中最貴的零件。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度是曲軸設(shè)計的首要問題。曲軸各軸頸的尺寸還應(yīng)滿足軸承承壓能力和潤滑條件的要求。中小功率高速內(nèi)燃機幾乎都用整體曲軸、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)力集中嚴重； 3、曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴重； 2.設(shè)計要求 1、有足夠的疲勞強度； 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；鍛造后進行正火或調(diào)質(zhì)處理，然后在各軸頸表面實施感應(yīng)加熱表面淬火。鋼曲軸也可以進行滲氮處理，以提高疲勞強度。 2、合金鋼：在強化程度較高的發(fā)動機中采用； 3、球墨鑄鐵：在強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)振動的幅值。在曲軸設(shè)計中，曲軸的結(jié)構(gòu)、材料、工藝三因素各自有獨立規(guī)律，且相互影響。 二. 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計一、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、強度較高、加工表面較少的特點，中小型發(fā)動機中廣泛采用。一般配合滑動軸承（有的單缸機采用滾動軸承）。 2、組合式曲軸：當曲軸尺寸較大，曲拐數(shù)較多時，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)動機也有采用。 整體式曲軸和組合式曲軸 曲軸支承 (a)全支承曲軸:優(yōu)點是曲軸剛性好，不易彎曲，缺點是缸心距加大，機體加長，制造成本增加。柴油機多用全支承曲軸。. (b)非全支承曲軸:多用于中小功率的汽油機 曲軸全支承與非全支承優(yōu)點缺點應(yīng)用全支承曲軸提高曲軸的剛度和彎曲強度，減輕主軸承的載荷曲軸的加工表面增多，主軸承數(shù)增多，使機體加長柴油機一般多采用此種支撐方式非全支承曲軸縮短了曲軸的長度，使發(fā)動機總體長度有所減小主軸承載荷較大承受載荷較小的汽油機可以采用此種方式 曲軸主要尺寸參數(shù) dcp：曲柄銷直徑； lcp：曲柄銷長度； hcw：曲柄臂厚度；bcw：曲柄臂寬度 dcj：主軸頸直徑； lcj：主軸頸長度； 氣缸中心距 L= lcp + lcj +2 hcw 它們存在一個合理分配的問題。過渡圓角半徑R對應(yīng)力集中影響巨大。各尺寸參數(shù)的統(tǒng)計值見下表： 油道設(shè)計及油孔位置 曲軸前端與后端（1）作用： 曲軸前端用來安裝正時齒輪、皮帶輪、扭振減振器及起動爪等；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)動件(有油槽一面)。當曲軸向前竄動時，后止推片承受軸向推力；向后竄動時，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)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。2）連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠些，最好是在發(fā)動機的前半部和后半部交替進行。3) 避免進氣重疊4） V型發(fā)動機左右氣缸盡量交替作功。5）曲拐布置盡可能對稱、均勻以使發(fā)動機工作平衡性好。 三. 曲軸疲勞強度校核曲軸破壞主要是彎曲疲勞破壞現(xiàn)在曲軸強度計算絕大部分采用有限元計算方法，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，這需要詳細了解曲軸的工作情況和受力狀況。安全系數(shù)n 1.5（鋼）或1.8（球墨鑄鐵） 四. 提高曲軸疲勞強度的措施在載荷不變的條件下，要提高曲軸抗彎強度就應(yīng)設(shè)法降低應(yīng)力集中；適當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度。 2、圓角淬火強化：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度。 3、噴丸強化處理：與滾壓強化的道理一樣，屬于冷作硬化變形。 4、氮化處理：使氮氣滲入零件表面，金屬體積增大而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。