曲轴强度计算

1、JX4D30曲 轴 强 度 计 算发动机开发部汪恩波曲轴的强度直接影响发动机寿命，因此曲轴强度计算是发动机设计的重要环节。最近几年来，随着计算机及其软件技术的发展，出现了许多先进的曲轴强度计算方法，但在设计的初始阶段，目前普遍采用上午还是曲轴强度估算法。RICARDO 计算方法该计算方法有两点假定：（一） 曲轴的每一个曲拐是相互独立的，不受其轴其他部分受力的影响，并以简支梁的形式支撑在主轴承上。（二） 曲轴所受力是以点负荷的形式作用在曲轴上。已知条件连杆轴颈 d=53 宽l=33主轴颈 D=70 宽l=31曲臂厚 h=19.5 宽B=110重叠度 A=9.05连杆长L=158mm曲柄半径52.

2、45mm活塞行程 S=104.9mm圆角半径 R=3.5mm缸径d=95.4mm发动机转速额定转速 n=3600,r/min;发动机最高转速 n=4200r/min最高燃烧压力=160bar;最大平均有效压力=12.222bar;活塞连杆组往复质量m1=1.3195,kg;活塞连杆组旋转质量m2=0.8925kg.曲轴材料 S53C 屈服强度 s=588 Mpa 抗拉强度 b=660 Mpa重叠度的定义：重叠度的定义（为连杆轴颈直径，为主轴径直径，S为活塞行程）弯曲应力计算1 曲轴受力计算压缩上止点时的曲轴作用力式中，为活塞连杆组往复惯性力；为燃气作用力（N）;、为左右两侧主轴承支撑力的最大值

3、（N）排气上止点时的曲轴作用力2、单个曲拐三个危险截面（A-A、B-B、C-C）上的弯矩经过计算a=19.25mm b=32.5mm c=40.5mm l=58mm曲柄臂中央处（A-A）=67022x19.25=1290173.5Nmm=9867.5x19.25=189939.75Nmm连杆轴颈圆角处（B-B）=67022x32.5=2178215Nmm=9867.5x32.5=314827.5Nmm连杆轴颈中央处（C-C）=67022x32.5=67022x40.5=2714391 Nmm=9867.5x40.5=399633.75Nmm式中，、分别为曲拐三个危险截面上的最大和最小弯矩（N.

4、m）a b c 为曲轴有关尺寸，如图所示。名义弯曲应力：A- A处名义弯曲应力B- B处名义弯曲应力C-C 处名义弯曲应力式中、为三个截面的最大、最小名义弯曲应力（Mpa）; 、分别为三个危险截面的最大最小弯矩（Nmm）;Wb为三个危险截面的抗弯截面系数（）。名义弯曲平均应力及名义弯曲应力幅分别为A- A处名义弯曲应力幅B- B处名义弯曲应力幅=85.5 MpaC- C处名义弯曲应力幅=106.5 Mpa4弯曲应力 式中，、为弯曲平均应力幅（Mpa）; 为弯曲应力集中系数A- A处弯曲应力200MPa29 MPaB- B处215MPa8 MPaC-C处200MPa29 MPa切应力计算1. 扭

5、矩计算NmNm式中，为发动机平均扭矩（N.m）; 为最大平均有效压力（kPa）;系数K为K=8(4缸机)2 名义切应力式中，、为名义最大、最小切应力（Mpa）;Wt为连杆轴颈的抗扭截面系数（）,.名义平均切应力及名义切应力幅分别为2. 切应力式中，、为平均应力幅（Mpa）; 为切应力集中系数。A-A 处 及C-C处B-B处等效应力弯曲应力及切应力的等效应力由下列计算主应力等效应力式中，为等效应力（Mpa）; 、为主应力（Mpa）。1. 名义主应力及名义等效应力为A-A和C-C截面对于B-B截面2. 实际主应力及实际等效主应力为A- A和C-C点对于B-B截面曲轴为钢时的平均应力及应力幅曲轴为钢

6、时，应力集中系数只影响应力幅的值，而对平均应力无影响。因此，在计算平均等效应力时，应以名义主应力来计算等效平均应力，而用实际主应力来计算等效应力幅，式中，、为等效平均应力及等效应力幅（Mpa），即对于A-A和C-C截面：对于B-B截面通过歌德曼图判断此曲轴的强度满足要求。6.5.1.5 曲轴强度分析曲轴的强度是在歌德曼图上判断的，如图6-8所示，纵坐标为最大、最小应力，横坐标为等效平均应力。如果曲轴的等效应力值在疲劳强度图内，则曲轴的设计是安全的。图6-8中，为材料的抗拉强度（MPa）当曲轴材料为钢时，为材料对称循环下的疲劳强度（Mpa）; 为考虑安全系数后的设计极限，。其中安全系数n的取值范

7、围为：n=1.752,仅考虑弯曲应力时，n=1.51.75 同时考虑弯曲及扭转应力时。6.5.1.6 抗弯截面系数Wb及连杆轴颈处的2.曲柄臂中央由于曲柄背中央处的截面形状复杂，所以此处的抗弯截面系数以简化截面作为计算依据。简化截面如图6-7所示，各尺寸为：=51.9-15.1=36.8=448926.5.1.7理论应力集中系数及实际应力集中系数1.理论应力集中系数的计算（1）曲柄臂重叠处及连杆轴颈圆角处的理论弯曲应力集中系数及理论切应力集中系数非圆角滚压曲轴1） 弯曲应力集中系数圆角滚压曲轴 0.77x0.898x3.192.2其中 式中，为圆角滚压深度（mm）；u为重叠度；R为圆角半径（mm）；为连杆轴径直径（mm）.2)切应力集中系数（2）连杆轴颈中央的弯曲应力集中系数及切应力集中系数连杆轴径中央的弯曲应力集中系数是由于曲轴上的油孔引起的，此处的应力集中系数可以由图6-9查得。由于JX4D30的曲轴是实心曲轴，因此而，查图得, 3. 对于A-A和C-C应力集中系数是根据理论应力集中系数由下式计算而得其中，对钢曲轴对于切应力