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武漢理工大學畢業(yè)設計 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目 186F曲軸的設計與 校核計算 姓 名 專 業(yè) 學 號 指導教師 **學院車輛與交通工程系 二○一四年五月 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 國內外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 1.2.1 曲軸結構設計的發(fā)展 2 1.2.2 曲軸強度計算發(fā)展 2 1.3 零件分析 3 1.4 零件的作用 3 1.5 186F柴油機曲軸的設計目的 3 1.5.1 畢業(yè)設計的目的 3 1.5.2 186F柴油機的基本參數(shù) 4 2 曲軸的工作條件、結構型式和材料的選擇 5 2.1 曲軸的工作條件和設計要求 5 2.2 曲軸的材料 6 2.3 曲軸結構型式的選擇 6 2.4 曲軸強化的方法 6 3 曲軸主要尺寸的確定和結構細節(jié)設計 8 3.1 曲軸 8 3.1.1 曲軸簡述 8 3.1.2 曲軸設計 9 3.2 曲柄 12 3.2.1 曲柄簡述 12 3.2.2 曲柄設計 13 3.3 飛輪 13 3.3.1飛輪的簡述 13 3.3.2飛輪的設計 14 4 柴油機曲軸的校核計算 15 4.1 曲軸的校核 15 4.2 曲軸的疲勞強度的計算 15 總 結 19 致 謝 20 參考文獻 21 186F曲軸的設計與校核計算 摘 要 曲軸是柴油發(fā)動機的重要零件。它的作用是把活塞的往復直線運動變成旋轉運動，將作用在活塞的氣體壓力變成扭矩，用來驅動工作機械和柴油發(fā)動機各輔助系統(tǒng)進行工作。曲軸在工作時承受著不斷變化的壓力、慣性力和它們的力矩作用，因此要求曲軸具有強度高、剛度大、耐磨性好，軸頸表面加工尺寸精確，且潤滑可靠。 本文主要分為四個部分：第一部分為本文的開篇，即緒論部分，主要介紹柴油機、曲軸，對國內外研究現(xiàn)狀進行綜述和評價。第二部分主要介紹了柴油機曲軸的工作條件、結構型式和材料的選擇。第三部分是柴油機主要部件的設計。第四部分以186F柴油機為例，通過查閱內燃機設計手冊，對內燃機的曲軸運動部件做了校核。最后，為本次畢業(yè)設計的總結，優(yōu)缺點等。 本設計是根據(jù)被加工曲軸的技術要求，進行機械零件設計，然后根據(jù)內燃機設計的基本原理和方法，擬定曲軸設計方案，完成結構設計。主要工作有：繪制產品零件圖，了解零件的結構特點和技術要求；繪制裝配總圖和主要零件圖。 關鍵詞：內燃機；發(fā)動機；曲軸；設計 （此畢業(yè)設計獲得 2013屆優(yōu)秀畢業(yè)設計榮譽，有完整的零件圖，裝配圖 ，并且有開題報告、外文翻譯，保證讓你的畢業(yè)設計順利過關！先找份好的工作，不再為畢業(yè)設計而發(fā)愁?。?！有需要零件圖和裝配圖的同學請聯(lián)系QQ：994166684） 186F DESIGNAND CHECKING CALCULATION OF CRANKSHAFT Abstract The crankshaft is one of the important parts of diesel engine. Its role is to put the piston reciprocating linear motion into rotary motion and the effect on piston gas pressure become torque, used to drive machinery and diesel engines each auxiliary system to work. Crankshaft under changing pressure at work, the inertial force and their moment, therefore requires the crankshaft has high strength, stiffness big, wearability, shaft neck surface processing size accurate, reliable and lubrication. This paper is divided into four main parts: the first part of this article, namely the introduction part, mainly introduces the diesel engine, the crankshaft, the research status at home and abroad were reviewed and summarized and evaluated. The second part mainly introduces the working conditions of the diesel engine crankshaft, structural type and material selection. The third part is the design of main parts of a diesel engine. The fourth part with 186 f diesel engine as an example, through the consult internal combustion engine design manual, the internal combustion engine crankshaft did check the moving parts. As the summary of this graduation design, advantages and disadvantages, etc. This design is according to the technical requirements of the processing of the crankshaft, the mechanical parts design, and then according to the basic principle and method of internal combustion engine design, proposed design of crankshaft, complete structure design. Main work includes: map parts, understand the components of the structure features and technical requirements; Mapping the general layout and main assembly parts. Keywerds: internal combustion engine;engine;crankshaft;design 1 緒論 1.1 研究背景 柴油機與汽油機相比其燃料、可燃混合氣的形成以及點火方式都不相同，而柴油機采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度，因此柴油機的功率更大、經(jīng)濟性能更好，這也導致柴油機工作壓力大，要求各有關零件具有較高的結構強度和剛度。 曲軸是發(fā)動機中最重要的零件之一。它的尺寸參數(shù)不僅影響著發(fā)動機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性與壽命。因為曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動機其它零件的嚴重損壞，在發(fā)動機的結構改進中，曲軸的改進也占有重要地位。隨著內燃機的發(fā)展與強化，曲軸的工作條件越來越惡劣了。因此，曲軸的強度和剛度問題就變得更加嚴重了。在設計曲軸時，必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結構型式、材料與工藝，以求獲得經(jīng)濟最合理的效果。 1.2 國內外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，我國發(fā)動機的曲軸生產得到較大的發(fā)展，總量已具相當?shù)囊?guī)模，無論是設計水平，還是產品品種、質量、生產規(guī)模、生產方式都有很大的發(fā)展。曲軸在發(fā)動機中是承受載荷傳遞動力的重要零部件，也是發(fā)動機五大零部件中最難以保證加工質量的零部件，其性能、水平直接影響整機的性能水平及可靠性。因此，各工業(yè)發(fā)達國家十分重視曲軸的生產，不斷改進其材質及加工手段， 以提高其性能水平，滿足發(fā)動機行業(yè)的需要。近幾年來， 國內曲軸加工發(fā)展十分迅速。尤其是大功率柴油機曲軸。先進的加工工藝加工出的曲軸質量好、效率高且穩(wěn)定，伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，我國的發(fā)動機曲軸生產得到較大的發(fā)展，總量已具相當?shù)囊?guī)模，無論是設計水平，還是產品品種、質量、生產規(guī)模、生產方式都有很大的發(fā)展。 近年來，我國專業(yè)生產內燃機曲軸的廠家通過引進外來技術和自行開發(fā)新技術，總體水平有了很大的提高，但是我國的技術水平距世界先進水平還是相差很遠，甚至還無法滿足我們國內燃機工業(yè)技術發(fā)展的需要。隨著現(xiàn)在發(fā)動機的高功率、高扭矩、高轉速化的設計，人們對曲軸的性能指標的要求也越來越高，要求其能在高速運行的環(huán)境條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，所以對曲軸的設計有了更高的要求。目前曲軸的設計種類很多，常見的有曲軸的工作條件和材料的選擇、曲軸主要尺寸的確定和機構細節(jié)設計、曲軸的疲勞強度校核等。曲軸的結構尺寸、材料及強化工藝的確定是曲軸設計的核心，曲軸的校核計算是對曲軸設計的最初驗證及優(yōu)化設計的重要方法之一。對曲軸的校核計算是對曲軸設計的又一次仿真實驗，同時也是檢驗曲軸設計成敗的一個重要環(huán)節(jié)。曲軸在實際整機中的耐久性試驗是對曲軸設計的一份最終答卷。 1.2.1 曲軸結構設計的發(fā)展 曲軸結構設計在過去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展。在曲軸設計的前期一般是按照現(xiàn)有的經(jīng)驗公式計算或對現(xiàn)有的曲軸進行類比設計。再有了初步的設計之后造出曲軸樣品然后進行試驗，通過試驗數(shù)據(jù)對曲軸的設計進行適當?shù)母倪M。曲軸的設計計算發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有了很大的進步。隨著現(xiàn)代內燃機正向高可靠、高緊湊性、高經(jīng)濟性的方向不斷的發(fā)展，傳統(tǒng)的以經(jīng)驗、試湊、定性為主要設計內容的設計方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要，伴隨著高科技技術的不斷發(fā)展，內燃機及其零部件的設計的發(fā)展非常速速，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到了采用包括有限元法、優(yōu)化設計、動態(tài)設計等現(xiàn)代先進設計技術在內的計算機分析、預測和模擬的階段。由于曲軸工作時所受載荷及約束均十分復雜，因此對整根曲軸進行有限元計算不易獲得成功。較合理的模型是用較小的有代表性的一部分來代表整根曲軸，例如用二分之一或四分之一的曲柄來建立計算模型。其前提是在適當?shù)挠嬎銜r間內獲得足夠的精度，同時也使力邊界條件和約束邊界條件盡量簡化。 隨著現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展以及應用軟件的開發(fā)這些在原來看來是不可能的事情在現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實。 1.2.2 曲軸強度計算發(fā)展 六十年代以前很長的一段的時間內，人們主要使用實驗的手段來研究曲軸的強度。隨著科學技術的飛速發(fā)展，最近幾十年來曲軸計算方法的應用分析精度有了很大的提高，目前可以相當精確地確定曲軸在任一工況下任一部位的應力，因而對也可以作比較精確的評估曲軸的整體強度。六十年代到七十年代，出現(xiàn)了整體曲軸計算的連續(xù)梁模型和空間鋼架模型。在六十年代末期，美國的Poter提出了曲柄剛度的一種經(jīng)驗算法，由于計算方法比較繁瑣，并且缺乏試驗和實踐的驗證。隨后，又有人提出了一種算法曲柄剛度的斜截面法，在計算精度較有了新的提高，由于不能考慮到削去的肩部和中心油孔等因素的影響，剛度的計算仍然比實測值大。 現(xiàn)在的曲軸強度計算都歸結為疲勞強度計算，其計算步驟分為以下兩步一是應力計算，求出曲軸危險部位的應力幅和平均應力；二是在此基礎上進行疲勞強度計算。常用的應力計算的方法有三種：傳統(tǒng)法、有限元法和邊界元法。 1.3 零件分析 曲軸的主要技術要求分析： （1）主軸頸、連桿軸頸本身的精度，即尺寸公關等級為IT6，表面粗糙度Ra值為1.25～0.63μm。一般軸頸長度公差等級為IT9～IT10。軸頸的形狀公差，如圓度、圓柱度控制在尺寸公差之內。 （3）位置精度，位置精度包括有主軸頸和連桿軸頸的平行度：一般在100mm之內不能大于0.02mm；曲軸的各主軸頸的同軸度：對于小型高速曲軸的為0.025mm，對于中大型低速曲軸為0.03～0.08mm。 （3）曲軸的各連桿軸頸的位置度應不大于20′。 1.4 零件的作用 曲軸是柴油發(fā)動機的重要零件。它的作用是把活塞的往復直線運動變成旋轉運動，將作用在活塞上的氣體壓力變成扭矩，用來驅動工作機械和柴油發(fā)動機各輔助系統(tǒng)進行工作。 曲軸在工作時承受著不斷變化的壓力、慣性力和它們的力矩作用，因此要求曲軸具有強度高、剛度大、耐磨性好，軸頸表面加工尺寸精確。 1.5 186F柴油機曲軸的設計目的 1.5.1 畢業(yè)設計的目的 畢業(yè)設計是在校期間的最后一份作業(yè)；是對我們學生的綜合素質與實踐能力培養(yǎng)效果的一個全面檢測。畢業(yè)設計的目的是培養(yǎng)學生的綜合應用所學基礎課程、技術基礎課程、專業(yè)課基礎知識和相應的技能，和解決內燃機零部件設計問題的綜合能力和創(chuàng)新能力，提高學生的綜合素質以及分析問題和解決問題的能力。通過本次畢業(yè)設計能讓學生更加熟練的運用所學的知識獨立完成設計任務。 通過大學期間理論知識的學習，結合曲軸生產的實際問題，運用內燃機設計的基本理論和計算方法，獨立地完成186F曲軸的設計與校核計算，達到綜合運用內燃機學的知識解決曲軸設計的實際問題。 1.5.2 186F柴油機的基本參數(shù) 表1.1：186F柴油機的技術參數(shù) 項目 參數(shù) 柴油機型號 186F 型式 單缸四沖程、風冷、直噴式 缸徑行程/mmmm 8670 壓縮比 19 排量L 0.406 標定功率kW 5.7 最大扭矩轉速r/min 1800 噴油器噴孔數(shù)噴孔直徑/mm 40.24 連桿長度/mm 117.5 供油（噴油）提前角/℃ 17（12）BTDC 燃燒室形狀 ω型 2 曲軸的工作條件、結構型式和材料的選擇 2.1 曲軸的工作條件和設計要求 曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復和旋轉運動質量的慣性力以及它們的力矩共同作用下工作的，從而使曲軸既扭轉又彎曲，產生疲勞應力狀態(tài)；對內不平衡的發(fā)動機曲軸還承受內彎矩和剪力；未采取扭轉振動減振措施使曲軸還可能作用著幅值較大的扭轉振動彈性力矩。這些載荷都是交變性的，可能引起曲軸疲勞失效。實踐表明，彎曲載荷具有決定性作用，彎曲疲勞失效是主要破壞形式。因此曲軸結構強度的研究重點是彎曲疲勞強度，曲軸設計上要致力于提高曲軸的疲勞強度。 a） 彎曲疲勞破壞 b）扭轉疲勞破壞 圖2.1 曲軸的疲勞破壞 曲軸形狀復雜，應力集中現(xiàn)象相當嚴重，特別在連桿軸頸與曲柄臂的過渡圓角處和潤滑油孔出口附近的應力集中尤為突出。通常的曲軸斷裂、疲勞裂紋都始于過渡圓角和油孔處。圖2.1表明了曲軸彎曲疲勞破壞和扭轉疲勞破壞的情況。彎曲疲勞裂縫從軸頸根部表面的圓角處發(fā)展到曲柄上，基本上成45o折斷曲柄；扭轉疲勞破壞通常是從機械加工不良的油孔邊緣開始，約成45o剪斷曲柄銷。所以，在設計曲軸時，要特別注意設法緩和應力集中現(xiàn)象，強化應力集中部位。 曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動摩擦。這些軸承在實際變工況運轉條件下并不總能保證為液體摩擦，尤其當潤滑油不潔凈時，軸頸表面遭到強烈的磨料磨損，使得曲軸的實際使用壽命大大降低。所以，設計時，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好適當材料的軸瓦。 曲軸是曲柄連桿機構中的中心環(huán)節(jié)，其剛度要求非常嚴格。如果曲軸彎曲剛度不足，則很可能發(fā)生較劇烈的彎曲振動，大大惡化整個連桿和軸承的工作條件，同時會影響零件工作的可靠性和耐久性，曲軸箱的局部也可能會因為應力過大而開裂。如果曲軸的扭轉剛度不足，在工作轉速范圍內可能會引起產生強烈的扭轉振動。輕則引起噪音，加快曲柄上齒輪等傳動件的磨損；重則使曲軸斷裂。所以，曲軸設計時應保證它有盡可能高的彎曲剛度和扭轉剛度。 2.2 曲軸的材料 在曲軸的結構設計和加工工藝都正確合理的情況下，同時曲軸的材料強度決定著曲軸的體積、重量和壽命。因此，需要根據(jù)內燃機零部件的用途及強化強度，以選擇正確的曲軸材料，同時，在保證曲軸能夠承擔足夠的強度的前提下，曲軸的材料盡可能選用一般的材料。如以鑄代鍛，以鐵代鋼。選擇曲軸的材料時，除了應具有較好的機械性能外，還需要要求具有高度的耐磨性，耐疲勞性和沖擊韌性。同時還要考慮曲軸的加工工藝簡便和造價低。 發(fā)動機曲軸通常用高強度、沖擊韌性好的中碳鋼或中炭合金鋼，經(jīng)模鍛和調質處理，對軸頸表面通過高頻率淬火和氮化處理，經(jīng)精加工而成。本設計中采用45鋼模鍛曲軸。 2.3 曲軸結構型式的選擇 曲軸的結構型式與其制造方法有直接關系，在進行曲軸設計時必須同時考慮。曲軸有整體式曲軸和組合式曲軸兩大型式。而發(fā)動機常采用組合式曲軸，這是因為其加工簡單，不需要大型模鍛設備，它由曲軸左半部、曲軸右半部及曲軸銷組成。通過液壓壓入的方法將其接合起來。本設計中采用滾動軸承作主軸承。這是因為使用它具有以下優(yōu)點： 1） 可以采用隧道式曲軸，保證曲軸箱有較高的剛度和強度； 2） 可以減少摩擦損失，提高機械效率，因而使燃料消耗下降； 3） 發(fā)動機起動較為容易，尤其在氣溫較低的時候； 4） 采用滾動軸承后，對主軸的潤滑較易實現(xiàn)。 2.4 曲軸強化的方法 提高曲軸的疲勞強度是設計人員必須努力解決的問題。為了提高曲軸的疲勞強度，可以采用一系列結構設計和工藝設計措施。 在結構設計方面，可以采用以下措施： （1）加大軸頸的重疊度。 （2）采用較大的圓角半徑可以使圓角彎曲形狀系數(shù)下降，從而提高彎曲強度。 （3）軸頸上設計卸載槽使應力分布更加均勻，而且沿軸頸和曲柄臂寬度的最大應力較小，還可能使軸頸到曲柄臂過渡圓角的半徑增大。 （4）曲柄銷的內卸載孔相對其幾何軸線遠離曲柄半徑中心呈偏心布置使圓角處的彎曲應力降低，提高疲勞強度。 （5）增大曲柄臂的厚度和寬度。 除了設計措施外，工藝方面利用特殊的機械加工方法、熱處理或化學處理方法強化表面，以提高曲軸的疲勞強度。常用的表面強化工藝有以下幾種： 1）圓角高頻感應淬火； 2）圓角滾壓強化； 3）氮化處理； 4）噴丸強化。 此曲軸的設計采用氮化處理工藝。 3 曲軸主要尺寸的確定和結構細節(jié)設計 在選定曲軸材料、毛坯制造及其基本結構型式后，便從單位曲拐（包括主軸頸、曲柄銷和曲柄等主要部分）著手確定主要尺寸和結構細節(jié)。 曲軸與活塞連桿組件和機體有密切的聯(lián)系，曲軸的設計不能孤立地進行。曲軸長度方向的尺寸基本上取決于缸心距。所以，曲軸的基本尺寸大多根據(jù)發(fā)動機的總體布置來考慮。 3.1 曲軸 3.1.1 曲軸簡述 （一）曲軸 曲軸是由曲柄，加上功率輸出端和自由端組成。每個曲柄有曲柄臂、曲柄銷和主軸頸三部分組成。曲軸的功用是把活塞的往復運動通過連桿變成旋轉運動，以輸送柴油機所產生的功率，并驅動柴油機的配氣機構、噴油泵、機油泵、水泵以及其他附件工作。 圖3.1 186F曲軸實物 （二）曲軸的工作條件 曲軸在工作中要承受扭轉力矩的作用。除此之外，施加在連桿軸頸上的徑向力還要使曲軸承受彎曲作用。因此，曲軸是在同時承受扭轉力矩和彎曲力矩的復雜應力情況下工作的。 （三）曲軸的設計要求 曲軸的設計應符合下述要求： （1）具有足夠的疲勞強度，以保證曲軸工作可靠。設計時應盡量減小應力集中，加強薄弱環(huán)節(jié)。 （2）具有足夠的剛度，是曲軸變形不致過大，以免惡化活塞連桿組及軸承的工作條件；同時應避免在工作轉速范圍內出現(xiàn)共振，以防產生過大的扭矩、橫向和軸向震動的附加應力。 （3）軸頸具有良好的耐磨性。應根據(jù)軸頸比壓，選取適當?shù)妮S承材料、軸頸硬度和加工精度，以保證曲軸和軸承有足夠的壽命。 （4）曲柄排列應合理，以保證汽油機工作均勻；曲軸平衡性良好，以減小震動和主軸承最大負荷。 （5）材料選擇適當，以充分發(fā)揮材料強度潛力。 （四）曲軸的結構形式 按結構形式曲軸分為整體曲軸和組合曲軸。 整體曲軸結構簡單、重量輕、工作可靠、使用廣泛，尤其在中高速汽油機上應用更為普遍。 3.1.2 曲軸設計 圖3.1所示為186F柴油機的曲軸實物圖，它是發(fā)動機的主要旋轉部件，一般用鋼鍛制。曲軸所有支撐表面都經(jīng)過仔細的機械加工和精密的研磨。平衡塊用來平衡與曲軸銷相連的連桿重量。因為鑄造或鍛造的連桿，重量不同，所以常常在平衡塊上鉆許多孔，以平衡曲軸和防止振動。 圖3.2 曲軸主視圖 圖3.3 曲軸的左右平衡塊剖視圖 圖3.2、3.3為本文所設計的186F柴油機曲軸的主要視圖（詳見圖紙）。 曲軸端和飛輪的中心孔是圓錐面配合，能很好地傳遞動力。當使用滾柱軸承來支撐曲軸時，要把拋光的高硬度合金鋼軸承 壓進曲軸箱，以減少摩擦并提高其耐磨能力。曲軸箱必須有足夠的剛度和強度，以軸承曲軸旋轉的離心力，同時使所有部件排列合適。有些發(fā)動機的曲軸箱內裝有潤滑油；有些發(fā)動機則使用允許燃油、空氣和潤滑油的混合物進入的閥門裝置。曲軸箱必須設計好以保護內部的零件。密封墊、油封可不讓污物進入和使清潔油不致流出。 （1） 曲柄銷的直徑D2和長度L2 在考慮曲軸頸的粗細時，首先是確定曲柄銷的直徑D2。由《內燃機設計》表5-1可知：單列式發(fā)動機的D2/D（曲柄銷直徑/氣缸直徑）比值在0.55～0.62范圍。即D2=47.3～53.32mm。對于位于曲軸銷上的每對氣缸的最高往復慣性力的合成轉變?yōu)橐粋€旋轉的離心力，同時加上曲柄銷原有的離心力，使總的離心負荷變的非常的大。因此，為減輕離心負荷希望單列式發(fā)動機的D2/D較小。此外，一般曲柄銷在發(fā)動機上并列著兩個連桿，每個連桿都很窄，所以為保證軸頸長度和直徑的比例最佳，D2/D應盡量較小。 綜合上述情況，在本次設計中取曲柄銷直徑D2=50mm。 從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作出發(fā)，應使曲柄銷的長度l2控制在一定范圍內，同時注意曲拐各部分尺寸協(xié)調。由《內燃機設計》表5-1可知。發(fā)動機曲柄銷長度l2按l2/D=0.38～0.48取值，即l2=32.68～41.28mm時，軸承的承載能力最大。若l2過長，則流經(jīng)軸承的機油量就減少，冷卻度差，油溫升高而使油粘度下降，軸承的承載能力反而降低。此外，軸承過長對曲軸變形的順應性差，容易造成棱緣過負荷。軸承負荷越大，油膜厚度就越小，用相對較窄的軸承較好。為了保證曲柄強度，曲柄臂厚度應適當加厚，這也要求減小l2。所以本次設計中取l2=35mm，其寬度與滾針軸承相配合。 連桿軸頸的尺寸可以依據(jù)承壓面的投影面積F2=0.01/D2l2 cm2與活塞投影面積F=πD2/400 cm2之比來校核。此比值據(jù)統(tǒng)計應在0.2～0.5范圍內。而且汽油機偏下限，此發(fā)動機也偏下限。在本次設計中， F2/F==0.3014 （3.1） 所以所設計的連桿軸頸符合要求。 （2）主軸頸的直徑D1 如果從曲軸沿全長度具有等剛度要求出發(fā)，可以認為主軸頸與曲柄銷一樣粗就行了。而從軸承負荷出發(fā)，由于主軸承最大負荷小于連桿軸承，因此主軸頸可以比曲柄銷更細。為了最大限度地加強曲軸的剛度，可適當加粗主軸頸，這是因為加粗主軸頸能增加曲軸軸頸的重疊度，從而提高曲軸剛度，但幾乎不增加曲軸的轉動慣量，故可提高自振頻率，減輕扭振危害。同時，加粗主軸頸可相對縮短其長度，使曲柄加厚以加強整根曲軸的薄弱環(huán)節(jié)。 從曲軸各部分協(xié)調的觀點，建議主軸頸D1的取值范圍為D1=（1.05～1.25）D2=52.50～62.50mm。根據(jù)以上分析，則取D1=60mm。本設計中主軸頸選用滾動軸承，主軸頸長度與軸承寬度相配合，因此參照《機械設計手冊》表3.11-15選取207GB276-64型單列向心球軸承，該軸承的寬度為17mm。 （3）曲軸兩端的結構 曲軸上帶動輔助系統(tǒng)的驅動鏈輪（正時鏈輪）一般裝在曲軸的前端，對多缸發(fā)動機而言往往把傳動齒輪裝在曲軸后端。消除扭轉振動的減振器無疑應裝在曲軸前端，因為這里的振幅最大。驅動齒輪裝在前端采用鍵連接。曲軸后端設有法蘭和加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。且定位銷的布置是不對稱的或只有一個。 （4）曲軸的止推 為了防止曲軸由于受熱膨脹而伸長或受斜齒輪及離合器等的軸向力而產生軸向移動，在曲軸和機體之間設置了一個止推軸承。為了使曲軸相對于機體能自由的沿軸向作熱膨脹，止推軸承只能設置一個，且設在前端，從而可以減小軸向移動對配氣定時和供油定時的影響。 曲軸的軸向和間隙應保持△2=0.05～0.2（mm）。其它各主軸承面間隙應保證曲軸受熱，伸長時能自由延伸。 （5）曲軸的油封裝置 發(fā)動機工作時，為了防止曲軸前端沿著軸向漏油，曲軸應有油封裝置。在高速內燃機上采用的油封結構都是組合式的，常用的有： 1）甩油盤和反油螺紋； 2）甩油盤和（石棉繩）油封； 3）甩油盤和橡膠骨架式油封。 甩油盤是利用離心力將落在他上面的潤滑油甩回曲軸箱。反油螺紋和機體的間隙為0.25～0.30mm。由于潤滑油具有粘度，處于曲軸和機體之間的潤滑油因機體表面的附著作用，使?jié)櫥团c曲軸表面產生速度差，油層被迫像螺母一樣沿軸向移動，由于螺母對潤滑油產生軸向推力，使曲軸箱內外的壓力差進一步減小，故有很高的密封效果，但安裝時必須注意同心度。 （6）平衡重 平衡重是用于平衡曲軸不平衡的離心慣性力和離心慣性力矩。，平衡重的形狀一般多為扇形，使其重心遠離曲軸回轉中心；以較小質量獲得較大旋轉慣性力；平衡重安裝方法是與曲柄臂鍛或鑄成一體；還有的單獨制成零件，用螺栓緊固在曲柄臂上。 設計平衡重時，應盡可能使其重心遠離曲軸旋轉中心，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燃機的尺寸，在滿足平衡的基礎上，還能使曲軸的制造比較方便。 鑄造曲軸的平衡重一般與曲軸鑄成一體，這樣可使加工較簡單，并且工作可靠。平衡重的徑向尺寸和厚度應以不碰活塞裙底和連桿大頭能通過為限度。本設計的平衡重與曲軸鑄成一體。 3.2 曲柄 3.2.1 曲柄簡述 曲柄連桿機構的功能是將活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動，將作用在活塞頂部燃氣作的功傳遞給曲軸，并最終由曲軸轉化為動力后輸出，用于驅動與之相關聯(lián)的整個零部件進行工作。曲柄在曲軸前端帶動附件輪系，包括凸輪軸鏈輪（皮帶輪）、減震皮帶輪、空壓機、動力轉向泵、發(fā)電機等機件，維持著發(fā)動機和整車正常運轉的功能。曲軸的后端與飛輪相連，它們是通過螺栓連接在一起，之后再與離合器（液力變矩器）等相接，最后連接變速箱，最終將發(fā)動機的產生的動力輸送到輪胎上，使車輛能夠正常的行駛。中間部件主要有主軸頸、曲柄臂、曲柄銷組成，一般情況下軸頸上開有潤滑油孔，用于負責整個軸系的潤滑，其中曲軸的中間部分是曲軸的核心部位。對于要求較高的機械零件來說，在其設計校核計算時必須嚴格遵循設計準則，以保證其設計質量。 3.2.2 曲柄設計 現(xiàn)代高速內燃機曲軸的曲柄臂形狀大多數(shù)采用橢圓或圓形，本設計中采用圓形曲柄，這是由于圓形曲柄便于機械加工和拋光，而表面拋光是提高合金鋼曲軸疲勞強度的重要措施之一。 曲柄應選擇適當?shù)暮穸?、寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強度。 曲柄在曲拐平面內的抗彎能力以其矩形斷面的抗彎模數(shù)來衡量： （mm 2） （3.2） 式中 b — 曲柄的寬度（mm）； h — 曲柄的厚度（mm）。 由上式可知，在提高曲拐平面內的抗彎能力上，顯然，增加曲柄臂厚度h要比增加曲柄臂寬度b要好得多。有實驗例子表明，h增加10%，提高20%，而實際抗彎強度可提高40%；b增加10%，抗彎能力也應提高10%，而實際只提高了5%，這是因為曲柄臂越寬，應力分布越不均勻。在本次設計中，b/D的取值范圍為b =（1.05～1.3）D2，取b=111 mm，h=20 mm。其中R=35 重疊度 重疊度Δ大于零。曲柄銷至主軸頸之間的傳力有一部分可以不借助于曲柄作媒介而直接傳遞，因而減輕了曲柄的負擔。 在曲柄臂與軸頸連接處，為了減小應力集中，提高疲勞強度，往往采用圓角過渡。過渡圓角半徑的增大與其表面粗糙度的降低，是增加曲軸疲勞強度的有效措施。通常取圓角半徑r=（0.05～0.08）D2=2.5～4.0mm，取r=3 mm。 3.3 飛輪 3.3.1飛輪的簡述 對于四沖程發(fā)動機來說，每四個活塞行程作功一次，即只有作功行程作功，而排氣、進氣和壓縮三個行程都要消耗功。因此，曲軸對外輸出的轉矩呈周期性變化，曲軸轉速也不穩(wěn)定。為了改善這種狀況，在曲軸后端裝置飛輪。 飛輪是轉動慣量很大的盤形零件，其作用如同一個能量存儲器，在作功行程中發(fā)動機傳輸給曲軸的能量，除對外輸出外，還有一部分能量被飛輪吸收，從而使曲軸的轉速不會升高很多。在排氣、進氣和壓縮三個行程中，飛輪將其儲存的能量放出來補償這三個行程所消耗的功，從而使曲軸的轉速不至降低太甚。 除此之外，飛輪還有下列功用：1飛輪是摩擦式離合器的主動件；在飛輪輪緣上鑲嵌有供起動發(fā)動機用的飛輪齒圈。2在飛輪上還刻有上止點記號，用來校準點火定時或噴油定時以及調整氣門間隙。 飛輪是發(fā)動機上一個關鍵的安全相關零件，如設計不合理則會受到很大的應力，嚴重時，可能瓦解。隨著高速內燃機的發(fā)展，飛輪的旋轉速度不斷提高。眾所周知，一旦發(fā)生飛輪強度、剛度力一而的破壞，就會出現(xiàn)危險。在設計過程中，除了保證飛輪有足夠的轉動慣量外，應使飛輪在滿足設計要求的前提下質量盡可能小，從而減輕發(fā)動機整體重。 3.3.2飛輪的設計 飛輪的主要尺寸見圖，可用下式?jīng)Q定之： （牛頓米2） (3.3) 式中：c——材料的密度（公斤/米3）。 一般飛輪的外徑D4與飛輪的內徑D3根據(jù)結構布置決定，而飛輪的結構必須考慮輸出裝置的需要，所需飛輪矩的大小用改變斷面厚度b來調整。 飛輪的外徑D4是它的最重要的尺寸。在選擇D4時首先應考慮到D4越大，在同樣的慣量下飛輪可以減輕。但是另一方面D4的加大又要受一系列因素的限制。首先是飛輪圓周速度的限制。飛輪旋轉時由于材料本身離心力的作用會產生拉伸應力，對于灰鑄鐵飛輪來說，建議圓周速度不超過35~50米/秒。否則最好用球墨鑄鐵甚至鑄鋼、鍛鋼飛輪，本飛輪用鍛鋼。根據(jù)統(tǒng)計，高速內燃機D4=（3~4）D（D—缸徑）。實際上車用汽油機D4=（300~400）毫米，高速柴油機D4=（400~600）毫米。此飛輪取D4=400 毫米，D3=380毫米。 4 柴油機曲軸的校核計算 4.1 曲軸的校核 由于曲軸工作時承受交變載荷，它的破壞（斷裂）往往都有疲勞產生。因此，對內燃機的曲軸需要進行疲勞驗算。通過對曲軸的疲勞強度的校核計算，以驗證所設計的曲軸是否滿足前述各項設計要求。軸的輕度校核方法可分為四種：1按扭矩估算；2按彎矩估算；3按彎扭合成力矩近視計算；4精確計算（安全系數(shù)校核）。計算曲軸的彎曲應力一般有兩種方法：一種是分段法，每段當作簡支梁進行分析；另一種是連續(xù)梁法，把曲軸作為連續(xù)梁進行分析；本設計主要用曲軸過度圓角處的彎曲、扭轉應力及材料的疲勞強度極限，進行安全系數(shù)的計算。 在國內外同行業(yè)中的研究現(xiàn)狀已經(jīng)進入了自動化，系統(tǒng)化，并揉入優(yōu)化設計思路，利用軟件進行系統(tǒng)的分析，這種設計出來的強度計算的軟件，在計算時只需要輸入設計參數(shù)，即可計算出多種類型的軸的強度。 4.2 曲軸的疲勞強度的計算 (1) 連桿軸頸最大比壓力Kmax的計算 曲柄銷直徑D2=50mm,曲柄銷長l2=35mm,減重孔直徑d2=20mm。 (4.1) 許用值[k]=10~35 N∕mm2 ，在許用范圍內 (2) 曲軸的靜力計算 發(fā)動機在啟動工況下只考慮最大氣壓力Pz，曲軸中心線到飛輪端和齒輪室蓋的滾動軸承中心線的距離分別是L1=61.2mm,L0=53.1mm, 故飛輪端的支座反力N。 (4.2) 連桿軸頸的抗彎截面模量mm3 支座到曲柄中心線的距離b′=28.1mm,這樣軸頸的中間斷面的彎曲應力為： 許用應力[σ]=80~100 N∕mm2，在許用范圍內。 曲柄壁厚h=20mm,寬b=100mm,彎曲應力為： 壓縮應力: 成應力： 許用應力[σa]=90~130 N∕mm2，在許用范圍內 (3) 曲柄的應力校核 1） 在曲拐平面內受到反力Z′的作用而彎曲 (4.3) 2）在垂直平面內受到反力T′的作用而彎曲 (4.4) 3）曲柄受到Z′的壓縮 (4.5) 4） 總應力σ： (4.6) 許用應力[σ]=90~130 N∕mm2，在許用范圍內。 (4) 曲軸疲勞強度校核 根據(jù)曲軸過度圓角處的彎曲、扭轉應力的實測值及材料的疲勞強度極限，可以進行安全系數(shù)的計算。曲軸的安全系數(shù)即曲軸強度的儲備系數(shù)，它表示曲軸本身的疲勞強度與工作應力之比。 1）圓角安全系數(shù)可用下式計算： （4.7） 只考慮彎曲時的安全系數(shù)： （4.8） 只考慮扭轉時的安全系數(shù)： （4.9） 式中 σ-1、τ-1 — 曲軸材料對稱循環(huán)彎曲和扭轉疲勞極限。對于鋼曲軸的預算可采用：σ-1=0.45σb，其中為材料的拉伸強度極限。 由《材料力學》查得σb=598MPa； 則σ-1=269.1MPa，τ-1 =（0.55～0.60）σ-1=148～161.46MPa，取τ-1 =150MPa； 、 — 分別為彎曲和扭轉時圓角處的應力集中系數(shù)； — 強化系數(shù)，由《內燃機設計》表5-4查得=1.3； 、 — 絕對尺寸影響系數(shù)。 由《內燃機設計》表5-5查得=0.91， =0.89； 、 — 材料對應力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)。 其值可通過、來計算，、分別為脈動循環(huán)時材料的彎曲和扭轉疲勞極限，對于鋼曲軸=（1.4～1.6）τ-1 =376.74～430.56MPa， =（1.6～2.0）τ-1 =240～300MPa，取=400MPa，=250MPa； 則=0.35， =0.2； 、 — 圓角彎曲名義應力的應力幅和平均應力； 、 — 名義切應力的應力幅。 要計算彎曲圓角處的應力集中系數(shù)，首先要求得彎曲形狀系數(shù)和彎曲應力集中敏感系數(shù)。而，由《內燃機設計》圖5-16～圖5-24查得=0.01，=0.92，=1.03，=0.985，=1，因而求得=0.04。由《內燃機設計》表5-2查得=0.7。而。 由可求得，由《內燃機設計》表5-2查得=0.12，而可由求得。又由《內燃機設計》查得=1.3，=1.48，=1.32，=1.05，=0.965，=1，則求得=2.573，則=1.19。 圓角彎曲的最大應力，式中為曲柄的名義計算應力，其值采用軸頸名義應力來計算，而MPa，代入上式求得=18.68MPa，而此時相應的形狀系數(shù)MPa，由此求得MPa，進似的取MPa。 圓角表面的最大切應力可由求得，式中為軸頸名義應力。，由此得=45.04，因而計算出 =115.89MPa。進似的取=57.94MPa。 由此得出彎曲時的安全系數(shù)=3.60，=2.08，則=1.80＞1.5。所以所設計的曲軸安全。 總 結 在本次186F曲軸的設計與校核計算中，要求任務內容是：掌握內燃機設計的基本要求，設計曲軸的內容及步驟。掌握曲軸設計的基本要求，繪制曲軸總圖和主要零件圖，編寫設計說明書。本次設計的主要工作是根據(jù)《內燃機設計》進行186F曲軸的設計工作，并且對曲軸強度校核。 本文通過積累資料，對186F內燃機進行概括描述，包括曲軸、曲柄、飛輪的主要功用，工作條件、分類和結構形式。根據(jù)各種不同零件的具體設計要求對各個運動件進行設計，繪制零件圖，并且對其進行強度校核，以確定設計的合理性。 經(jīng)過了四年的大學機械方面知識的學習，自己到底學到了什么，自己能做什么，這問題在自我心中一直難以釋懷。自己一直在害怕著這畢業(yè)設計，不知道自己能否勝任。在起初時，如同我所料，對著設計一片茫然，完全不知道從哪里下手。在后來看了許多參考書之后，才漸漸明白了，自己要做什么，要怎么做，需要哪些資料，在什么地方需要注意等。從186F曲軸的設計與校核計算，再到后來的制圖，自己從中發(fā)現(xiàn)了許許多多的以前未能掌握牢固的知識，以及忽略掉的知識，還有沒有見過的知識。同時也發(fā)現(xiàn)有些學過的知識，相當有用，雖然用到的很少，但的確發(fā)揮了很大的作用。 這次畢業(yè)設計使我們很好地把理論與實踐結合在一起，充分發(fā)揮我們的學習能力，為我們這些即將步入工作崗位的大學生提供了一個良好的學習實踐平臺，這將對我們今后的工作和學習產生巨大的影響。 現(xiàn)在我明白了，畢業(yè)設計也是學習的一環(huán)，是鍛煉自學能力的一次好機會，此次設計中自學能力占有相當重要的地位。在今后的工作中，同樣會遇到許多類似的問題，再也沒有教師指導的情況下，自學能力會發(fā)揮至關重要的作用。從這次設計看來，自己的自學能力還不錯，對今后的工作多了些信心，相信自己一定能勝任。 致 謝 我們的指導老師，***老師，在此首先要對她獻上衷心的感謝。 在設計之初，李老師給我們提供了大量的參考資料，并教導了我們看書時的重點，讓我們一步步地慢慢熟悉這次設計的主旨以及主要內容。在我們迷茫時，老師多次強調了按照步驟來，一步一個腳印，穩(wěn)扎穩(wěn)打，不能著急。在我因為一些問題而停滯不前時，老師叫我不要鉆牛角尖，告訴我在設計中有許多東西沒有絕對的錯，有些數(shù)據(jù)是憑經(jīng)驗和常識來取得，比較隨意，設計也是學習的過程，不用特別在意一些小事，最重要的是方法，要弄懂是如何一步步完成設計的。雖然，或許只是一些小小的點撥，但卻給我掃清了障礙，對完成此次設計有莫大的幫助，在此又一次感謝老師對我的幫助。 同時感謝設計過程中幫助我的老師和同學，我們在一起商討，交換經(jīng)驗、資料，對設計也有很大的幫助。 感謝所有的老師和同學，謹以這份設計作為我對你們的獻禮！ 參考文獻 [1]楊連生.內燃機設計[M].吉林：中國農業(yè)機械出版社，1980 [2]王建，劉勝吉.小型通用汽油機排放的研究[J] .農業(yè)工程學報，第25卷， 第6期，2009 [3]高宗英，內燃機學[M]，機械工業(yè)出版社，1999 [4]劉佩茹. 數(shù)控機床加工大型曲軸方案[J]. 現(xiàn)代零部件,2014,01:51-53 [5]史建祥. 柴油機曲軸疲勞壽命預測方法研究[D].中北大學,2013. 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