《柴油机曲轴设计》PPT课件.ppt

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1、曲轴设计曲轴设计一.曲轴设计概论二.曲轴结构设计三.曲轴疲劳强度校核四.提高曲轴疲劳强度的措施一.曲轴设计概论曲轴设计概论曲轴的成本大约占整机成本的十分之一，为内燃机中最贵的零件。曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳，所以保证曲轴有足够的弯曲疲劳强度是曲轴设计的首要问题。曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑条件的要求。中小功率高速内燃机几乎都用整体曲轴、全支承、带有平衡块（无论整体是否平衡）。1.曲轴工作条件1、受周期变化力和力矩作用，重点是弯曲交变载荷（80是弯曲疲劳破坏）；2、曲轴形状复杂，应力集中严重；3、曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重；2.设计要求1、有足够的疲劳强度；2、有足够的承压面

2、积，轴颈表面要耐磨；3、尽量减少应力集中；4、刚度好，变形小。3.常用材料1、中碳钢：如45，绝大多数采用模段制造；锻造后进行正火或调质处理，然后在各轴颈表面实施感应加热表面淬火。钢曲轴也可以进行渗氮处理，以提高疲劳强度。2、合金钢：在强化程度较高的发动机中采用；3、球墨铸铁：在强度和刚度要求一定是，使用球墨铸铁材料能减少制造成本，且其阻尼特性能减小扭转振动的幅值。在曲轴设计中，曲轴的结构、材料、工艺三因素各自有独立规律，且相互影响。二.曲轴结构设计一、曲轴结构形式1、整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、刚度、强度较高、加工表面较少的特点，中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动轴承（有的单缸机采用

3、滚动轴承）。2、组合式曲轴：当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，采用整体式结构将导致加工非常困难，可采用组合式结构。小型单缸发动机也有采用。整体式曲轴和组合式曲轴曲轴支承(a)全支承曲轴全支承曲轴:优点是优点是曲轴刚性好曲轴刚性好，不易弯曲不易弯曲，缺点是缺点是缸心缸心距加大距加大，机体加长机体加长，制造成本增加制造成本增加。柴油。柴油机多用机多用全支承曲轴。全支承曲轴。.(b)非全支承曲轴非全支承曲轴:多用于中小功率的汽油机多用于中小功率的汽油机曲轴全支承与非全支承优点优点缺点缺点应用应用全支承曲轴全支承曲轴提高曲轴的刚度和提高曲轴的刚度和弯曲强度，减轻主弯曲强度，减轻主轴承的载荷轴承的载荷曲轴的

4、加工表曲轴的加工表面增多，主轴面增多，主轴承数增多，使承数增多，使机体加长机体加长柴油机一般多柴油机一般多采用此种支撑采用此种支撑方式方式非全支承曲轴非全支承曲轴缩短了曲轴的长度，缩短了曲轴的长度，使发动机总体长度使发动机总体长度有所减小有所减小主轴承载荷较主轴承载荷较大大承受载荷较小承受载荷较小的汽油机可以的汽油机可以采用此种方式采用此种方式曲轴主要尺寸参数dcp：曲柄销直径；lcp：曲柄销长度；hcw：曲柄臂厚度；bcw：曲柄臂宽度dcj：主轴颈直径；lcj：主轴颈长度；气缸中心距L=lcp+lcj+2hcw它们存在一个合理分配的问题。过渡圆角半径R对应力集中影响巨大。各尺寸参数的统计值见

5、下表：油道设计及油孔位置油道设计及油孔位置曲轴前端与后端（1）作用：曲轴前端用来安装正时齿轮、皮带轮、扭振减振器及起动爪等；后端有飞轮结合盘(凸缘盘)，用来安装飞轮。（2）前后端的密封：曲轴前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑油沿轴颈流出，在曲轴前后端都设有防漏装置。常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。油封、回油螺纹等。曲轴的轴向定位（1）结构：止推片：在某一道主轴承的两侧装止推片。止推片由低碳钢背和减磨层组成。翻边轴瓦：（2）安装注意：止推片有减磨层的一面朝向转动件(有油槽一面)。当曲轴向前窜动时，后止推片承受轴向推力；向后窜动时，前止推

6、片承受轴向推力曲拐的布置（1）一般规律）一般规律1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。转平稳。2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。动机的前半部和后半部交替进行。3)避免进气重叠避免进气重叠4）V型发动机左右气缸尽量交替作功。型发动机左右气缸尽量交替作功。5）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。平衡性好。三.曲轴疲劳强度校核曲轴破坏主要是弯曲疲劳破坏现在曲轴强度计算绝大部分采用有限元计算方法，且有很多现成的工程分析软件

7、，如ansys，pro/e，UG等。有限元计算精度关键取决于如何处理曲轴的位移约束条件、加载方式、网格划分等，这需要详细了解曲轴的工作情况和受力状况。安全系数（钢）或（球墨铸铁）四.提高曲轴疲劳强度的措施在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度就应设法降低应力集中；适当减小单拐中间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀。结构措施1、加大曲轴轴颈的重叠度重叠度A=(dcp+dcj)/2-r重叠度系数=(dcp+dcj)/S2、加大轴颈附近的过渡圆角过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质量等对曲轴应力的影响十分明显。3、采用空心曲轴4、采用沉割圆角和开卸载槽工艺措施1、圆角滚压强化：表面产生剩余压应力，抵消部分工作拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度。2、圆角淬火强化：用热处理方法使金属发生组织相变，体积膨胀而产生残余压应力，从而提高曲轴疲劳强度。3、喷丸强化处理：与滚压强化的道理一样，属于冷作硬化变形。4、氮化处理：使氮气渗入零件表面，金属体积增大而产生挤压应力。