第四 曲轴设计

1、第四章 曲轴设计41 曲轴工作条件与设计要求 一、单位曲柄上的作用力1、保证具有足够的弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度；2、保证曲轴具有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度；3、轴承具有足够大的承压面积，轴颈耐磨；4、尽量采用普通材料；工艺性好，质量小。三、材料与结构型式1、材料：中小功率内燃机用球墨铸铁、可锻铸铁、锻钢（45号钢，40Cr），大型柴油机用合金钢、铸钢、球墨铸铁（强载度不高的中高速柴油机）。二、曲轴设计要求2、结构型式： 整体式、套合式、 焊接式、圆盘式整体锻造曲轴套合式曲轴：用于大型低速机，可以消除大件锻造的困难焊接式曲轴：用于超长行程十字头式柴油机，可以消除大件锻造困难，而且可以降低曲轴

2、质量，使连杆长度得以缩短芬兰Wartsila公司大型舰船柴油机曲轴圆盘式曲轴：用于某些要求结构紧凑的高速柴油机（6135Q，12V135Q）。轴向尺寸紧凑的同时，曲柄销长度可以设计的较长；扭转刚度和弯曲刚度较大，疲劳强度提高，但质量大，制造成本较高 全支承、非全支承 平衡重连接方式：铸造曲轴平衡重一般与曲柄臂铸成一个整体，有利于提高工作可靠性。锻造曲轴由于结构、锻压设备的限制，都作成分开式，平衡重的联结方式有：42 曲轴结构设计一、曲柄销1、D2：S/D上升，为保证曲轴刚性，要求D2增大，但D2增大，连杆大头增大，摩檫损失大，惯性力大，不利于轴承的可靠工作。通常 ，V型机D2较小。2、L2：轴

3、承比压 ，通常3、圆角：二、主轴颈1、D1：从轴承载荷方面考虑，D1可以比D2小，但考虑到： D1大可增加重叠度，可提高曲轴的抗弯强度； D1大可使主轴承承压面积大，从而可以减小轴向尺寸，为增加曲臂厚度h留余地； D1大对曲轴的转动惯量影响不大，不会降低曲轴的自振频率，相反会使曲轴刚性增大，自振频率上升。故D1一般取得比D2大：D1=0.650.75D。D1过大会增大线速度，使摩檫损失上升，轴承温度升高；而且L1/D1过小对主轴承工作不利。 2、L1要与D1联系确定，一般比L2小，但L1/D10.365. 055. 02DD222LDFpPhz40. 035. 022DL08. 005. 0/

4、2Dr三、曲柄臂从强度的观点看，整体式曲轴的最薄弱环节即为曲臂，曲轴上应力集中最严重处就在曲柄臂与曲柄销、主轴颈相邻的过渡圆角处；从圆角处开始而横断的曲臂弯曲疲劳断裂破坏也最为常见。在曲柄平面内，曲柄的抗弯断面模数W=bh2/6，有关试验表明：h10%，W应20%,实际W40%；b10%，W应10%,实际W5%；故为提高曲柄的抗弯断面模数W，增加h比增加宽度b有效。L0的确定： 曲柄臂形状：现代高速内燃机大多采用椭圆形。试验表明，椭圆形曲柄具有最好的弯曲和扭转刚度；因去掉了受力小或不受力部分，质量小，应力分布均匀。四、曲轴轻量化1、曲柄销作成空心结构优点：可减小离心惯性力，做成鼓状效果更好，可

5、以提高扭转疲劳强度，减小曲轴转动惯量，还可减轻主轴颈过渡圆角处应力集中。如将0.5d圆柱孔改成中部0.7d的鼓形孔时，扭转疲劳强度与弯曲疲劳强度都提高30%。2、主轴颈做成空心机构优点：可显著缓解曲柄销过渡圆角处的应力集中现象。如设置卸载穴，则效果更好3、曲柄臂斜削：在采用中空曲柄销时注意不要形成应力集中 五、油道布置要求：有利于润滑油流动、对曲轴强度影响小两种方案：单线斜油道和多线直角油道1、单线斜油道：斜油孔简单，多用于实心曲轴；用于空心轴颈曲轴时，为避免漏油要采取密封措施2、多线直角油道多线直油道对曲轴圆角部位的强度影响较小，但加工复杂，需用堵头。43 曲轴疲劳强度计算曲轴的破坏大多为疲

6、劳破坏，而且最小的安全系数都出现在曲柄销的过度圆角处。为此要求出：amam。一、弯曲应力（am）计算有两种计算方法：简支梁法（分段法）、连续梁法。这里介绍简支梁法（该法是连续梁法的基础）考虑切断下来的一个曲柄，对于对称曲拐，按曲拐尺寸及作用力求出曲柄平面内的支反力：式中：PBW 平衡重离心惯性力据此作弯矩图，得到作用于曲柄中央截面处的弯矩：BWrNNjNjPPPNN21)(211aNjblNM式中：la 曲拐支承点至曲臂中心距离弯曲名义应力根据动力计算的结果，将法向力最大值、最小值分别代入，即可求出最大弯曲名义应力和最小名义应力：6/2bhMWMbbn2maxmax6bhMbn2minmin6bhMbn由此得到曲柄圆角处的应力幅和平均应力：)(21minmaxnna)(21minmaxnnm二、扭转应力（am）计算根据动力计算，可确定一个工作循环中的扭矩Mk的最大值（Mk）max和最小值(Mk)min，从而可求得曲柄销圆角处的名义应力的最大值nmax和最小值nmin，从而可得平均扭转应力和扭转应力幅：最后可根据amam，并考虑曲