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1、2006-3-27,内燃机设计第三章,第六章 曲轴组设计,第一节 曲轴设计概论第二节 曲轴结构设计第三节 曲轴疲劳强度校核第四节 提高曲轴疲劳强度的措施,2006-3-27,内燃机设计第三章,第一节 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）。曲轴实物图,2006-3-27,内燃机设计第三章,一、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
2、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；,2006-3-27,内燃机设计第三章,连杆轴颈严重烧损,2006-3-27,内燃机设计第三章,连杆轴颈划伤,2006-3-27,内燃机设计第三章,曲柄臂弯曲疲劳断裂,2006-3-27,内燃机设计第三章,连杆轴颈扭转疲劳断裂,2006-3-27,内燃机设计第三章,二、设计要求,1、有足够的疲劳强度；2、有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨；3、尽量减少应力集中；4、刚度好，变形小。,2006-3-27,内燃机设计第三章,三、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
3、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。,2006-3-27,内燃机设计第三章,第二节 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
4、合式结构。小型单缸发动机也有采用。,2006-3-27,内燃机设计第三章,整体式曲轴和组合式曲轴,2006-3-27,内燃机设计第三章,曲轴支承,(a)全支承曲轴:优点是曲轴刚性好，不易弯曲，缺点是缸心距加大，机体加长，制造成本增加。柴油机多用全支承曲轴。.(b)非全支承曲轴:多用于中小功率的汽油机。.,2006-3-27,内燃机设计第三章,曲轴全支承与非全支承,2006-3-27,内燃机设计第三章,二、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；,2006-3-27,内燃机设计第三章,气缸中心距,L=
5、lcp+lcj+2 hcw 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下表：,2006-3-27,内燃机设计第三章,三、油道设计及油孔位置,油孔的布置应该由曲轴强度、轴承负荷分布和加工工艺综合确定：1、设在低负荷区，保证润滑油出口阻力小，供油充分。2、从强度考虑，布置在弯曲中性面上，使得加工方便，曲轴切应力最小。,2006-3-27,内燃机设计第三章,四、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
6、前后端都设有防漏装置。,2006-3-27,内燃机设计第三章,常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。,2006-3-27,内燃机设计第三章,五、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，前止推片承受轴向推力。,2006-3-27,内燃机设计第三章,六、曲拐的布置,（1）一般规律1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。2）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。3
7、)避免进气重叠4）V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平衡性好。,2006-3-27,内燃机设计第三章,（2）常见曲轴曲拐的布置,1）四冲程四缸发动机曲拐布置,2006-3-27,内燃机设计第三章,2）四冲程四缸发动机点火顺序,2006-3-27,内燃机设计第三章,3）直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置,2006-3-27,内燃机设计第三章,四冲程六缸发动机点火顺序,2006-3-27,内燃机设计第三章,第三节 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，如ansys，pro/e，UG等
8、。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n1.5（钢）或1.8（球墨铸铁）,2006-3-27,内燃机设计第三章,1缸燃气爆发时的应力分布图,图6 1缸燃气爆发时的应力分布图,2006-3-27,内燃机设计第三章,子结构的等效应力分布图,图7 子结构的等效应力分布图,2006-3-27,内燃机设计第三章,第四节 提高曲轴疲劳强度的措施,一、结构措施曲轴各部位受力情况是不同的，以曲柄臂受力情况最严重。从曲轴损坏的统计来看，主轴颈损坏占10曲柄销损坏占34曲柄臂损坏占56在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度就应设
9、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。,2006-3-27,内燃机设计第三章,一、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,2006-3-27,内燃机设计第三章,二、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。,2006-3-27,内燃机设计第三章,曲轴实物图,
