曲轴学生介绍PPT课件

1、曲轴简介轴系：曲轴、皮带轮、飞轮、扭振减振器曲拐：主轴颈+曲柄臂+曲柄销（连杆轴 颈）前端：皮带轮、发电机、水泵、齿轮系（燃油泵、机油泵、凸轮轴）转向助力、空调、风扇、空气压缩机后端：飞轮、or齿轮系、离合器第1页/共35页内燃机零部件工作条件1、受力：强度（应力）、刚度（变形） 交变的连杆力-曲柄切向力+曲柄径向力-疲劳破坏2、受热：最高温度、热应力 no3、磨损：表面硬度高 主轴颈和曲柄销销轴颈，（润滑组织）第2页/共35页曲轴的受力连杆力-曲柄切向力+曲柄径向力曲轴应力集中严重 径向力弯曲载荷曲柄销圆角、主轴颈圆角 切向力-扭转载荷-油孔圆角 扭振附加应力：角位移0.25度 中速机：0.

2、45度 轴向力：外部设备-5000005000010000015000020000025000014793139185231277323369415461507553599645691切向力第3页/共35页曲轴的破坏形式曲轴常见破坏形式：疲劳破坏弯曲载荷为主，扭转载荷次之（缸数影响，车用、船用） 曲柄销内圆角：弯曲疲劳（必须校核） 油孔边缘圆角：扭矩（最后一个曲拐、船机校核）第4页/共35页曲轴的设计要求1、受力： 足够的疲劳强度：曲柄销内圆角和油孔边缘圆角 足够的刚度：变形会恶化连杆、活塞的工作 提高扭振固有频率：刚度增加减少扭振附加应力2、磨损： 轴颈表面硬度高、承压面积够、最小油膜厚度等

3、AVL D=100-150,高速柴油机，主轴承：1.2- 1.4um,连杆轴承：0.8-1 um3、材料与工艺 球铁800（YC6108）、45 钢（CY6102）、合金钢（ 42CrMo CY4D43T ）各材料对加工缺陷敏感度不同，要求粗糙度不同第5页/共35页曲轴设计计算1、静强度计算、疲劳强度计算 、轴心轨迹计算、船机的扭振分析计算等2、曲轴受力分析：分段法（保守）、连续梁法、有限元法第6页/共35页分段法受力分析径向力、切向力、离心力、支反力(力矩）、前后段扭矩两个方向的合力为0，合力矩为0-支反力（力矩）曲轴的各截面的弯矩、扭矩（轴颈、圆角、油孔处）参见P124公式第7页/共35页

4、静强度计算用于计算低速内燃机曲轴 计算工况： Z最大值时 T为最大值时（各拐不同，最后一拐最大） Z、T合力最大时 与许用应力比较危险截面 曲柄销轴颈圆角截面 主轴颈圆角截面 曲柄销轴颈截面 油孔截面 22TZR第8页/共35页 疲劳强度计算弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度 综合疲劳强度影响疲劳强度因素： 应力幅和平均应力（名义应力） 有效应力集中系数：查表 材料疲劳极限 尺寸影响系数 强化系数 材料对应力循环不对称敏感系数扭振附加应力的影响maKn1maKn122nnnn+n1.070.07-3dmnnd（）第9页/共35页 有效应力集中系数的获得材料的应力集中敏感性系数形状系数的定义：结构形状对

5、应力集中的影响（实测、FEA）) 1(1) 1(1KqKKqKBK义法向应力曲柄臂上相应点处的名圆角处的实际法向应力第10页/共35页形状系数的确定)()()()()()(10ebKK第11页/共35页疲劳强度安全的评价 对钢制曲轴取n1.5， 汽车发动机曲轴的安全系数可取得略低。n1.3； 球铁曲轴，疲劳强度的分散度较大，取n1.8。 疲劳强度安全系数允许值必须和计算方法对应 可以证明：前述疲劳强度计算公式和Goodman-Smith方法是完全一致的。参加汽车发动机设计清华大学 陆际清编第12页/共35页曲轴的受力分析曲轴的有限元模型曲轴的边界条件第13页/共35页QT800 QT800 某

6、点L L的应力, ,通过OLOL作直线得到点F F，则可得安全系数 aFn/第14页/共35页疲劳强度试验方法 Rig testing：曲柄销圆角应力 钢轴：107 球铁：5x106 几个小时完成疲劳试验第15页/共35页曲轴的结构设计 曲轴的总体形式：组合式曲轴和整体曲轴 曲拐的尺寸 提高曲拐疲劳强度的结构措施 曲轴油道的安排 曲轴平衡重的设计 曲轴的前端和后端 曲轴的止推第16页/共35页曲轴的总体形式 整体式曲轴 全支撑式： 非全支撑式：（过去强化程度低发动机， NA汽油机升功率40-50 kW,T：60kW，Ecoboost92 kW）组合式曲轴 隧道式机体 大内燃机机曲轴 小通用机曲

7、轴第17页/共35页曲拐的结构尺寸 径向尺寸：主轴颈半径、曲柄销半径、曲柄半径轴向尺寸：主轴颈长度、曲柄销长度、曲柄臂厚度、缸心距 第18页/共35页曲拐的结构尺寸（1） 主轴颈半径为什么小于曲柄销半径？ 连杆大头尺寸要通过缸孔 减少转动惯量-提高扭振固有频率 粗的曲柄销、薄的曲柄臂导致应力集中曲轴轴向尺寸对缸心距的影响 缸心距=主轴承长度+曲柄销长度+2X曲柄臂厚度轴承承压面积、轴承长度与宽度（机油压力与冷却流量）曲柄臂的厚度和宽度（曲柄臂外上部切去） 第19页/共35页 提高曲拐疲劳强度结构措施 疲劳强度公式、曲轴形状系数公式： 1、提高曲轴的重叠度（短行程） 2、减少应力集中 3、表面粗

8、糙度、表面处理强化)()()()()()(10ebKKmaKn1第20页/共35页 中空轴颈对曲轴应力的影响 主轴颈中空（减小曲柄销应力） 曲柄销中空（减少惯量）第21页/共35页 轴颈圆角对曲轴应力的影响 做功冲程开始、进气冲程开始时刻的径向力（从弯矩解释拉压应力） 拉应力和压应力（圆角滚压、喷丸）-5000005000010000015000020000025000014793139185231277323369415461507553599645691切向力第22页/共35页 轴颈圆角对曲轴应力的影响（1） 轴颈圆角与应力集中 轴颈圆角与轴承长度、下凹圆角（结构紧凑性） 变半径圆角第23

9、页/共35页 提高轴颈耐磨性的措施 1、轴颈表面淬火（耐磨 3-7mm) 2、氮化 钢：提高 60-80% 合金钢：20-30% 球铁：50-70% 附加好处：残余压应力 第24页/共35页 曲轴轴承的润滑 机油泵-主油道-主轴承-油槽（长度和油孔数）-曲轴油道-连杆大头轴承（进油口位置） 直油道 or 斜油道？ 中空轴颈的曲轴油道 连杆轴承油孔开口：轴承载荷最小小部位，出油顺畅、对油膜影响小第25页/共35页 曲轴的平衡重 平衡重的作用 1、平衡离心力矩（3缸机） 2、减小曲轴内力矩，减小主轴承偏磨 平衡重的不利影响 增加惯量-固有频率-扭振 第26页/共35页 曲轴的固定-主轴承盖 主轴承

10、盖：瓦盖 整体式瓦盖、 框架式机体 主轴承螺栓、平衡重螺栓 第27页/共35页 曲轴的前端 前端附件：皮带轮、发电机、水泵、空压机、转向助力、风扇、齿轮 扭振减振器 前端：键连接 前端密封：甩油盘+油封 曲轴前轴段疲劳 第28页/共35页 曲轴的前端 第29页/共35页 曲轴的后端 1 后端：飞轮、齿轮系 曲轴法兰 飞轮螺栓 飞轮定位销：曲轴和飞轮一起动平衡 曲轴甩油盘+ +油封 飞轮惯量：怠速转速稳定 过大、过小缺陷第30页/共35页 曲轴的止推（轴向定位） 轴向力：离合器、变速箱 翻边轴瓦、止推片第31页/共35页 曲轴的止推位置 多在后端倒数第二个主轴承 刚硬曲轴可在中间轴承 前端：链传动防止偏磨第32页/共35页 曲轴的材料与制造 球铁、45钢、合金钢（朝柴） 材料强度：疲劳极限表 材料刚度：弹性摩擦 铸造：球铁 锻造:钢、合金钢 轴颈表面硬化处理： 高频淬火 氮化处理：提高硬度；残余压应力第33页/共35页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所