汽油機曲軸飛輪組的設計【含CAD圖紙說明書開題報告】,含CAD圖紙說明書開題報告,汽油機,曲軸,飛輪,設計,cad,圖紙,說明書,仿單,開題,報告,講演,呈文 摘 要 曲軸是汽油機最主要的部件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上決定并影響著汽油機的整體尺寸和重量，汽油機的可靠性和壽命也在很大程度上取決于曲軸的強度。因此，設計新型汽油機或老產(chǎn)品進行改造時必須對曲軸強度進行嚴格的安全校核。 本文主要介紹了汽油機的總體設計思想的確定以及曲軸飛輪組零件的設計過程。內(nèi)容包括汽油機總體設計方案的選擇，動力性指標的確定，曲軸飛輪零件圖的繪制時的參數(shù)選擇，包括曲軸及飛輪結構的設計，制造時所需注意的加工過程以及檢驗產(chǎn)品時強度校核等內(nèi)容。 本文還運用到了Pro/E三維軟件制圖對曲軸飛輪組所有零件進行三維建模：包括整體式曲軸（全支承），曲軸前端的正時齒輪、皮帶輪、甩油盤等，扭轉(zhuǎn)減振器，飛輪及其齒圈等。對各組件進行虛擬電子裝配。 關鍵詞：汽油機，曲軸，飛輪，Pro/E ABSTRACT Gasoline engine crankshaft is one of the main components. Its dimensions and influence largely determines the overall size and gasoline weight, reliability and life of gasoline also largely depends on the strength of the crankshaft. Thus, the strength of the crankshaft must be strict security check designing new or old gasoline engine when the product transformation. This paper describes the design process to determine and set of parts crankshaft flywheel gasoline overall design ideas. Including overall design choice gasoline, determining dynamic indicators parameter selection draw when the crankshaft flywheel parts diagram, including the crankshaft and flywheel design of the structure, the required attention to the manufacturing process and the time to test the product strength check content. The article also apply to the Pro / E three-dimensional mapping software on the crankshaft flywheel group all parts for three-dimensional modeling: including the overall crankshaft (full support), the front end of the crankshaft timing gears, pulleys, dumped oil pan, etc., torsional damper, flywheel and the ring gear and the like. Each virtual electronic components for assembly. Keywords: Gasoline engine, Crankshaft, Flywheel, Pro/ E 目錄 摘 要 1 ABSTRACT 1 第一章 緒論 4 1.1 選題背景及意義 4 1.2 國內(nèi)外研究概況 4 1.3 曲軸飛輪組概述 5 1.3.1曲軸 6 1.3.2曲軸扭轉(zhuǎn)減振器 6 1.3.3飛輪 6 第二章 總體設計方案 8 2.1汽油機設計要求 8 2.2汽油機的主要參數(shù) 8 2.2.1 參數(shù)要求 8 2.3.2 參數(shù)選定 9 第三章 曲軸設計 10 3.1 曲軸設計要求 10 3.2 曲軸結構設計 10 3.2.1支承方式的選擇 10 3.2.2 結構型式的選擇 10 3.2.3 曲軸的軸向定位 11 3.2.4曲軸端部結構設計 11 3.2.5 潤滑油道布置 12 3.3 曲軸主要尺寸的確定 13 3.3.1 曲柄銷的直徑和長度 13 3.3.2 主軸頸的直徑和長度 14 3.3.3 曲柄臂 14 3.3.4 曲軸圓角 15 3.4 曲軸材料選擇及毛坯制造 15 3.5 曲軸的平衡 15 3.5.1曲軸的平衡性分析 15 3.5.1 曲軸平衡塊的布置方式 17 3.6 曲軸疲勞強度校核 18 3.6.1 疲勞強度計算 18 3.6.2 提高曲軸疲勞強度的結構措施 23 3.6.3提高曲軸疲勞強度的工藝措施 24 第四章 飛輪設計與計算 26 4.1飛輪的作用 26 4.2飛輪的設計與計算 26 第五章 其他附件的設計 29 5.1 主軸承的設計 29 5.1.1主軸承的工作條件 29 5.1.2 軸承材料選定 30 5.1.3 軸瓦結構設計與主要尺寸的確定 30 5.2 曲軸扭轉(zhuǎn)減振器 31 參考文獻 33 結 論 34 致 謝 35 第一章 緒論 1.1 選題背景及意義 近年來隨著社會的發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟體制和規(guī)模發(fā)生了很大改變，交通運輸以及城鄉(xiāng)物流業(yè)的迅速發(fā)展，使中小功率汽油機銷量持續(xù)上升。由于不受爆燃的限制以及汽油自燃的需要，汽油機壓縮比很高。熱效率和經(jīng)濟性都要好于汽油機，同時在相同功率的情況下，汽油機的扭矩大，最大功率時的轉(zhuǎn)速低，因此，汽油機在配套使用中將更進一步顯示出其優(yōu)越性。到目前為止，汽油機也已成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動力。在歐洲，汽油車銷量已占汽車總銷量的40%多，美國市場的汽油車銷量也在逐漸增加。目前我國農(nóng)用車行業(yè)內(nèi)外環(huán)境，包括社會認識、市場供求關系、產(chǎn)品和制造技術，都發(fā)生了許多新的變化。農(nóng)用車是我國一個特色的運輸車品種，其投資少、運輸能力強、產(chǎn)出大，正好滿足建設節(jié)約型社會、提高資源使用效率的需求，從整個國家來講，具有長遠的戰(zhàn)略意義。目前我國中東部地區(qū)對農(nóng)用車仍然大量需要，并且西部經(jīng)濟有待進一步發(fā)展的地區(qū)隨著發(fā)展農(nóng)民收入的增加，潛在的市場非常大，農(nóng)村運輸工具的不足帶動了輕型和低速載貨汽車的發(fā)展，而汽油機車的經(jīng)濟性拉動了輕型汽油汽車的迅速發(fā)展，以及在農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和國家政策的調(diào)整潮流下，國內(nèi)小型農(nóng)用工程機械市場前景非常好，產(chǎn)銷量迅趨火爆，發(fā)展前景廣闊。 1.2 國內(nèi)外研究概況 曲軸是在不斷變化的氣體壓力、往復和旋轉(zhuǎn)慣性力以及它們的力矩（轉(zhuǎn)矩和彎矩）共同作用下工作的，使曲軸既受扭轉(zhuǎn)又受彎曲，產(chǎn)生疲勞應力狀態(tài)。設計曲軸時，應保證它有盡可能高的彎曲和扭轉(zhuǎn)強度。曲軸各軸頸在很高的比壓下以很大的相對速度在軸承中相對滑動，由于曲軸運轉(zhuǎn)工況變化劇烈，有時不能保證液體潤滑，使曲軸壽命大大降低。所以設計曲軸時要使其摩擦表面耐磨。目前，美國、德國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家都正致力于開發(fā)綠色環(huán)保高性能發(fā)動機，傳統(tǒng)的曲軸材料和制造工藝已無法滿足其功能要求。這些汽車工業(yè)發(fā)達國家對曲軸加工十分重視，并不斷改進曲軸加工工藝。而國內(nèi)目前在曲軸材料、加工技術等方面十分落后，但隨著中國加入WTO國內(nèi)一些曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識到形勢的緊迫性，為了提高產(chǎn)品競爭力，引進了許多先進的設備和技術，使國內(nèi)的曲軸生產(chǎn)水平有了很大的提高，但總體上仍落后于日本和西方發(fā)達國家。 1）材料 曲軸材料有三種：中碳鋼、合金鋼和球墨鑄鐵。由于球墨鑄鐵切削性能良好，可獲得較理想的結構形狀。并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可采用各種熱處理和表面強化處理來提高抗疲勞強度、硬度和耐磨性。球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本的1/3左右，因此在國內(nèi)外得到了泛的應用。本次設計的汽油機就采用球墨鑄鐵作為曲軸的材料。 2）機械加工技術 目前國內(nèi)的曲軸生產(chǎn)廠家多采用普通機床加工，生產(chǎn)效率和自動化程度較低。國外一些發(fā)達國家早已采用專用機床組成的自動化生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量大大提高。本次設計的汽油機曲軸將采用專用機床來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 3）熱處理和表面強化處理技術，曲軸的熱處理關鍵技術是表面強化處理。球墨鑄鐵曲軸一般采用感應淬火或氮化工藝。國外一些球墨鑄鐵曲軸采用滾壓工藝與離子氮化進行復合強化，可使整個曲軸的抗疲勞強度提高130%以上。本次設計的汽油機曲軸將采用圓角滾壓強化的氮化處理來提高曲軸的抗疲勞強度。 飛輪的作用是調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)速變化，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。飛輪的關鍵尺寸是外徑，對于灰鑄鐵飛輪，圓周速度不要超過35～50m/s否則容易造成由于離心力過大，材料的抗拉不足而使飛輪損壞及材料碎裂飛出的事故。本次設計的汽油機飛輪采用灰鑄鐵材料。 1.3 曲軸飛輪組概述 曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器、皮帶輪、正時齒輪(或鏈條)等組成。如圖2-42所示是曲軸飛輪組的總體結構。 1.3.1曲軸 曲軸是承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ?，然后通過飛輪輸出，另外，還用來驅(qū)動發(fā)動機的配氣機構及其他輔助裝置(如發(fā)電機、風扇、水泵、轉(zhuǎn)向油泵等)。 在發(fā)動機工作中，曲軸承受周期性變化的氣體壓力、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力和往復慣性力以及它們的力矩的共同作用，使曲軸承受彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷，產(chǎn)生疲勞應力狀態(tài)。為了保證工作可靠，因此要求曲軸具有足夠的剛度和強度，各工作表面要求耐磨而且潤滑良好，還必須有很高的動平衡要求。 1.3.2曲軸扭轉(zhuǎn)減振器 在發(fā)動機工作過程中，連桿作用在曲軸上的力呈周期性變化。這樣就會使質(zhì)量較小的曲拐相對于質(zhì)量較大的飛輪有扭轉(zhuǎn)擺動(曲拐轉(zhuǎn)速較飛輪轉(zhuǎn)速忽快忽慢)，這就是曲軸的扭轉(zhuǎn)振動。當這種扭轉(zhuǎn)振動的自振率頻與連桿傳來的呈周期性變化的激振頻率成整數(shù)倍關系時，曲軸便會產(chǎn)生共振。這種現(xiàn)象既損失發(fā)動機的功率，也會破壞曲軸和裝在上面的驅(qū)動齒輪、鏈輪、鏈條等附件，嚴重時甚致將曲軸扭斷。為消除這種現(xiàn)象，曲軸前端裝有扭轉(zhuǎn)減振器 1.3.3飛輪 飛輪是一個轉(zhuǎn)動慣量很大的圓盤，其主要功用是將在作功行程中輸入于曲軸的功能的一部分貯存起來，用以在其他行程中克服阻力，帶動曲柄連桿機構越過上、下止點。保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度和輸出扭矩盡可能均勻，并使發(fā)動機有可能克服短時間的超載荷，此外，飛輪又往往用作摩擦式離合器的驅(qū)動件。 第二章 總體設計方案 2.1汽油機設計要求 汽油機設計是一項復雜的工作，它的許多零件是在經(jīng)受高溫，高應力和劇烈磨擦的苛刻條件下工作的。因此，我們在設計的時候，首先要根據(jù)實際需要來確定設計的目的和要求。 （1）功率和轉(zhuǎn)速 作為動力機械，使用者對汽油機第一位的要求是應該能夠在規(guī)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出所要求的功率。轉(zhuǎn)速和功率的具體數(shù)值是根據(jù)用途來確定的，它在設計中一般會給出，要求設計者能夠按要求設計產(chǎn)品。 （2）汽油機的經(jīng)濟性 汽油機的經(jīng)濟性包括：汽油機的使用價值應該盡量大，而為使用汽油機所必須付出的代價應盡量小。 （3）高的工作可靠性和足夠的使用壽命。 （4）汽油機外廓尺寸的緊湊和質(zhì)量 在許多中動力裝置中，為了能有更多的有用空間，希望汽油機本身占用的空間縮至最小，即要求汽油機的設計緊湊，空間占用小，汽油機的質(zhì)量就小，質(zhì)量小是我們追求的目標。質(zhì)量小在某種程度上表明所耗用的金屬質(zhì)量少。 （5）汽油機設計的三化問題 所謂三化，指產(chǎn)品系列化，零部件的通用化和設計的標準化。 （6）汽油機的可靠性及其它 工作可靠是汽油機應該具有的起碼性能，否則其它性能將無從談起。 2.2汽油機的主要參數(shù) 2.2.1 參數(shù)要求 本次設計的汽油發(fā)動機參數(shù)如下： 序號 工作過程計算參數(shù) 單位 數(shù)值 1 設 計 指 標 標定有效功率 kW 100 2 標定轉(zhuǎn)速 r/min 6500 3 標定最大扭矩 Nm 165 4 設計最大扭矩轉(zhuǎn)速 r/min 5000 5 最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 r/min 700 6 缸徑 m 0.085 7 沖程 m 0.088 8 壓縮比 10 9 缸數(shù) 4 10 燃料 汽油 2.3.2 參數(shù)選定 （1）氣缸數(shù)與缸徑 壓縮點火式汽油機，由于燃燒過程的特點，汽缸直徑不能過小，一般以不小于85mm為宜。汽油機的缸徑應符合系列型譜的規(guī)定，其尾數(shù)應該取整數(shù)，優(yōu)先選用0和5。給定設計項目的汽油機氣缸數(shù)為4，缸徑為85mm。 （2）活塞平均速度 活塞平均速度Cm也是表征活塞式內(nèi)燃機強化程度（熱負荷和機械負）的重要參數(shù)之一。它對于內(nèi)燃機的性能，工作可靠性和使用壽命有很大的影響。一般說來，Cm增大會使發(fā)動機的功率增高，但活塞組的熱負荷和曲柄連桿機構的慣性負荷增大，磨損加劇，壽命下降。本次設計的標定轉(zhuǎn)速為6500r/min。 （3）平均有效壓力 平均有效壓力是標志內(nèi)燃機整個循環(huán)過程的有效性及內(nèi)燃機制造完善性的指標之一，值的不斷提高是內(nèi)燃機技術發(fā)展的重要標志。由于它決定了發(fā)動機的強化程度，反映了發(fā)動機結構與制造要達到的質(zhì)量，故必須慎重的選擇。進行產(chǎn)品設計時，平均有效壓力應根據(jù)同類型發(fā)動機的實際數(shù)據(jù)來初步選定，在本次設計中，初步選定=0.5MPa。 （4）行程S 行程增加可以提高平均有效壓力但是在氣缸直徑不變的情況下，S的增加即行程缸徑比S/D增加，導致活塞平均速度提高，有磨損加速、壽命降低等問題。本次設計中給定行程S=88mm （5）氣缸中心距及其與缸徑的比值 氣缸中心距及其與缸徑的比值，是表征汽油機長度的緊湊性和重量指標的重要參數(shù)，它與汽油機的強化程度、氣缸排列和機體一的剛度有關。缸心距的大小主要取決于氣缸蓋型式（整體式、塊狀式或單體式）、氣缸套型式（干式或濕式）、直列式還是V型、水冷還是風冷、以曲軸的結構型式和尺寸分配。本設計中氣缸中心距L取為96mm。 （6）壓縮比壓縮比直接影響汽油機的性能、機械負荷、超支性能，以及主要零件的結構尺寸。在一定范圍內(nèi)，汽油機的熱效率隨壓縮比的增加而提高。增大壓縮比也可使汽油機的起動性能獲得改善。但壓縮比的提高將使氣缸最高爆發(fā)壓力相應上升，機械負荷增加對汽油機使用壽命有影響。此次設計中壓縮比ε初步定為10。 第三章 曲軸設計 3.1 曲軸設計要求 曲軸設計時應符合以下要求： （1）有足夠的疲勞強度，以保證曲軸工作可靠。設計時應盡量減少應力集中，加強薄弱環(huán)節(jié)； （2）有足夠的剛度，使曲軸變形不致過大； （3）頸具有良好的耐磨性。應根據(jù)軸頸比壓，選取適當?shù)妮S承材料、軸頸硬度和加工精度，以保證曲軸和軸承有足夠的壽命； （4）柄排列合理，以保證汽油機工作均勻；曲軸平衡性好，以減小振動和主軸承最大負荷； （5）料選擇適當，以充分發(fā)揮材料強度潛力。 不難看出，上述強度、剛度、耐磨、輕巧的要求之間是存在矛盾的。由于曲軸受力復雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設計曲軸時，至今還沒有一個能完全反映實際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設計主要是依靠經(jīng)驗設計，即利用許多現(xiàn)有的曲軸結構與尺寸的統(tǒng)計資料。借以初步確定曲軸的基本尺寸，然后進行結構細節(jié)的設計、強度復核、曲軸樣品試驗，最后確定曲軸的結構、尺寸與加工工藝等。 3.2 曲軸結構設計 3.2.1支承方式的選擇 按支承方式曲軸分為全支承曲軸和非全支承曲軸。 全支承曲軸是每兩個（V型發(fā)動機為兩排）氣缸間均設有主軸承的曲軸；而非全支承曲軸是每隔兩個（V型發(fā)動機為兩排）氣缸設有一個主軸承的曲軸。由于汽油機的爆發(fā)壓力較高，因而一般都采用全支承曲軸；僅有個別小缸徑汽油機為縮短缸心距，減少主軸承數(shù)，采用非全支承曲軸。因此此次設計采用全支承曲軸。 3.2.2 結構型式的選擇 按結構型式曲軸分為整體曲軸和組合曲軸。 整體式曲軸的毛坯是由整根鋼料鍛造或用鑄造方法澆鑄出來的。整體式曲軸結構簡單，重量輕，工作可靠，而且剛度和強度較高，加工面也比較少，在中高速汽油機上應用非常普遍。 組合式曲軸是把曲軸分成很多便于制造的單元體，然后將各部分組合裝配而成。按劃分單元體的不同，又可分為全組合式曲軸與半組合式曲軸。大功率汽油機和小型二沖程發(fā)動機上常采用組合式曲軸。 由于此次設計的是直列四缸汽油機，故選用平面（圖3-1）布置，曲柄互成空間180°夾角，靜平衡但動不平衡，該方案的不平衡系數(shù)較小，易于采取平衡措施，而且此次設計的是高速汽油機，采用該布置第二階往復慣性力較小，可以不考慮。 圖3-1 綜上所述，此次設計采用整體式曲軸。 3.2.3 曲軸的軸向定位 為防止曲軸的軸向定位，保證工作正常，曲軸需設有軸向定位。中高速汽油機的曲軸通常用止推片或止推軸瓦做止推軸承。大多數(shù)汽油機把止推軸承設在輸出端，這樣當曲軸受熱伸長時離合器的間隙可保持不變。但裝在曲軸自由端的正時齒輪會產(chǎn)生一些位移。在一些汽油機中由于中央主軸承的負荷大而增加其長度，并用它作止推軸承。 當軸向力不是很大，又不是經(jīng)常作用時，止推軸承多采用翻邊軸瓦，或采用止推片。翻邊軸瓦的制造比較困難，所以一般汽油機中多用止推片的結構。在軸向經(jīng)常作用或數(shù)值較大的情況下，多采用止推滾動軸承。 圖3-34 本次設計采用止推片的止推方式，并且安裝在中央主軸承上。 3.2.4曲軸端部結構設計 曲軸兩端分別為自由端和輸出端。大多數(shù)汽油機的機油泵，水泵等輔助裝置的驅(qū)動齒輪以及曲軸的扭轉(zhuǎn)減振器均安裝在自由端。飛輪裝于輸出端，汽油機產(chǎn)生的功率經(jīng)輸出端輸出，但在某些工程機械或農(nóng)用汽油機上，曲軸自由端也可輸出部分乃至全部功率。 驅(qū)動配氣機構和噴油泵的曲軸正時齒輪布置于自由端或輸出端。當曲軸正時齒輪布置在輸出端時，可將正時齒輪直接制造在曲軸上。 曲軸輸出端一般借法蘭通過定位銷和螺栓來安裝飛輪。為提高曲軸的扭轉(zhuǎn)剛度，最后一道主軸承至曲軸法蘭的軸段應盡量短粗，甚至其直徑和曲軸法蘭相同，這樣也便于套裝油封。 曲軸法蘭大小應根據(jù)主軸承直徑及油封裝置來決定。飛輪緊固螺栓分布的圓周直徑，最好使螺栓孔位于主軸頸外，并能讓開主軸頸到法蘭過度圓角。 3.2.5 潤滑油道布置 軸承的工作能力在很大程度上取決于潤滑條件。曲軸主軸頸和曲柄銷一般采用壓力潤滑。曲軸上油道與油孔的設計，對于曲軸軸承的潤滑及曲軸強度都有重要的影響，因此必須十分慎重地選擇油道的方案和確定油孔的位置。潤滑油通常先進入主軸承再進入連桿軸承。將機油輸送到曲軸軸承中去的供油方法有兩種： （1）分路供油 多數(shù)汽油機采用這種供油方法。潤滑油由主油道直接送到各主軸承。 （2）集中供油 主軸承采用滾動軸承時需采用集中供油。集中供油多采用所謂假軸承結構。假軸承上也澆有一層軸承合金。潤滑油從假軸承通過軸頸上的油孔進入曲軸內(nèi)腔。 確定主軸頸和曲柄銷上油孔定位時，既要考慮到潤滑和軸瓦的冷卻，又要對軸頸強度削弱最小。從保證潤滑考慮，希望主軸頸油孔開在最大軸頸壓力作用線方向。曲柄銷油孔開在壓力最小的地方，以保證連桿軸承供油充足。曲柄銷最小負荷通常位于曲柄銷平面以曲柄銷軸心為中心向著曲軸旋轉(zhuǎn)方向?qū)敖堑牡胤剑强捎奢S心軌跡圖求出。從強度觀點考慮，油孔不應位于曲柄平面內(nèi)而應在曲柄垂直平面內(nèi)。因為在曲柄垂直平面內(nèi)，曲柄銷表面彎曲應力和扭轉(zhuǎn)切應力都比較小。因此應兼顧上述兩項要求來確定油孔的位置，同時還應考慮曲軸結構和鉆孔的工藝性。 為了減小應力集中，油孔出口應到角，拋光。 （3）油孔直徑：d=(0.07~0.10)D=5.95~8.5mm 取d=6 mm。 圖3-2所示為本次潤滑油道的布置方案。 圖 3-2 3.3 曲軸主要尺寸的確定 在設計汽車拖拉機這一類高速汽油機的曲軸時，它的基本尺寸大多根據(jù)結構布置上的要求來確定，再由強度校核修正。因為曲軸與活塞連桿組件和機體有密切的聯(lián)系，曲軸的設計不能孤立進行。各部分尺寸多以與氣缸直徑的相對值表示，而氣缸直徑又是限制曲柄銷直徑的重要因素。曲柄長度方向的尺寸基本上決定于氣缸中心距。 表3-1 曲軸主要結構尺寸的統(tǒng)計范圍（車輛用） 機型 結構尺寸 柴油機 汽油機 直列 V列 直列 V列 主軸徑 /D 0.70~0.80 0.75~0.85 0.75~0.85 0.85~0.95 0.65~0.70 0.60~0.70 /D 0.30~0.36 0.24~0.30 0.30~0.35 0.25~0.30 連桿軸徑 /D 0.60~0.70 0.67~0.72 0.63~0.72 0.60~0.65 0.55~0.62 /D 0.32~0.37 0.23~0.28 0.31~0.35 0.45~0.60 曲柄臂 h/D 0.22~0.28 0.20~0.25 0.18~0.25 0.18~0.22 b/D 1.05~1.3 1.0~1.3 0.75~1.2 0.75~1.2 過渡圓角 r/ 0.03~0.05 0.03~0.05 平衡重 /S 0.8~0.9 0.9~1.0 0.8~0.9 1.0~1.1 3.3.1 曲柄銷的直徑和長度 在考慮曲軸軸頸的粗細時，首先是確定曲柄銷的直徑。在現(xiàn)代發(fā)動機設計中，一般趨向于采用較大的值，以降低曲柄銷的比壓，提高連桿軸承工作的可靠性，提高曲軸的剛度。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力增大，對曲軸及軸承的工作帶來不利。因為隨曲柄銷直徑增大帶來的軸系自振頻率增加，會被旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增加引起的自振頻率下降所抵消，可能增加扭轉(zhuǎn)振動的危害。此外，曲柄銷直徑增大也會增加軸承摩擦功率損失，導致軸承溫度升高，增加潤滑油熱負荷。為此，曲柄銷直徑不應取得較大。曲柄銷的長度是再選定的基礎上考慮的。 根據(jù)表3-1，初步選取 曲柄銷的直徑=（0.60~0.65）D=51~55.25mm, 取=55mm; 曲柄銷的長度=（0.31~0.35）D=26.35~29.75mm, 取=28mm。 3.3.2 主軸頸的直徑和長度 從軸承負荷出發(fā)，主軸頸可以比曲柄銷細些，因為主軸承最大負荷小于連桿軸承。但是為了最大限度地增加曲軸的剛度，加粗主軸徑是有很大好處的。因為第一，加粗主軸徑不同于加粗曲柄銷那樣有很多副作用，加粗主軸頸能增加曲柄軸頸的重疊度，從而提高曲軸剛度，但幾乎不增加曲軸的轉(zhuǎn)動慣量，故可提高自振頻率，減輕扭振危害；第二，加粗主軸頸后可以相對縮短其長度，從而給加厚曲柄臂，提高其強度提供可能。 根據(jù)表3-1，初步選取 主軸頸直徑=（0.65~0.70）D=55.25~59.5mm取=60mm; 主軸頸長度=（0.30~0.35）D=25.5~29.75mm 取=28mm。 3.3.3 曲柄臂 曲柄臂是曲軸中最薄弱的部分之一，它在曲柄平面內(nèi)的抗彎剛度和強度都較差。實踐表明：由交變彎曲應力造成的曲柄臂斷裂是曲軸的主要損壞型式。曲柄臂應選擇適當?shù)暮穸?，寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強度。曲柄形狀應合理，以改善應力分布。現(xiàn)代高速汽油機曲柄的形狀大多采用橢圓形和圓形。試驗證明：橢圓形曲柄具有最好的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。其優(yōu)點是盡量去掉了受力小或不受力的部分，其重量減輕，應力分布均勻。但加工方法較復雜，采用模鍛或鑄造的方法可以直接成型。 根據(jù)表3-1, 初步選取 曲柄臂厚度h=（0.18~0.25）D=15.3~21.25mm 取h=20mm； 曲柄臂寬度b=（0.75~1.20）D=63.75~102mm 取b=70mm。 3.3.4 曲軸圓角 曲軸主軸頸和曲柄臂連接的圓角稱為主軸頸圓角，曲柄銷和曲柄臂連接的圓角稱為曲柄銷圓角。 由于曲柄銷圓角和主軸頸圓角是曲軸應力最大的部位，且應力沿圓角輪廓分布也極不均勻，故圓角的輪廓設計十分重要。 曲軸圓角半徑r應足夠大，根據(jù)表3-1, r/=0.03~0.05=2.55~4.25mm，圓角半徑過小會使應力集中嚴重。為了增大曲軸圓角半徑，且不縮短軸頸有效工作長度，可采用沉割圓角，設計沉割圓角時應該保證曲柄臂有足夠厚度。曲軸圓角也可由半徑不同的二圓弧和三圓弧組成。當各段圓弧半徑選擇適當時可提高曲軸疲勞強度，增加軸頸有效承載長度。 本次設計遵循以上原則，選取圓角半徑 r=3mm。 3.4 曲軸材料選擇及毛坯制造 常用的曲軸材料有可鍛鑄鐵，合金鑄鐵，球墨鑄鐵，碳素鋼和合金鋼等，相應的毛坯也分為鑄造與鍛造。 鍛造曲軸一般采用中碳鋼或者合金鋼制造，毛坯生產(chǎn)需要大型鍛壓設備，雖然毛坯尺寸比較精確，減少了加工余量，提高了材料利用率，此外，鍛造能夠使材料的金屬纖維成方向性排列，纖維方向和曲軸形狀大致相符，這大大提高了曲軸的抗拉強度和彎曲疲勞強度。但是鍛造曲軸成本過高，大約是球鐵曲軸的3-7倍。 雖然鑄造曲軸主要是球鐵曲軸有很多缺點，例如彎曲疲勞強度比較低，較容易發(fā)生斷裂，相同尺寸的球鐵曲軸與鍛造曲軸相比，剛度差。但它的優(yōu)點也相當明顯，例如球墨鑄鐵曲軸經(jīng)正火處理后的機械性能已接近蔌超過一般的中碳鋼，盡管鋼的疲勞強度比球墨鑄鐵高，但曲軸的結構復雜，鋼曲軸難免會有油孔、過渡圓角和材質(zhì)上留有缺陷面造成應力集中，從面降低了曲軸的疲勞強度。球鐵可以鑄造出復雜的曲軸形狀，使其應力分布均勻，且球墨鑄鐵對缺口敏感度低、變形小，使球墨鑄鐵曲軸的實際彎曲的扭轉(zhuǎn)疲勞強度與正火中碳鋼相近。球鐵曲軸的耐磨性好，吸振能力強，有較好的自潤滑和抗氧化性能。 綜上分析，本次設計采用球墨鑄鐵曲軸。 3.5 曲軸的平衡 3.5.1曲軸的平衡性分析 對曲曲軸軸平衡性的分析可以采用兩種方法,矢量圖法和數(shù)學分析法,此次設計中我采用的是數(shù)學分析法: （1）分析 因為所以 取通過第二氣缸中心線且垂直于曲軸中心線的平面為力矩的計算基準平面。 令 得即 因為和的公式形態(tài)一樣 所以 可知， 令 得2α=30° 即， 由上得知一、二級往復慣性力矩的正、反轉(zhuǎn)矢量 （2）慣性力矩的平衡方法 一般,只采用曲軸附加偏角(或扇形)平衡塊的方法將全部平衡掉。其中，K值需要與汽油機的配套裝置一道試驗確定。對一、二級往復慣性力，不另添置平衡軸，而讓其自行存在。由此收起的振動是許可的。為了獲得良好的外部平衡性能，應對帶平衡塊的曲軸進行仔細地靜、動平衡，并把活塞組、連桿組的重量嚴格控制在誤差范圍內(nèi)。 3.5.1 曲軸平衡塊的布置方式 曲軸平衡塊的作用是用來平衡曲軸不平衡的旋轉(zhuǎn)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力矩，有時也可以平衡往復慣性力及其力矩，并可以減速小主軸承的負荷。隨著汽油機轉(zhuǎn)速的提高，多數(shù)離心慣性力和離心慣性力矩已自行平衡的曲軸也配置平衡塊，這主要是為了減輕主軸承的最大負荷，保證軸承有良好的潤滑條件，減小曲軸和曲軸箱所受的離心慣性力矩。但曲軸配置平衡塊后，重量增加，制造工藝復雜，曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動自振頻率降低。因此，應根據(jù)轉(zhuǎn)速，曲軸結構，曲柄排列，軸承負荷以及對平衡的要求等因素綜合考慮是否配置平衡塊。一般低速汽油機不需要配置平衡塊，高度汽油機則需要配置平衡塊。平衡方案的選擇，平衡塊重量的計算與布置，應該仔細考慮。 平衡塊的重心應盡量遠離曲軸中心線，以提高平衡效果。但平衡塊一般不超過曲軸旋轉(zhuǎn)所掃過的范圍。平衡塊厚度一般與曲柄臂相同。 3.6 曲軸疲勞強度校核 3.6.1 疲勞強度計算 本計算采用Ricardo計算方法,該計算方法有兩點假設。 曲軸的每一曲拐是相互獨立的，不受曲軸其他部分受力的影響，并以 簡支梁的形式支撐在主軸承上。 曲軸所受力是以點負荷的形式作用在曲軸上的。如圖5-1 圖5-1 曲拐受力分析圖 （1）已知條件 缸徑D=85,行程S=88,連桿長L=150,氣缸數(shù)i=4,發(fā)動機轉(zhuǎn)=6500r/min,最大平均有效壓力Pme=0.5MPa,活塞連桿組往復質(zhì)量m1=1.6Kg,活塞連桿組旋轉(zhuǎn)質(zhì)量m2=3.1Kg。 （2）彎曲應力計算 1）曲軸受力計算 （a）壓縮上止點時的曲軸作用力： (5-2) 式中，—活塞連桿組往復質(zhì)量力；—活塞連桿組旋轉(zhuǎn)質(zhì)量力； （b）燃氣作用力： 則 （c）排氣上止點時的曲軸作用力： 2）單個曲拐危險截面上的彎矩 （a）圓角處 （b）連桿軸頸中央油孔處 式中，、、、分別為曲拐危險截面的最大和最小彎矩。 3）名義彎曲應力 ， 式中，—為彎矩，。、為截面的最大、最小名義彎曲應力。 （a）圓角處 （b）連桿軸頸中央油孔處 4）名義彎曲平均應力及名義應力幅為 ， （a）圓角處 （b）連桿軸頸中央油孔處 5）彎曲應力 ，； 式中，—應力集中系數(shù), 、—為彎曲平均應力及彎曲應力幅； 根據(jù)理論應力集中系數(shù)由式（5-3）計算。 （5-3） 式中， ； 式中，—連桿軸徑，—曲柄臂厚度。 式中，—主軸頸直徑。 則 （5-4） ，則。 = 圓角處 = 桿軸頸中央油孔處 取連桿軸頸中央油孔處的應力集中系數(shù)，帶入（5-4）得，則 （3）切應力計算 1）扭矩計算 （5-5） 式中，—為發(fā)動機平均扭矩； 將已知條件代入得；最大扭矩 式中為系數(shù)，兩缸機取=10。最小扭矩 2）名義應力 連桿軸頸的抗彎截面系數(shù) ， =63，則 式中，，—分別為名義最大，最小切應力。 名義平均切應力及名義切應力幅分別為 3）切應力 （a）圓角處 理論應力集中系數(shù) 式中，為圓角半徑，為重疊度，連桿軸頸直徑。將代入式（5-4）中得，，則切應力集中系數(shù) 則 式中，、—為平均切應力及切應力幅。 （b）連桿軸頸中央油孔處 理論應力集中系數(shù)，將其代入式（5-4）中得，， 切應力集中系數(shù) 則 根據(jù)以上計算數(shù)值參考經(jīng)驗數(shù)值[14] 此次設計的曲軸可采用材料40Cr此材料的強度完全滿足以上要求。 3.6.2 提高曲軸疲勞強度的結構措施 在載荷不變的條件下，要降低最大彎曲應力，提高曲軸的彎曲強度就應設法降低曲軸圓角處的應力集中效應；適當減小單拐中間部分的彎曲剛度，使應力分布較為均勻，即用結構措施使彎曲形狀系數(shù)最大限度下降。 （1）加大軸頸重疊度 采用短行程是增加重疊度的有效措施，它比通過增大主軸頸來增加重疊度的作用大。為了使重疊度A變成無量綱參數(shù)，以便對不同發(fā)動機進行比較，引用重疊度 （5-1） （2）加大過渡圓角 過渡圓角的尺寸、形狀、材料組織、表面加工質(zhì)量和光潔度等對曲軸應力的影響十分明顯。前面已論述為了減小圓角部位的應力集中效應，必須增大圓角半徑R。但隨R的增大軸頸有效承壓長度縮短。為解決這一矛盾，設計了曲率過渡曲線。但是這種過渡曲線要求對精磨圓角的砂輪進行專門的修整，工藝復雜。如果修整的不準，可能會弄巧成拙，所以應用不廣。 為了能增大半徑R同時保證軸頸的有效承壓長度，可采用曲軸沉割圓角。它把過渡圓角移到曲柄上，形成組合內(nèi)凹圓角，這時最大應力點移向曲柄里端，因此要注意內(nèi)凹圓角不能太深，否則會過多的削弱曲柄的強度，反而使曲柄強度降低。一般R/D=0.05-0.07，當R 〉0.07D時，隨R的增加，使應力集中減少已不明顯。由于工藝上的考慮，在任何情況下R的絕對值不應小于2mm。為了使曲軸工作可靠，圓角表面光潔度不應小于8 ，不允許存在材料組織的缺陷。 （3）采用空心軸頸 若以提高曲軸彎曲強度為主要目標，采用主軸頸為空心的半空心結構就行了。若同時要減輕曲軸的重量和減小曲柄銷的離心力，從而降低主軸承負荷，則宜用全空心結構，且將曲柄銷內(nèi)孔向外側偏離。一般以d/D=-0.4左右效果最好 。此外，軸頸空心孔德縮口厚度度圓角彎曲應力有一定影響，當T/h=0.2-0.4時，彎曲應力下降較多。 3.6.3提高曲軸疲勞強度的工藝措施 工藝措施就是采用局部強化的方法來充分發(fā)揮材料強度的潛力，解決載荷與抗力這一主要矛盾，以使曲軸趨向等強度。它提供拉在曲軸結構不變的條件下，強化發(fā)動機的可能性。 （1）圓角滾壓硬化 曲軸圓角滾壓強化是近年來應用越來越廣的圓角強化方法。曲軸圓角滾壓能提高疲勞強度的原因 ，在于金屬表面在滾輪機械力的作用下應力超過了材料屈服極限時，產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生冷作硬化，硬度提高，金屬表層直到某一深度出現(xiàn)殘余應力，在深處則產(chǎn)生低值的補償拉應力。去除滾輪機械力后，表層塑性變形后略有恢復，然后取得穩(wěn)定。壓縮應力由于永久變形的存在殘留了下來。表層的殘余應力抵消了部分工作拉伸應力，使零件疲勞強度大大提高。因為疲勞強度通常是由拉伸應力反復作用的結果，并始于金屬表面。所以滾壓強度實質(zhì)上是一個預應力強化方法。此外，表面滾壓后可以提高圓角表面光潔度，消除顯微裂紋和針孔、氣孔等鑄造缺陷。因此，珠光體球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓效果最明顯。 （2）軸頸和圓角表面同時進行淬火 為了提高曲軸軸頸表面的耐磨度，一般都用高頻電流感應加熱的方法進行表面淬火。它是用熱處理的方法使金屬發(fā)生組織相變，從而使軸頸耐磨性提高。淬火層深一般為3-7毫米，硬度HRC55-63。限于工藝上的原因，一般兩端圓角部分不淬硬。這樣，在軸頸表面淬硬部分因產(chǎn)生殘余壓縮應力而得到強化。反之，未被淬硬的圓角部分因形成回火區(qū)，出現(xiàn)殘余應力被削弱。因此，為了改善軸頸耐磨性而采用的表面淬火措施，對疲勞強度起拉反作用，因為他加強了本來比較弱的部分。為此，采用專門的工藝措施，把圓角部分一起淬硬。 （3）噴丸強化 它與滾壓強化一樣，亦屬于利用冷卻變形，在金屬表面上留下了拉應力，而且使表面硬度增加，從而提高曲軸疲勞強度的方法。噴丸處理時，公稱粒度0.5mm左右的噴丸，從高速旋轉(zhuǎn)的噴射槍中以高速噴射到緩慢旋轉(zhuǎn)的曲軸表面上，使曲軸表面產(chǎn)生殘余壓應力，起強化作用。噴丸比滾壓優(yōu)越的地方在于使曲軸整個表面都能得到強化，甚至包括未加工的高壓力區(qū)，同時適于大批生產(chǎn)，軸頸摩擦表面不需噴丸。 （4）氮化處理 氮化處理是一種化學熱處理強化金屬表面的方法。氮化處理后，由于氮的擴散作用，在曲軸表面產(chǎn)生一層由氮化鐵及碳化鐵組成的化合物層，它有極高的耐磨性，而且抗膠合、耐磨蝕?；蠈觾?nèi)部為氮的擴散層，由于氮不斷向內(nèi)部擴散，使得金屬體積增大，因而產(chǎn)生擠壓應力。一般曲軸精磨后進行氮化，氮化后不應再進行機械加工，否則曲軸的疲勞強度又將下降。氮化處理不僅適用于鋼曲軸，也同樣適用于球鐵曲軸。 第四章 飛輪設計與計算 4.1飛輪的作用 由于曲軸所發(fā)出的扭矩是個周期變化的量，當它大于有效阻力矩時，曲軸就加速，反之就減速，造成曲軸轉(zhuǎn)速的波動，減小這種波動的措施有兩種：一是增加汽油機的氣缸數(shù)，另一措施是在曲軸上加裝飛輪。在本次設計中，任務給定是兩缸，所以我們在曲軸上加裝了飛輪。 對任何往復式汽油機，其輸出扭矩即使在穩(wěn)定工況下也是不斷周期性變化的。通常用扭短工 不均勻系數(shù)來判斷發(fā)動機合成扭矩的均勻程度。但發(fā)動機所帶動的聳動裝置的有效阻力矩一般是定值。因此，當曲拐在某一位置時，發(fā)動機的輸出扭矩有可能大于或小于由其所帶動的阻力矩。當發(fā)動機的輸出扭矩大于有效阻力矩時，曲軸就加速，反之則減速，造成曲軸轉(zhuǎn)速的波動。我們把曲軸轉(zhuǎn)速忽快忽慢的這種現(xiàn)象稱之為曲軸回轉(zhuǎn)不均勻性。發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動會產(chǎn)生一系列不良后果。如發(fā)動機驅(qū)動件與被它帶動運轉(zhuǎn)的從動件之間產(chǎn)生沖擊，影響工作可靠性，降低使用壽命，產(chǎn)生噪音；同時使測試儀器的工作不穩(wěn)定；曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻還會引起曲軸的振動。所以曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻生應控制在允許范圍內(nèi)。 要想提高發(fā)動機的運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，降低曲軸角速度波動的措施有： （1）增加氣缸數(shù)，點火均勻，使由于氣缸間歇性工作帶來的沖擊減少。 （2）增加發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，使角速度波動率減小。最有效的方法就是安裝飛輪。 由于氣缸數(shù)已經(jīng)確定，只能通過安裝飛輪來提高發(fā)動機的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。當輸出扭矩大于阻力矩時，飛輪就將多余的功吸收而使轉(zhuǎn)速略增；當阻力矩大于輸出扭矩時，飛輪則將其儲存的能量放出，此時飛輪的動能減小，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速略減?？梢婏w輪是一種動能儲存器，它起著調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)速變化穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。 4.2飛輪的設計與計算 在飛輪的設計中，我們先根據(jù)經(jīng)驗定出其外徑、內(nèi)徑和厚度b，然后在根據(jù)經(jīng)驗公式對其進行校核。 圖4-1（《汽油機設計》 楊連生圖5-45） 尺寸的初步確定： 飛輪外徑＝（2.5~3.5）S=220~308 mm 取=260mm； 輪緣厚度h=()=13~26mm取h=15mm =-2h=230mm； 取 b=40mm； 飛輪的圓周速度： v===68m/s 由于v50~80 m/s 因此選取的合格。 表4-1 不同缸數(shù)i四沖程發(fā)動機的扭矩不均勻系數(shù)和盈虧功系數(shù) （《汽油機設計》 袁兆成 表6-1） i 1 10~20 1.1~1.8 2 8~15 0.5~0.8 3~4 5~10 0.2~0.4 6 1.5~3.5 0.06~0.1 8 0.6~1.2 0.01~0.03 12 0.2~0.4 0.005~0.01 由任務給定的數(shù)據(jù)，選取各種相關系數(shù)： 運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)=； 飛輪轉(zhuǎn)動慣量占汽油機總轉(zhuǎn)動慣量的分數(shù)=0.85； 盈虧功系數(shù)=0.6； 飛輪的轉(zhuǎn)動慣量： （4-2） = =0.5172802404（kg） 由初步確定的尺寸按5-2式可計算出飛輪的重量： （4-3） HT250的密度，取7.34 =154.3510272（N） 再由式5-3可計算出假設飛輪的轉(zhuǎn)動慣量： （4-4） =0.342663218（kg） 由于，所以，此飛輪合格。 第五章 其他附件的設計 5.1 主軸承的設計 5.1.1主軸承的工作條件 汽油機曲軸的主軸承在工作中受到?jīng)_擊性的氣體爆發(fā)壓力和活塞連桿組慣性力的動負荷作用，由動力計算可知，其最高平均壓力達20~30MPa，面實際上從潤滑理論分析可知，潤滑油膜中局部最高油膜壓力可達平均壓力的6~10倍。由于負荷是交變的，會在合金層內(nèi)形成疲勞應力狀態(tài)，易使合金層產(chǎn)生微小裂縫，當裂紋發(fā)展并與其裂縫相匯時，合金層就會疲勞剝落。 其次，高速汽油機中，軸承與軸頸之間的相對滑動摩擦速度可高達10m/s以上。在如此高速下運動，即使是液體摩擦，也會產(chǎn)生大量摩擦熱，使軸瓦工作表面溫度升高到150℃。如有足夠潤滑油通過摩擦表面，則除了可以冷卻軸承外，還有可能使軸承牌完全的液體摩擦狀態(tài)，即軸承和軸頸兩摩擦表面完全為一層油膜所隔開面不直接接觸，但是這種理想的液體摩擦狀態(tài)在實際汽油機工作過程中并不能完全等到保證。因為汽油機，尤其是汽車拖拉機類型的運輸式汽油機，使用工況經(jīng)常變動，起動和制動頻繁，容易發(fā)生所謂的邊界摩擦，這時兩個摩擦面依靠分子間的引力，各自吸附一層幾個分子厚的潤滑油膜，金屬表面完全被這一層邊界油膜所隔開。一旦邊界油膜破裂，金屬材料就可能相接接觸，發(fā)生固體摩擦，造成強烈磨損，甚至表面熔化，互相括號在一起，這是軸承損壞的根源，必須避免。 隨著汽油機工作時間的增加，呈泡沫狀和霧化狀的發(fā)動機機油，在100℃左右的高溫作用下不斷被氧化變質(zhì)，形成有機酸，對軸承表面產(chǎn)生腐蝕作用。油中機械雜質(zhì)也逐漸積累，使軸承和軸頸表面遭受損傷。 此外，曲軸以及曲軸箱等制造有誤差，在工作中還可能發(fā)生變形，使軸頸與軸承之間產(chǎn)生局部的負荷集中，影響軸承的正常工作。 根據(jù)這些具體的工作情況，在汽油機中一般都應用由多層金屬或合金構成的軸承。因為一般具有較高力學性能的材料，其表面摩擦性能就不好；反之，具有良好表面摩擦性能的材料機械強度一般較差，單金屬軸瓦不能滿足調(diào)整重負荷曲軸軸承的要求。曲軸軸瓦一般由鋼瓦背與減摩層組合而成，瓦背保證整個軸瓦的機械強度，而薄的減摩層保證良好的摩擦性能。具體來說，軸瓦的工作條件是： （1）很高的動負荷作用。容易形成疲勞應力狀態(tài)，造成金屬層剝落。 （2）相對滑動速度高。由于摩擦，軸頸表面產(chǎn)生高溫，達到150℃以上，導致機油粘度下降，承載能力下降。 （3）機油在長期高溫下被氧化變質(zhì)，形成有機酸，腐蝕金屬表面。 （4）有時形成干摩擦，使金屬表面熔化、粘合、撕裂。 （5）由于制造誤差和機械變形，造成邊緣負荷。 5.1.2 軸承材料選定 （1）材料要求 1）有很高的機構攻耐熱性。 2）有足夠的減摩性能，抗咬粘性、順應性、嵌藏性。 3）有較好的耐蝕性。 4）瓦背與減摩層有足夠的結合強度，不因剪切力和熱應力而分層。 （2）常用軸承材料 白合金（巴氏合金） 1) 錫基白合金 該合金含銅3%~5%，含銻7%~12%，其余是錫。錫的主要目的是提高硬度，加銅是為了防止錫偏析。錫基白合金具有優(yōu)異的減摩性能和嵌藏性，而且工藝性好；缺點是疲勞強度低和高溫硬度和強度明顯降低。 2）鉛基白合金 該合金含錫5.5%~6.5%，含銻5.5%~6.5%，其余是鉛。這種合金成本低，耐疲勞性、減摩性高，高溫硬度下降少；缺點是耐摩性稍差。主要用于負荷不太高的汽油機。 銅基合金 隨著發(fā)動機的不斷強化，對減摩材料疲勞強度要求大大提高。因此在中高速汽油機和車用汽油機上，高強度減摩合金的銅鉛合金軸瓦的鉛青銅合金軸瓦被大量采用。銅鉛合金中含鉛25%~35%，其余為銅；鉛青銅中含鉛5%~25%，含錫3%~10%，其余為銅?？紤]到銅和鉛的熔點和密度相關懸殊，在結晶過程中容易出現(xiàn)偏析，會使性能惡化，還可加入少量的其他元素如硫、鎳、銻等，以減輕以上現(xiàn)象。 鋁基合金 鋁基合金的基本成分為鋁、錫、銅。比較起來，鋁基合金的耐疲勞性、減摩性、耐蝕性最好，其中含錫6%的低錫鋁合金性能更好。銅鉛合金次之，白合金最差。鋁基合金軸承目前主要用于高速大功率、中速汽油機和車用汽油機上，有廣泛應用的趨勢；缺點是線膨脹系數(shù)較高。 （3）軸瓦的瓦背材料 汽油機的工作條件對瓦背所提出的要求如下： 1）瓦背與合金 層的粘結性能良好，即應該有足夠的粘結強度。 2）軸瓦與軸承座必須是過盈配合，因此瓦背應具有足夠的屈服強度。 5.1.3 軸瓦結構設計與主要尺寸的確定 （1）主軸瓦厚度t 已知主軸頸直徑=80 mm,由于薄壁軸瓦結構輕巧，制造精度高，互換性好，適于大量生產(chǎn)的特點，本次設計采用薄壁軸瓦。初步選取 主軸承厚度t：t/D=（0.02~0.05）D=2.2~5.5mm 取t=2.5mm； 主軸承內(nèi)徑d：d=60mm 外徑：=d+2t=65mm （2）軸承寬度B和油槽 1）寬度B 汽油機曲軸各軸承的寬度一般取決于發(fā)動機的總體布置。現(xiàn)代高速汽油機為了獲得緊湊的外形尺寸，總是盡量縮短氣缸中心距，以致主軸承的寬度與內(nèi)徑之比縮短到B/ d＝0.35~0.4,初步選取 B=（0.35~0.4）d=21~24 mm。 2）油槽 試驗證明，在其他條件不變的情況下，油膜壓力與軸承寬度的三次方成正比，所以當軸承面積相同時，開油槽軸承的承載能力僅為無油槽軸承的1/4。由于主軸承下軸瓦為主要承壓面，因此本次設計將油槽開在上軸瓦上。 5.2 曲軸扭轉(zhuǎn)減振器 在發(fā)動機工作過程中，連桿作用在曲軸上的力呈周期性變化。這樣就會使質(zhì)量較小的曲拐相對于質(zhì)量較大的飛輪有扭轉(zhuǎn)擺動(曲拐轉(zhuǎn)速較飛輪轉(zhuǎn)速忽快忽慢)，這就是曲軸的扭轉(zhuǎn)振動。當這種扭轉(zhuǎn)振動的自振率頻與連桿傳來的呈周期性變化的激振頻率成整數(shù)倍關系時，曲軸便會產(chǎn)生共振。這種現(xiàn)象既損失發(fā)動機的功率，也會破壞曲軸和裝在上面的驅(qū)動齒輪、鏈輪、鏈條等附件，嚴重時甚致將曲軸扭斷。為消除這種現(xiàn)象，曲軸前端裝有扭轉(zhuǎn)減振器，如圖2－56所示。 汽車發(fā)動機最常用的曲軸扭轉(zhuǎn)減振器是摩擦式扭轉(zhuǎn)減振器，其可分為橡膠式扭轉(zhuǎn)減振器及硅油式扭轉(zhuǎn)減振器兩類。 在橡膠摩擦式扭轉(zhuǎn)減振器中如圖2－57所示，轉(zhuǎn)動慣量較大的慣性盤5用一層橡膠墊和由薄鋼片沖壓制成的盤3相連。盤3和慣性盤5都同橡膠墊4硫化粘接。盤3的轂部用螺釘固定在裝于曲軸前端的風扇皮帶輪上。當曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動時，曲軸前端的角振幅最大，而且通過皮帶輪轂帶動圓盤3一起振動。慣性盤5則因轉(zhuǎn)動慣量較大而實際上相當于一個小型的飛輪，其轉(zhuǎn)動瞬時角速度也就比圓盤3均勻得多。這樣，慣性盤5就同盤3有了相對角振動，而使橡膠墊4產(chǎn)生正反方向交替變化的扭轉(zhuǎn)變形。這時由于橡膠墊變形而產(chǎn)生的橡膠內(nèi)部的分子摩擦，消耗扭轉(zhuǎn)振動能量，整個曲軸的扭轉(zhuǎn)振幅將減小，把曲軸共振轉(zhuǎn)速移向更高的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，從而避免在常用轉(zhuǎn)速內(nèi)出現(xiàn)共振。上海桑塔納轎車發(fā)動機的曲軸上采用了橡膠扭轉(zhuǎn)減振器。 橡膠減振器結構簡單，工作可靠，可選擇獲得最大減振效果的固有頻率．也可系列化。此外，還有干摩擦式扭轉(zhuǎn)減振器和粘液式減振器。扭振減振器常放在扭振振幅最大的曲軸自由端。為節(jié)省空間或傳動上的方便．很多小轎車汽油機上常利用皮帶輪作為減振體。在一些高級轎車汽油機上，還采用雙重減振器，它是在皮帶輪的外圓柱面和內(nèi)側端面分別用橡膠與一個扭振減振體和一個彎曲減振體硫化成整體。它可抑制曲軸的扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動。 本設計選用橡膠式扭轉(zhuǎn)減振器。 參考文獻 [1]汽油機科技叢書_高速汽油機概念設計與實踐_許道延_2003 [2]汽車發(fā)動機現(xiàn)代設計_徐兀_1995 [3]姜洪宇，黃春元．國內(nèi)外曲軸加工技術的現(xiàn)狀及發(fā)展.黑龍江科技信息，2008 [4]汽油機學_周龍保_2000 [5]邵立新，段立霞.汽油機曲軸結構設計的方法.農(nóng)機使用維修，2008 [6]陳家瑞．汽車構造．北京：機械工業(yè)出版社，1994：62-88 [7]閆蔭裳．幾何精度學．北京：機械工業(yè)出版社，1996：22-35 [8]姚建明．汽油機的一般設計方法．上海：上海汽油機研究所：325-362 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