曲轴设计

第五章 曲轴飞轮组 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在设计曲铀时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果。 第一节 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择 一、曲轴的工作条件和设计要求 曲赖是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩(扭矩和弯矩)共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。实践局理论 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，对于各种曲轴，弯曲载荷具有决定性意义，而扭转载荷仅占次要地位(不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏， 由于目前多缸发动机曲轴普遍采用减振措施，这种情形很少发生)。曲轴破坏的统计分析表明， 80％左右是由弯曲疲劳产生的。因此， 曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。 曲轴形状复杂、应力集中现象相当严重，特别在曲柄至轴颈的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象尤为突出。图5—1为曲轴应力集中示意图，疲劳裂纹的发源地几乎全部产生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处。图5—2表明曲轴弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏的情况。弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45。折断曲柄；扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45。剪断曲柯悄c所以在设计曲轴时要使它具有足够的疲劳强度，特别要注意强化应力集中部位，设法缓和应力集中现象，也就是采用局部强化的方法来解决曲轴强度不足的矛盾。’ 曲轴各轴颈在很高的比压下， 以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。这些轴承杯实际变工况运转条件下并不总能保证液体恩德，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面道到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以，·设计曲铀时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件c1 曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不足， 就会大大恶化活塞、连秤、轴承等重要零件的工作条件，影响它们的工作可靠性和耐磨性， 甚至使曲轴箱局部损坏。曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动：轻则引起噪音，加速曲轴上齿轮等传动件的磨损；重则使曲轴断裂。所以，了没计曲轴时。应保证它有尽可能高的弯曲刚度和钮转刚度。／ 所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都应该在轻的结构重量下实现。同时．随着内燃机的不断发展，各项指标的强化， 曲轴的结构也应留有发展的余地。 不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。例如，为了提高曲轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作而言，可以降低轴承比压，但高转速下轴承圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增加，轴承温度升高，降低了轴承工作的可靠性。此外， 曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷加大。这时，可能引起来用斜切口连杆的必要，·而这种连杆刚性较差，而且制造成本较高。曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量的加大，可能使刚度对扭振带来的好处得而复失。正是这些内在的矛盾推动着曲轴设计的发展，而在曲轴强度矛盾的总体中，应力集中处的最大应力与该力作用点的材料抗力的矛盾是它的主要矛盾。影响这个主要矛盾的主要因素有： 曲轴的结构、材料和加工工艺等三方面，这三种因素各自有独立的作用，相互又有影响，必须辩证地进行分析，在设计曲轴时，不应只注重结构尺寸的设计一个方面。 由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映客现实际的理论公式可供通用。因此， 目前曲轴的设计主要是依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料，借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计、强度复核、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。 二、曲轴的结构型式 曲轴的结构与其制造方法有直接关系，体式和组合式两大类： (一)整体式曲轴在进行曲轴结构设计时必须同时考虑。曲软分整 整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根饲料锻造或用铸造方法浇铸出来。为4105高速柴油机整体铸造曲轴，图5—35为CA—72型V—8发动机整体锻造曲轴。 整体式曲轴具有工作可靠、重量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少，是中小型发动机曲轴广为应用的结构型式。只要工厂有条件制造。设计上总是尽量采用整体结构。但是，当曲轴尺寸较大， 曲拐数较多时，这种曲轴的加工比较困难，需要用大的专用设备，而且某一部分因加工不合格或使用中损坏时，整根曲轴便要报废。 整体式曲轴一般与滑动轴承相配合。但是，单缸发动机的整体式曲轴却往往与滚动轴承配合，借以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。 (二)组合式曲轴 ， 组合式曲轴是把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。单元体的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴，见图5—4a、b、c。按划分 大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用这种组合式结构的曲轴。因为大功率柴油机的曲轴粗而长，采用整体式结构则加工困难，有的甚至不可能。例如，6ESDz75／60柴油机曲勒重达800牛顿，长达12．5米，这么大的曲轴，由于受到设备的限制不能制成整体式，只得采用组合式结构。小型单缸二冲程发动机围结构与润滑系统的简化，连杆轴承一般采用滚针(柱)轴承，这时把连杆大头做成整体式，其曲拐必须采用可分开的组合结构才能进行装配。在中型高速内燃机上，这种组合式曲轴用的不多。 此外，还有一种盘形组合曲轴，12V135型高速柴油机的曲轴就属于这种类型(图1—21)。它的结构特点是采用球墨铸铁作曲轴材料，把圆盘形曲柄兼作主轴颈，采用滚动轴承作为主轴承。把单位曲拐制成后用螺栓紧固联成一根曲轴。扭矩的传递主要依靠结合面之间的摩擦力。 这种曲铀的主要优点是： 曲柄兼作主轴颈，可使缸心距缩短，柴油机的总长度减小；可适当增加曲柄销宽度，改善连杆大头轴承的工作条件，利于发展v型并列连杆系列产品：因主轴颈很大，使轴颈重叠度增加很多，因而曲轴刚度大， 自振频率高，扭振应力小； 由于各缸单位曲拐结构相同，用几个相同的曲拐就可以装配成不同缸数的曲轴，这就简化了曲轴的生产，有利于产品系列化；而且，在使用中任何一个曲拐有缺陷或损坏时，可以单独更换，不必将整根曲轴报废；采用滚动轴承摩擦损失小，机械效率高，寿命较长，在非增压柴油机上它的寿命可达15000小时。 圆盘形组合曲轴的缺点是：滚动轴承的采用要消耗大量合金钢材，成本约贵九倍。而且滚动轴承比滑动轴承要重得多，噪音大，拆装也不方便；这种曲轴要求隧道式机体，虽然机体的刚性较好，但比一般机体要重；结构复杂，有很多结合面，只有在高的制造精度的前提下，才能保证装配后曲轴的积累误差仍在正常规定范围内。 最后必须指出： 由于主轴承采用滚动轴承，使润滑油引入比较困难，它不能直接从主轴承引入，要采用特殊的结构。在12V135型柴油机上采用假轴承结构：在曲轴端部专设一段供油轴颈(图1—21曲轴前端带T型槽的那段轴颈)，上面套有假轴承(因为它不起支承作用，只把润滑油引入轴颈内腔)。假轴承固定在机体上不随曲拐转动，为了避免可能发生的磨损，假轴承的内壁也有轴承合金，它与曲轴的配合间隙较小，以减少泄漏。润滑油进入假轴承后，通过T型泊道进入轴颈内腔，再流向其它各轴颈油道。 三、曲轴的材料 在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。因此，必须根据内燃机的用途及强化程度，正确地选用曲轴材料。在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。以铸代银，以铁代钢。作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求有高度的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。 钢制曲轴除极少数应用铸钢以外，绝大多数采用锻造。锻造曲铀的材料有碳素钢和合金钢。 碳素钢的弹性模数与合金钢相近，在刚度方面两种材料的曲轴并无多大差别。合全钢的强度虽比碳素钢高，但对缺口的敏感性很强，因而对机械加工要求严格。无论在材料价格还是生产费用上碳素钢都要便宜得多／所以在汽车拖拉机发动机和农用内燃机这一类强化程度不太高的中高速内燃机上，广泛采用中碳钢45(精选含碳量为0．42一o．47％)模锻曲轴。例如，CA—72型发动机的曲铀和CA—10B型发动机的曲轴均属于这类曲轴。模锻曲轴的自由表面(如曲柄表面)——般不进行机械加工，这使加工工艺简化。但曲铀于锻造后应进行第——次热处理(退火或正火)，其目的是消除金属中的内应力和降低硬度以便于杉I‘械加工。庄精磨前应进行第二次热处理(调质)以改善钢的机械性能并提高轴颈表面硬度。对轴颈表面、回角和油孔边缘均应抛光， 以提高曲轴的疲劳强度。先进的连续纤维挤压锻造曲轴的出；现，使强度较自由锻提高20％。 强化程度高的中、高速机车柴油机和航空发动机，对尺寸、重量及安全运转方面都有严格要求c为得到足够的疲劳强度以确保工作可靠，一般多采用具有优异综合机械性能的含cr，Ni，邓：1、V，W等合金元素的优质合金钢作为曲轴材料。合金钢不但对缺口‘的敏感性很强，对热处理要求也相当严格，因为其优良的性能只有在恰当的热处理及良好的加工条件下才能发挥出来。这时，整个曲轴表面包括非配合表面也应抛光到很高的光洁度，以免应力集中。在结构形状设计中也应特别注意避免和减轻应力集中的可能性。近年来，我国自行发展的含Si，Mn，B，Mo，W，V等元素的无镍铬合金钢，已成功地用来制造高指标柴油机曲粕。 由于曲轴模锻设备十分庞大，一直想用铸造曲轴代替锻造曲轴。提。而自由锻又大大汉费材料和加工工时，所以长期以来人们高强度球墨铸铁的出现为铸造曲轴的广泛采用提供了前提 球墨铸铁就其机械性能和使用性能而言(除减振性外)，比其它多种铸铁都要好。通过加入合金元素、热处理及表面强化等措施，球铁性能的提高也比其它铸铁曲铀要大的多。结合我国有丰富的稀土金属资源的特点，铸造曲铀普遍采用稀土镁合金球墨铸铁。例如，大量生产的25Y—6100Q型车用汽油机和SH—130型轻型载重车和高速490Q型汽油机都采用球铁整体曲轴。90、95、105等系列多用途高通用型农用柴油机也均采用稀土镁球铁曲轴。工作过程强化的6120Q、6150、12V150等车用柴油机也成功地采用了球铁整体曲轴。 球墨铸铁材料经正火处理后的机械性能已接近或超过一般中碳钢(见表5—7)。但延伸率、冲击韧性、弹性模数以及材料本身的疲劳强度较低，综合机械性能仍低于中碳钢。因此，在结构上球铁曲轴有较粗的轴颈和较厚的曲柄，并采用全支承曲轴(支承数比曲拐数多1)，以补偿抗弯刚度之不足。就光滑试样而言，45钢的疲劳强度要比球铁高得多，QT60—2的弯曲疲劳强度o—l为220牛顿／毫米’而正火中碳钢6—l可达300牛顿／毫米’。但实际曲轴上总是有油孔、困角和材质上的缺陷，这些地方易形成应力集中，降低了曲轴的疲劳强度。而球铁曲轴可以铸成复杂的合理的结构形状，使其应力分布均匀，金属材料更有效地利用，加上球铁材料对断面缺口的敏感性小，使得球铁曲轴的实际弯曲疲劳强度与正火中碳铜相近。而且球铁曲轴承受20—30％超负荷的能力要比钢好，因45钢轴颈是经过高频淬火的，表面上分布有大小不等的裂纹， 由于超过疲劳极限应力的超负荷多次循环造成裂纹的迅速发展以致曲轴断裂。而应力在疲劳极限以下很少产生断裂。因此，超负荷特性的好坏对曲轴的实际承载能力具有很大的意义。 球铁具有相当高的扭转疲劳强度，QT60—2的扭转疲劳强度?—I约为180—190牛顿／毫米’，而正火45铜?—1只有160牛顿／毫米’左右，这点对用它来制做轴类零件很是可贵。 球铁对扭转振动的阻尼虽不及灰铸铁，但远胜于钢。在同样的干扰力矩下产生的扭振振幅，灰铸铁比钢小2—3倍，球铁比钢小1．8—2倍。 球铁曲轴耐磨性比锻钢好，因为球状石墨本身就是很好的润滑剂，而且它能吸附润滑油，当它从金属基体上剥落下来后留下的空穴还可以存油。因此，球铁有良好的耐磨性。试验表明，球铁曲轴轴颈的平均磨损量要比45铝(轴颈高频淬火强化)轴颈低50一100％。如果配合软质轴瓦，’则轴颈不必淬硬。但现在多趋向于采用铝基轴承，所以球铁曲轴轴颈一般也进行表面淬火。由于曲轴轴颈和轴承不均匀磨损将引起曲轴应力和应力幅的增加，使安全系数降低，可见曲轴耐磨性的重要性并不亚于提高其疲劳强度。 最后，还要对球铁材料的韧性和塑性作一些具体分析。目前，一般都以冲击值ok和延伸率5来衡量材料的韧性，即材料抵抗冲击载荷的能力。因而球铁的ok和6值大大低于钢，加上影响球铁质量的因素较多且难于控制，这就成为设计和使用部门选用球铁作为曲轴材料的主要顾虑。球铁曲轴究竟需要多大的ok和6值， 目前尚无明确结论。根据球铁性能及目前铸造、热处理工艺情况，一般将ok值定在10一20牛顿。米／厘米’，8值定在1．5—3％范围内。试验证明当重复冲击应力＜380牛顿／厘米。时，选用球铁比45钢合适。 关于0值：球墨铸铁固金属基体组织内有石墨的缘故，使它的塑性指标很低(45钢6约40％)。但对于曲轴材料，过高的6值实际意义不大。因为曲轴是在工作应力低于屈服极限的情况下工作，很难想象，一根已有初始塑性变形的曲轴还能正常工作。可见材料的屈服极限是一个很重要的指标，而球铁的8虽低，但屈服极限却高于瓶这是球铁在一定条件下能代替钢的重要原因。 球铁曲轴目前的主要问题有：1)要求应用优质含硫量低的生铁，不然就会降低球化质量；2)铸造工艺要求严格，否则铸件质量不稳定； 3)曲轴校直比较困难，压力过大容易断裂，压力过小又校不过来； 4)如果用砂型铸造，则毛坯表面较粗糙，加工余量大，增加机械加工负担。最好应用先进铸造技术，以提高经济性。例如， 目前有的厂正在试验金背完型铸造曲轴，使加工余量少，不用热处理，废品率下降到1％，抗拉强度提高20％。 球铁曲轴铸造后，一般都要进行热处理。目前广泛应用高温完全奥氏体化正火和退火，部分奥氏体化正火以及等温淬火热处理等方法，以提高球扶的塑性和韧性。 最后应指出：球铁的疲劳极限与抗拉强度不成正比，不必要求曲轴球铁的抗拉强度6n超过750牛顿／毫米’，因为继续提高。n不会使曲轴疲劳强度进一步提高，原因在于随着材料静强度的提高，应力集中现象加剧了。第二节 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计 在选定曲轴材料、毛坯制造及其基本结构型式后，便从单位曲拐(包括主轴颈、曲柄销和曲柄等主要部分)着手确定主要尺寸和结构细节。其主要尺寸见图5—5，各种曲轮的结构参数见表5。1。 在设计汽车拖拉机这一类高速内燃机的曲轴时，它的基本R寸大多根据结构布置上的考虑确定，再由强度校核修正。因为曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴的设计不能孤立地进行。各部尺寸多以气缸直径的相对值表示。而气缸直径又是限制曲柄销直径的重要因素。曲铀长度方向的尺寸基本上决定于气缸中心距I。，如果这一尺寸已定的话，那在曲轴设计时就只是在曲轴各组成部分之间合理分配长度而已。当然，如果总体设计给出的气缸中心距太小，不能满足曲轴的设计要求时，则应要求总体考虑调整。’但对于双列式发动机，曲轴设计也可能对发动机纵向尺寸生产很大影响。因为在中小型高速内燃机领域，除了最小型的摩托车发动机一类外，绝大多数均用整体式曲轴，所以下面主要讨论这种曲轴。 一、曲柄销的宜径D2和长度Js 在考虑曲轴轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径D2。在现代发动机设计中， 一舷趋向于采用较大的D 2值， 以降低曲柄销比压，提高连杆轴承工作曲可靠性，提高曲轴的刚度。但是，曲柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，对曲轴及轴承的工作带来不利。因为随曲柄销直径增大带来的轴系自振频率增加，会被旋转质量增加引起的自振频率下降所抵消，可能增加扭转振动的危害。随着曲柄销直径增大也会增加轴承摩擦功率损失，导致轴承温度升高，增加润滑泊的热负荷。这种情况对于高速车用汽油机尤其不利，所以汽油机的比值D 2／D比柴油机小。当然，这与汽油机的爆发压力较低也有关系。 V型发动机的02／D较小， 因位于同一曲柄销上的每一对气缸的一级往复惯性力的合成变为一个旋转的离心力(详见平衡一章)，再加上原有的离心力，使总的离心负荷显得特别大。因此，为减轻离心负荷希望曲柄销相对较纫。此外，V型发动机一船在曲柄销上并列两个连杆，每个连扦很窄，为保证最佳的轴颈长度和直径的比例，D 2／D也必须较小。这时因连杆大头轴承承压面积很小。必须用高强度的轴承才能保证其工作可靠。 曲柄销的长度J z是在选定o z的基础上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发，应使22控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调。 在薄油膜的条件下，轴承的长径比2z／D z＝oo 4左右有最大的泵载能力。如果2z过长，则流过轴承的机油流量减少，冷却差，轴承温度升高，使润滑油粘度下降，轴承的承裁能力反而降低。同时，轴承过长对曲轴变形的进应能力差，容易产生棱缘负荷。总之，轴承负荷越大，油膜厚度就越小，就越希望采用相对较窄的轴承。为提高曲轴的刚皮，22／D z也行下降的趋势。尤其是球铁曲轴，为了尽可能加强曲柄，22／D z应取得较小。 轴颈的尺寸，最后可以依据承压面的投影面积F2＝0。0l D 222(厘米’)与活塞投影面积 霓万＝万万o“(厘米’)之比来校核。此比值据统计在o．2—0．5范围内。而且汽油机偏下限，柴油机偏上限，V型发动机偏下限，单列式发动机偏上限。 面积比歹z／F与轮承的最大比压毛直接联系。初步估算轴承的最大条件比压时，去惯性力的影响，而用如下的简单公式计算条件比压： 夕z＝平 (巴)可以略式中 夕2——作用在活塞顶上的最大气压力(巴)。 根据夕z值可结合赖瓦材料的许用比压值，初步选用相应的轴瓦材料(表7—3)。因为一般曲柄销的比压较重轴颈的比压大，所以估算只要刽—Xf曲柄销进行就行了。 二、主轴颈的直径Dl和长度Jl 如果从曲轴沿全长度具有等刚度要求出发，可以认为主轴颈与曲柄销一样粗就行。从轴承负荷出发，则主轴颈可以比曲柄销更细些， 因为主轴承最大负荷小于连杆轴承。但是为了最大限度地加强曲轴的刚度，加粗主轴颈还是很有好处的。因为第一，·加粗主轴颈不象加粗曲柄销那样有很多副作用，加粗主轴颈能增加曲轴轴颈的重叠度，从而提高曲轴刚度，但几乎不增大曲轴的转动惯量，故可提高自振频率，减轻扭振危害；第二，加粗主轴颈后可以相对缩短其长度，从而给加厚曲柄、提高其强度提供可能，这一点之所以可贵，是因为大多数曲轴中曲柄断面(图5—5)B都是整个曲轴的薄弱环节。由于加厚曲柄而提高整根曲轴的刚度和强度，这是十分可贵的。当然，主轴颈ol过粗，也会因轴承圆周速度过大，使摩擦损失增加，轴承工作温度升高。因此?从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取Dl＝(1．05一1．25)D z。曲轴越长，从避免扭娠损坏的角度，主轴颈应越粗。V型发动机一般比单列式发动机短，所以其DI值相对较小。 主轴颈的长度21一般比曲柄销的长度短。因为主轴承的负荷比连杆轴承轻，取短的主轴颈可满足增强刚性及保证良好润滑的要求，同时由于轴承宽度小，对曲轴变形适应能力强，以致可以采用对梭缘负荷敏感的铜铝轴瓦。但主轴颈过短，会使轴承负荷能力变坏。滑动轴承最小宽度不能小于0．3倍轴颈，否则由于油压下降，将损坏油膜承载能力。 多缸发动机各曲柄销的长度是相等的，但各主轴颈的长度则不一定相同，对曲轴中负荷较大的主轴颈需要予以加长， 以改善轴承工作。例如，四冲程四、六缸直列式发动机，由于中间轴承左右面曲拐离心力方向相同，如不能用平衡块把它们平衡。中央主轴承就要承受很大的离心负荷。因此， 中央主轴颈一般饺长。止推轴承， 由于安装止推轴瓦铀颈也需加长。曲轴前后端的主轴颈长度除考虑到轴承的负荷能力外，还取决于发动机前后端的结构布置，有时做得比较长。 三、曲柄