发动机曲轴结构设计

2.1曲轴的结构曲轴的作用是将活塞的往复运动通过连杆转变为旋转运动，传递到底盘的传动机构。 同时驱动配气机构和其他辅助装置，如风扇、水泵、发电机等【18】。曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲轴、砝码、前端和后端等构成，如图1.1所示。 主轴轴颈、连杆轴颈、曲柄构成曲柄，串联式发动机曲柄轴的曲柄数等于气缸数，v型发动机曲柄轴的曲柄数等于气缸数的一半。图1.1主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承壳体上。 主轴承的数量不仅取决于发动机气缸的数量，还取决于曲轴的支撑方式。曲柄是主轴颈部和连杆颈部的连接部分，截面为椭圆形，为了使惯性力平衡，曲柄始终设置有平衡配重。 平衡配重使发动机不平衡的离心力矩与部分往复惯性力平衡，保证曲轴旋转的稳定性。曲轴的连杆轴颈是曲轴和连杆的连接部分，曲轴和主轴颈的连接部分以圆弧移动，减少应力集中。 串联发动机的连杆轴颈数等于气缸数，v型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。在曲轴的前端安装正时齿轮，驱动风扇和泵的皮带轮和起动爪等。 为了防止油沿曲轴轴颈泄漏，在曲轴的前端安装了油盘，在齿轮室安装了油封。 在曲轴的后端安装飞轮，在后轴颈和飞轮的法兰之间制作机油法兰和回油螺钉，防止机油向后泄漏。曲轴的形状和曲轴的相对位置取决于汽缸数、汽缸排列、发动机的起火顺序。 多汽缸发动机的起火顺序，通过尽可能保持连续工作的2汽缸的远离距离，可以减轻主轴承的负荷，同时避免可能发生的进气重复现象。 另外，工作间隔要均匀。 也就是说，发动机在完成一个循环的曲柄角内，各汽缸为了使发动机的运转稳定，必须起火工作。曲轴的作用：与连杆合作，将作用在活塞上的气体压力变为旋转动力，传递给底盘的传动机构。 同时，驱动配气机构和其他辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。 工作中，曲轴受到气体压力、惯性力和惯性力矩的作用，力大，力复杂，受到交变载荷的冲击作用。 同时，由于曲轴是高速旋转部件，因此曲轴要求足够的刚性和强度，承受冲击载荷的能力良好，耐磨性和润滑性良好【20】。2.2曲轴的疲劳破坏形式曲轴的工作情况非常复杂，由于周期性变化的气力、往复运动和旋转运动的惯性力及其它力矩作用，受到扭曲和弯曲的复杂应力。 曲轴箱主轴承的不同心度影响曲轴受力情况，其次除曲轴弯曲和扭转振动产生的附加应力外，曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生了严重的应力集中。 最后，曲轴的主轴颈和曲轴销在比压下高速旋转，产生强磨损。 因此，柴油发动机在运转中发生曲轴的龟裂和破坏事故并不少见，特别是发电柴油发动机的曲轴的疲劳破坏较多。 根据曲轴上产生裂纹的交变应力性质，主要有以下3种疲劳裂纹：弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲扭转疲劳裂纹【21】。图2.1-弯曲疲劳裂纹2-扭转疲劳裂纹2.2.1弯曲疲劳裂纹曲轴的弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴的颈部或曲轴销的颈部与曲轴臂之间的过渡角，横切曲轴臂而扩展至裂纹，或形成垂直轴线的裂纹。 弯曲疲劳试验表明，过渡圆角处的最大应力出现在曲柄臂中心对称线以下。 沿曲轴长度方向的应力分布在中央和端部的曲轴上有较大的弯曲应力峰值。 因此，曲轴的弯曲疲劳裂纹经常发生在曲轴的中间或两端的曲轴上。曲轴的弯曲疲劳破坏通常发生在柴油机长时间运转后。 长时间运行后，柴油机各道主轴承磨损不均匀，使曲轴轴线弯曲变形，曲轴旋转时产生过大的交变弯曲应力。 另外，曲轴的曲轴臂、曲轴箱和轴承支架等刚性不足，柴油机短时间运转时，曲轴会发生弯曲疲劳破坏。2.2.2扭转疲劳裂纹曲轴因扭矩而产生交变扭转应力，有扭转振动时也产生交变扭转应力，严重时会引起曲轴的扭转疲劳破坏。扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中较大的油孔和过渡焊脚中，在轴颈上与轴线成45度角的两个方向上扩展。 这是因为轴颈的扭转截面系数比曲柄臂小，扭转疲劳裂纹多从过渡圆角扩展到轴颈，很少扩展到曲柄臂。 但是，同时存在强弯曲应力时，裂纹也会从圆角扩展到曲柄臂，引起曲柄臂的弯曲断裂。通常，扭转疲劳裂纹发生在弯曲车辆的扭转振动节点附近的曲柄上。 扭转砖产生疲劳裂纹的时间一般为柴油机的运转初期和曲轴的临界转速在工作转速范围内时。 扭转疲劳断裂的断面与轴线交叉45度，断面上的裂纹线接近螺旋【22】【23】。2.2.3弯曲-扭转疲劳裂纹曲轴的疲劳破坏可能是弯曲和扭转的共同作用造成的。 由于主轴承的不均匀磨损，在曲轴上产生弯曲疲劳裂纹，再通过弯曲和扭转的共同作用使裂纹扩展、断裂，最后断裂面和轴线成45度。 截面上距疲劳源约2/3的面积为贝纹区，呈暗褐色的剩馀l/3的面积为最后的断裂区，截面无凹凸，晶粒明亮。 圆形波状纹理是由弯曲疲劳引起的，放射状纹理是由扭转疲劳引起的，两种纹理缠绕成蜘蛛网状。 弯曲一扭疲劳裂纹有时以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主的破坏形式。 因此，具体情况下，必须从断面上的纹理、龟裂的方向和最后的断裂区域进行分析，判断为【24】。生产中，曲轴的弯曲疲劳破坏远多于旋钮旋转疲劳破坏。 其主要原因是曲轴弯曲应力集中系数大于扭转应力集中系数，难以准确计算和控制曲轴弯曲应力。 柴油机运行过程中，曲轴各道主轴承的磨损难以掌握和计算，由此引起的曲轴变形和附加弯曲应力也难以计算和控制。 相反，曲轴的扭转应力可通过计算正确掌握，通过有效的减振措施取得平衡，只要柴油机在临界转速下运转，扭转应力不超负荷，就能够抑制曲轴的扭转疲劳破坏。2.3曲轴的设计要求为了避免由于上述曲轴的破损形式及其原因而引起的这些破损，曲轴在设计过程中应尽量满足以下要求1 .有足够的疲劳强度以确保曲轴的工作。 尽量减小应力集中，加强脆弱部分2 .具有充分的弯曲刚性和扭转刚性，确保曲轴的变形不会变大，不会使活塞杆组和轴承的动作条件恶化3 .轴颈具有良好的耐磨性，保证曲轴和轴承的充分寿命4 .曲柄排列合理，应保证柴油机工作均匀，曲轴平衡良好，减少振动和主轴承的最大负荷5、材料选择适当，制造方便【26】。2.4曲轴的结构形式曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，其曲轴的主轴颈数比气缸的数量多一个，即在各连杆颈的两侧有主轴颈。 这种支撑，曲轴的强度和刚性比较好，减轻了主轴承的负荷，减少了磨损。 柴油机和大多数汽油机多采用这种形式。 另一个是未完全支撑曲轴。 其曲轴的主轴轴颈数小于气缸数或等于气缸数。 该支承方式称为非全支承曲轴，该支承的主轴承载荷大，但缩短了曲轴的全长，缩短了发动机的全长。 有些汽油发动机负荷小，就能采用这种曲柄式的【27】。考虑到本课题设计的1015柴油机为4缸，因此动机全长较小。 由于常用于重载车，曲轴强度和刚性要求较高，因此采用了全支承曲轴的设计。曲轴在结构上可分为整体式和组合式。 整体曲轴毛胚采用钢材整体锻造或铸造方法铸造，具有结构简单、加工容易、重量轻、工作可靠、刚性和强度高等优点。 组装式曲轴分阶段制造，铸造时易于保证质量，降低不良率【28】； 锻造时无需大锻压设备，制造方便，热处理和机械加工方便，缩短生产周期。 在生产后使用中的曲柄发现缺陷的情况下，可以不废弃曲柄轴整体地进行部分更换。一般来说，在选择曲轴结构的情况下，只要生产设备允许，就应该采用一体型曲轴。 大型柴油机由于曲轴的尺寸和重量大，整体制造极为困难，多采用组合式曲轴。 针对本课题设计的是曲轴的尺寸小、重量轻，因此选择一体型的产品。2.5曲轴材料曲轴常用材料根据其毛坯的制造方法，分为锻造曲轴材料和铸造曲轴材料两种。 锻造游客分为自由锻炼、模锻、镦锻。 自由锻炼适合小设备生产大型曲轴，但效率低，加工馀量大。 模锻需要昂贵的模锻设备和大锻压设备，生产效率高。 镦锻可节省大量金属材料和机械加工工时，加工的曲轴可充分发挥材料的强度。锻造曲轴的常用材料是普通碳钢和合金钢。 铸造曲轴的常用材料有球墨铸造QT60-2、断续铸铁KTZ70-2、合金铸铁和铸钢ZG35等。 在强化度不高的内燃机中，一般采用碳钢，碳钢比合金钢韧性高，可以降低扭转振动振幅。 合金钢多用于加强要求高的柴油机曲轴，疲劳强度高但对应力集中敏感性大，因此对机械加工的要求也高。 球墨铸铁价格便宜，制造方便，对应力集中不敏感，合理造型可降低应力集中，采用合金元素添加、热处理、表面强化等方法提高性能。 因此，【29】适用于要求高强度、塑性、韧性、耐磨损性、严重的热和机械冲击、高温或低温、耐腐蚀及尺寸稳定性的曲轴。 但球墨铸铁的伸长率、冲击韧性、弹性模量、疲劳强度低，作为曲轴的材料使用时，必须确保轴颈和曲轴臂的厚度较粗。曲轴的材料必须具有高疲劳强度、必要的硬度和良好的淬火性。 选材不仅要考虑机械性能，还要考虑工艺性、资源性、经济性。 选择材料时，需要根据内燃机的种类、用途以及生产条件决定曲轴坯料的制造方法。 参考类似机型使用的材料，根据曲轴的力的状况和使用习惯，经验地进行选择。根据上述各种毛坯的生产方法和材料特点，结合1015柴油机的结构、实际受力情况和用途，本设计的曲轴毛坯采用铸造方法，曲轴材料选用球墨铸铁QT60-2。2.6曲轴的主要部件设计2.6.1主轴颈和曲柄销主轴颈和曲轴销是曲轴最重要的两组摩擦副，它们的设计直接影响着内燃机工作的可靠性、外形尺寸和维护。 轴颈的尺寸和结构与曲轴的强度、刚性和润滑条件有密切的关系。 曲轴的直径越大曲轴的刚性也越大，但轴颈直径过大表面圆周速度就越大，摩擦损失和机油温度就越高。 曲柄销直径的增大会引起旋转离心力和转动惯量的急剧增加，使连杆头部的尺寸增大，连杆不利于通过气缸取出，因此在保持轴承比压恒定的情况下，采用较大的轴颈直径，减小主轴颈的长度是内燃机的长度加大曲柄臂的厚度采用较短的粗主轴颈，有利于提高曲轴扭转振动的自振频率，减小工作转速范围内发生共振的可能性。 一般情况下，曲柄销的直径小于主轴颈的直径【30】。2.6.2曲柄摇臂曲柄臂在曲柄平面内的弯曲刚度和强度较低，常因交变弯曲应力而断裂。 因此，曲柄臂是曲轴整体最弱的部分，要注意适当的宽度和厚度，选择合理的形状，改善应力的分布情况。 增大曲柄臂的厚度和宽度可以增大曲柄臂的强度，但是增大曲柄臂的弯曲强度比增大宽度更有效【31】。2.6.3曲柄角圆连接曲轴的主轴颈和曲轴臂的圆角称为主轴颈圆角，连接曲轴销和曲轴臂的圆角称为曲轴销圆角。 这些过渡圆角可以减小应力集中，提高疲劳强度，增大其半径及提高其表面清洁度，是提高曲轴疲劳强度的有效措施【32】。曲轴的焊脚半径必须足够大，但焊脚半径过小时应力集中，焊脚半径变大时轴颈受压的有效长度变小，因此轴承受压面积也变小。 为了增大曲轴的圆角半径，不缩短轴颈的有效动作长度，必须将曲轴臂设计为足够厚。 曲柄角也可以由半径不同的二圆弧和三圆弧构成，适当选择各段的圆弧半径可以提高曲柄疲劳强度。沉积圆角和双圆弧和三圆弧的设计技术非常复杂，设计要求高，在我们现阶段不能得到正确的结果，因此本设计采用等圆弧圆角。 从柴油机设计手册（上）可以看出：/0.045，即5.94mm毫米。 曲轴圆角半径=6.00mm。2.6.4润滑油路轴承的工作能力很大程度上取决于摩擦表面的高润滑质量。 因此，为了确保轴承的可靠性，主轴颈和曲柄销通常采用压力润滑。曲轴油道和油孔的设计，对曲轴轴承的润滑和曲轴强度有重要影响，因此必须慎重选择油道方案，确定油孔的位置。在将润滑油输送到曲轴油路的供油方式中，使曲轴内部为中空的连续孔，作为内燃机的主油路，从曲轴的一端向曲轴供给油，使油经由曲轴内孔串联地流入各轴承采用集中供油时，油从一端进入曲轴后，必须克服大的离心力和流动阻力，供给另一端的轴承，因此压力损失大。 最后润滑的轴承还有一定的液压，进入轴承的液压必须很高，曲轴室的密封结构复杂。 因此，许多内燃机采用分支供油，本设计也采用分支供油。油道的配置主要取决于润滑加油充分和对曲轴疲劳强度的影响，主轴颈的油孔入口应保证曲轴销加油充分，曲轴销的油孔出口应设置在低负荷区域，提高轴衬的加油能力，油孔的位置应参考轴承负荷图和轴心轨迹图确定油道定向对扭转疲劳强度的影响显着。图2.2曲轴中油道的布置有很多方式，其中斜线油道在结构上最简单，如图2.2所示。 但其缺点是曲轴臂和轴颈的过渡部弱化，曲轴强度降低，油道和轴颈的表面交线呈椭圆形，斜角越大，椭圆度越大，油孔边缘部的应力集中越严重，斜线油孔加工技术变得复杂。 为了避免这个缺点，从曲柄臂肩部开出斜孔，穿过曲柄销和轴颈，在这两个轴颈开出直油孔，最后可以堵塞曲柄臂肩部的孔。油道也可以如图2.3那样配置，油孔从曲柄臂进入主轴颈，从曲柄臂和主轴颈表面垂直贯通，这样的油道配置过程复杂，但能够有效地提高曲轴的疲劳强度。图2.3由于本设计的曲轴轴颈和曲柄臂的直径大、重叠度大，考虑到油道加工的技术性，本设计的油道配置方式选择了斜线油道加工的技术性。2.6.5平衡