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第一章 前 言
1.1柴油機(jī)曲軸設(shè)計(jì)的背景
柴油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及較高的熱效率等顯著優(yōu)點(diǎn), 在汽車節(jié)能等方面有較大的潛力。經(jīng)過(guò)多年的研究和新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代柴油機(jī)的現(xiàn)狀已與往日不可同日而語(yǔ)。隨著電控噴射、高壓共軌、渦輪增壓、中冷等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，柴油機(jī)在重量、噪音、煙度等方面已取得了重大的突破。我國(guó)小缸徑多缸增壓柴油機(jī)已取得了較快的發(fā)展，但整個(gè)市場(chǎng)的需求還在增長(zhǎng)。2000年，中國(guó)4缸以上、缸徑小于100mm的多缸機(jī)年產(chǎn)量約63.9W臺(tái)，主要用于農(nóng)用運(yùn)輸車、輕型車、面包車、輪式拖拉機(jī)、中小型工程機(jī)械、小型船舶主輔機(jī)等。由此可見(jiàn)，小缸徑多缸柴油機(jī)的市場(chǎng)前景還是很客觀的。
四缸柴油機(jī)主要應(yīng)用于中型輪式拖拉機(jī)、中型聯(lián)合收割機(jī)、中型工程機(jī)械、輕型汽車等的配套。隨著人們對(duì)柴油機(jī)認(rèn)識(shí)的逐步轉(zhuǎn)變，柴油機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。柴油機(jī)熱效率高，能量利用率高，節(jié)能等特點(diǎn)也得到認(rèn)可。柴油機(jī)的供油系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，柴油機(jī)的可靠性也比汽油機(jī)好。在相同的功率情況下，柴油機(jī)的低速扭矩性較好，功率大，完全符合農(nóng)用機(jī)械的使用要求。
隨著電噴、高壓共軌、增壓中冷等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，柴油機(jī)的燃燒不斷得到改善，在節(jié)能和有害物的排放方面的優(yōu)勢(shì)已逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。現(xiàn)代柴油機(jī)隨著強(qiáng)化程度的提高，柴油機(jī)單位功率的比重也明顯降低，輕量化、高速化、低油耗、低噪音和低排放成為現(xiàn)代柴油機(jī)的發(fā)展方向
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的全部功率都是通過(guò)它輸出的。而且曲軸是在不斷周期性變化的力、力矩（包括扭矩和彎矩）的共同作用下工作的，極易產(chǎn)生疲勞破壞。曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)中必須使曲軸有足夠的疲勞強(qiáng)度，以保證正常工作。
曲軸是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件。它可以是有若干個(gè)相互錯(cuò)開(kāi)一定角度的曲柄（或曲拐）加上功率輸出端和自由端構(gòu)成的。每個(gè)曲柄又是由主軸頸、曲柄銷及曲柄臂組成。曲軸的作用是把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將作用在活塞的氣體壓力變成扭矩，用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械和柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)各輔助系統(tǒng)進(jìn)行工作，曲軸在工作時(shí)承受著不斷變化的力，慣性力和它們的力矩作用，受力情況十分復(fù)雜。其精度要求非常高，它的加工質(zhì)量對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作性能，對(duì)裝配勞動(dòng)量都有很大影響。因此，各要素的尺寸精度，位置精度和表面質(zhì)量要求相當(dāng)高。曲軸中幾個(gè)主要加工表面，連桿表面，軸承軸頸及錐面鍵槽的精度要求都較高，連桿軸頸需經(jīng)過(guò)拋光。所以研究曲軸加工工藝對(duì)曲軸的生產(chǎn)具有一定的實(shí)際意義。
此設(shè)計(jì)的題目是曲軸飛輪組。曲軸是內(nèi)燃機(jī)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內(nèi)燃機(jī)的整體尺寸和重量，內(nèi)燃機(jī)的可靠性和壽命也在很大程度上取決于曲軸的強(qiáng)度。因此，設(shè)計(jì)新型內(nèi)燃機(jī)或老產(chǎn)品進(jìn)行改造時(shí)必須對(duì)曲軸強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格的安全校核。近年來(lái)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和可靠性要求援不斷提高，曲軸的工作條件越來(lái)越不好，曲軸的強(qiáng)度問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。對(duì)曲軸強(qiáng)調(diào)確定的方法有兩種：試驗(yàn)研究和分析計(jì)算。此外，曲軸的平衡也是曲軸設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要問(wèn)題，既要滿足平衡又要減小平衡重質(zhì)量。
飛輪主要有以下作用：1、儲(chǔ)存動(dòng)能，使曲軸轉(zhuǎn)速均勻；2、驅(qū)動(dòng)輔助裝置；3、正時(shí)調(diào)整角度用。飛輪的設(shè)計(jì)原則是，質(zhì)量盡可能小的前提下具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而輪緣常做的寬厚。在進(jìn)行曲軸飛輪組設(shè)計(jì)時(shí)曲軸的強(qiáng)度、平衡、飛輪的平衡都是需要注意的問(wèn)題，其中曲軸的強(qiáng)度是較困難的，需發(fā)在低成本的情況下，用普通材料合理進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝，使曲軸滿足強(qiáng)度要求。曲軸飛輪組是發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的保證，對(duì)其進(jìn)行研究，進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)，可以滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。
1.2國(guó)內(nèi)外同類設(shè)計(jì)的概況綜述
近些年來(lái)，我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)行業(yè)得到較大的發(fā)展，總量已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，無(wú)論是設(shè)計(jì)水平，還是產(chǎn)品種類、質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)方式都有很大的發(fā)展。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，是發(fā)動(dòng)機(jī)五大件中最難以保證加工質(zhì)量的零件之一。由于曲軸工作條件惡劣，因此，對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等，要求都十分嚴(yán)格。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視曲軸生產(chǎn)，不斷改進(jìn)其材質(zhì)及加工工藝，以提高其性能水平，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的需要。近幾年來(lái)，我國(guó)不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，加以研究改進(jìn)，使得國(guó)內(nèi)曲軸加工技術(shù)發(fā)展十分迅速。隨著改進(jìn)后的加工工藝的逐漸應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的曲軸加工水平正逐步提高。
曲軸是柴油機(jī)中關(guān)鍵零件之一，其材質(zhì)大體分為兩類：一是鋼鍛曲軸，二是球墨鑄鐵曲軸。由于采用鑄造方法可獲得較為理想的結(jié)構(gòu)形狀，從而減輕質(zhì)量，且機(jī)加工余量隨鑄造工藝水平的提高而減小。球鐵的切削性能良好，并和鋼制曲軸一樣可以進(jìn)行各種熱處理和表面強(qiáng)化處理，來(lái)提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度和耐磨性。而且球鐵中的內(nèi)摩擦所耗功比剛大，減小了工作時(shí)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅和應(yīng)力，應(yīng)力集中也沒(méi)有鋼制曲軸的敏感。所以球磨鑄鐵曲軸在國(guó)內(nèi)外得到廣泛采用。
從目前整體水平來(lái)看，毛坯的鑄造工藝存在生產(chǎn)效率低，工藝裝備落后，毛坯機(jī)械性能還不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問(wèn)題。從熔煉、球化處理、孕育處理、合金化、造型工藝、澆注冷卻工藝等工藝環(huán)節(jié)采取措施對(duì)提高曲軸質(zhì)量具有普遍意義。
目前，國(guó)內(nèi)大部分專業(yè)廠家普遍采用普通機(jī)床和專用組合機(jī)床組成的流水線生產(chǎn)，生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程序較低。而國(guó)外廣泛采用數(shù)控技術(shù)和全自動(dòng)控制生產(chǎn)線，具有較高的靈活性和適應(yīng)性，使曲軸的加工精度、效率、整體質(zhì)量顯著提高。
球鐵曲軸具有諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外廣泛采用。但整體水平與國(guó)外還有相當(dāng)差距，近年來(lái)，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)曲軸專業(yè)生產(chǎn)廠家通過(guò)引進(jìn)技術(shù)消化吸收和自行開(kāi)發(fā)，總體水平有了較大的提高，但是我國(guó)距世界先進(jìn)水平仍相差很遠(yuǎn)，甚至于還滿足不了我國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)技術(shù)發(fā)展的要求。我國(guó)曲軸專業(yè)生產(chǎn)廠家不是很多，且整體規(guī)模小、專業(yè)化程度低、企業(yè)設(shè)備陳舊、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝落后、性能壽命和可靠性差、品種雜亂和“三化”程度低，這些都影響了整機(jī)適應(yīng)國(guó)內(nèi)及國(guó)際市場(chǎng)的能力。內(nèi)燃機(jī)零部件行業(yè)將面臨更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，也將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。我們只有充分了解國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)曲軸技術(shù)水平，才能制造出具有世界一流水平的內(nèi)燃機(jī)曲軸，以實(shí)力參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
第二章 總體設(shè)計(jì)方案
2.1內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)要求
內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，它的許多零件是在經(jīng)受高溫，高應(yīng)力和劇烈磨擦的苛刻條件下工作的。這就使設(shè)計(jì)人員必須掌握相當(dāng)寬廣的有關(guān)理論與技術(shù)知識(shí)才能正確的進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的目的是為了應(yīng)用于實(shí)際，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定設(shè)計(jì)的目的和要求。
1．功率和轉(zhuǎn)速
作為動(dòng)力機(jī)械，使用者對(duì)內(nèi)燃機(jī)第一位的要求是應(yīng)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(lái)確定的，它在設(shè)計(jì)中一般會(huì)給出，要求設(shè)計(jì)者能夠按要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
2．內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性
內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性包括：內(nèi)燃機(jī)的使用價(jià)值應(yīng)該盡量大，而為使用內(nèi)燃機(jī)所必須付出的代價(jià)應(yīng)盡量小。這是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該爭(zhēng)取的重要目標(biāo)之一。
3.高的工作可靠性和足夠的使用壽命
現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)壽命指標(biāo)較先進(jìn)的的大致為：運(yùn)輸用汽車內(nèi)燃機(jī) 30-60萬(wàn)公里；拖拉機(jī)及農(nóng)用內(nèi)燃機(jī)6000-10000小時(shí)；工程機(jī)械用內(nèi)燃機(jī)10000-28000小時(shí)。
4．內(nèi)燃機(jī)外廓尺寸的緊湊和質(zhì)量
在許多動(dòng)力裝置中，為了能有更多的有用空間，希望內(nèi)燃機(jī)本身占用的空間縮至最小，即要求內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)緊湊，空間占用小，內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量就小，質(zhì)量小是我們追求的目標(biāo)。質(zhì)量小在某種程度上表明所耗用的金屬質(zhì)量少。
5．內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的三化問(wèn)題
所謂三化，指產(chǎn)品系列化，零部件的通用化和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。
6．內(nèi)燃機(jī)的可靠性及其它
工作可靠是內(nèi)燃機(jī)應(yīng)該具有的起碼性能，否則其它性能將無(wú)從談起。
2.2內(nèi)燃機(jī)的主要參數(shù)
一、氣缸數(shù)與缸徑
壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)，由于燃燒過(guò)程的特點(diǎn)，汽缸直徑不能過(guò)小，一般以不小于85mm為宜。內(nèi)燃機(jī)的缸徑應(yīng)符合系列型譜的規(guī)定，其尾數(shù)應(yīng)該取整數(shù)，優(yōu)先選用0和5。
二、活塞平均速度
活塞平均速度Cm表征柴油機(jī)高速性和強(qiáng)化程度的一項(xiàng)主要指標(biāo)，對(duì)柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)和主要零件結(jié)構(gòu)形式影響很大?；钊骄俣扔?jì)算公式：。在功率給定以后，若平均有效壓力、活塞行程的缸數(shù)維持不變，提高活塞平均速度可使氣缸直徑減小，柴油機(jī)體積小、重量輕。但是提高活塞平均速度受到以下列因素的限制：
1）提高活塞平均速度后，使運(yùn)動(dòng)件的慣性力增大，同時(shí)活塞，缸套和氣缸蓋的熱負(fù)荷也相應(yīng)增加。
2）提高活塞平均速度使柴油機(jī)零件的磨損加快，縮短了柴油機(jī)大修期。
3）活塞平均速度的提高，使摩擦功率損失增加，機(jī)械效率降低，燃油消耗率升高。
4）進(jìn)排氣阻力隨活塞平均速度的提高而增加，使充氣效率降低。隨著活塞平均速度的提高，柴油機(jī)的平衡、振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題突出出來(lái)。一般柴油機(jī)總哭聲強(qiáng)度約與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。
三、平均有效壓力
平均有效壓力是表征柴油機(jī)強(qiáng)化程度的重要指標(biāo)之一,可由下式求得：
式中為平均有效壓力。
為有效功（曲軸輸出端的）
為氣缸工作容積（活塞排量）
為平均指示壓力
為機(jī)械效率
提高值可使功率增加比重量下降。然而機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷也隨之提高，影響柴油機(jī)的可靠性和壽命。同時(shí)，對(duì)排氣的有害成分、噪聲、振動(dòng)等都有不利影響。提高充氣系數(shù)，改善工作過(guò)程，減少機(jī)械損失與熱損失，是提高值的主要措施，但是非增壓柴油機(jī)值的提高是有限的。最有效的措施是采用增壓或增壓加中冷系統(tǒng)。在選定柴油機(jī)的的值時(shí)一定要慎重。在進(jìn)行設(shè)計(jì)是，它應(yīng)根據(jù)同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)初步選定。
四、行程及其與缸徑的比值
行程與缸徑比S/D是對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和性能有重大影響的參數(shù)，在氣缸直徑和活塞平均速度確定之后，就可以合理的選擇S/D。并考慮以下因素：
1）選用較小的S/D，可減小柴油機(jī)的高度寬度和質(zhì)量。
2）小的S/D可以縮小行程S，加大曲軸的連桿軸頸和主軸頸重疊度，提高曲軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，以及疲勞強(qiáng)度。
3）當(dāng)S/D減小時(shí),柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速可增加,提高了柴油機(jī)的升功率,但增加了運(yùn)動(dòng)件的慣性力和柴油機(jī)的噪聲。
4) S/D比值過(guò)小，特別是直噴式燃燒室的柴油機(jī)，為保持一定的壓縮比ε以及燃燒室容積與壓縮容積之比值（Vh/Va）,必將使活塞與氣缸蓋之間需要更小的間隙，這就增加制造上的困難如間隙不能保證，將使發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)難以達(dá)到。
5）選擇風(fēng)冷柴油機(jī)的S/D時(shí)，應(yīng)考慮缸套的散熱睡布置。
五、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，是表征柴油機(jī)長(zhǎng)度的緊湊性和重量指標(biāo)的重要參數(shù)，它與柴油機(jī)的強(qiáng)化程度、氣缸排列和機(jī)體的剛度有關(guān)。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(fēng)冷、以曲軸的結(jié)構(gòu)型式和尺寸分配。
六、壓縮比
壓縮比直接影響柴油機(jī)的性能、機(jī)械負(fù)荷、超支性能，以及主要零件的結(jié)構(gòu)尺寸。在一定范圍內(nèi)，柴油機(jī)的熱效率隨壓縮比的增加而提高。增大壓縮比也可使柴油機(jī)的起動(dòng)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(yīng)上升，機(jī)械負(fù)荷增加對(duì)柴油機(jī)使用壽命有影響。
2.3內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)方法和在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題
內(nèi)燃機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置緊湊的機(jī)器。它有許多零件組成，各個(gè)零件之間不但必須以一定的配合關(guān)系聯(lián)系成一個(gè)整體，而且必須在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中互不干涉。因此，在設(shè)計(jì)每一個(gè)零件時(shí)，必須把它看作是整個(gè)內(nèi)燃機(jī)的一部分。并注意該零件與其它零件之間的關(guān)系?？紤]到這一特點(diǎn)，通常內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)設(shè)計(jì)要按一定的程序進(jìn)行，即先從內(nèi)燃機(jī)的全局出發(fā)確定出各個(gè)局部結(jié)構(gòu)的輪廓尺寸，再根據(jù)給定的輪廓尺寸設(shè)計(jì)各零部件的細(xì)節(jié)，然后再將各個(gè)局部匯合在一起，從總體結(jié)構(gòu)上審查各個(gè)局部的設(shè)計(jì)是否正確。通常這個(gè)設(shè)計(jì)程序分三個(gè)階段：草圖設(shè)計(jì)、工作圖設(shè)計(jì)和繪制裝配圖。
在設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)的過(guò)程中需要確定出主要零件的結(jié)構(gòu)，尺寸和材料。在這里考慮問(wèn)題的主要出發(fā)點(diǎn)是保證由這些零件組成的內(nèi)燃機(jī)能夠有效的實(shí)現(xiàn)將燃料中的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械功的過(guò)程。這就必須使零件的結(jié)構(gòu)，尺寸和所用材料適應(yīng)工作過(guò)程的需要。除此之外，還要考慮另一方面的問(wèn)題，這就是：
1．受力問(wèn)題
零件在工作過(guò)程中要承受機(jī)械負(fù)荷的作用，在力的作用下零件將產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和變形。機(jī)械應(yīng)力超過(guò)一定的限度時(shí)零件將發(fā)生斷裂性的破壞，變形超過(guò)一定的限度時(shí)零件之間的相互配合關(guān)系將被破壞。所有這些都使零件失去工作能力。因此，在設(shè)計(jì)每一個(gè)零件時(shí)都要充分了解該零件在工作過(guò)程中所受力的大小和力的作用情況。在本次設(shè)計(jì)中，充分的考慮了這個(gè)問(wèn)題，在必要時(shí)進(jìn)行了力的校核計(jì)算。
2．磨損問(wèn)題
內(nèi)燃機(jī)的許多零件在力的作用下相互摩擦運(yùn)動(dòng)，如活塞與汽缸壁，軸頸與軸承等。本次設(shè)計(jì)中比較注意零件的磨損問(wèn)題，對(duì)受到磨損的部位注意正確地供給潤(rùn)滑油和采取其它措施來(lái)延長(zhǎng)零件的使用壽命。
3．熱負(fù)荷問(wèn)題
內(nèi)燃機(jī)的許多零件，如活塞，汽缸和汽缸蓋等在工作中要與高溫氣體相接觸，在此情況下零件被破壞。本次設(shè)計(jì)為水冷柴油機(jī)，在必要處都布置有冷卻水道或利用潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻散熱。
上面這三個(gè)問(wèn)題是在內(nèi)燃機(jī)的過(guò)程中經(jīng)常遇到并必須注意解決的問(wèn)題,總括起來(lái)說(shuō)就是：零件必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以便能夠隨力的作用必須注意減小零件的磨損和提高耐磨性，以便延長(zhǎng)零件的使用壽命；必須注意零件的熱強(qiáng)度、熱變形與熱應(yīng)力的問(wèn)題以便使零件能夠在高溫條件下可靠工作。
第三章 曲軸零件的設(shè)計(jì)
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的機(jī)件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)其它零件的嚴(yán)重?fù)p壞，在發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)中，曲軸的改進(jìn)也占有重要地位。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與強(qiáng)化，使曲軸的工作條件愈加苛刻，因此，曲軸的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題就變的更加嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)必須正確的選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、材料與工藝，以求獲得最經(jīng)濟(jì)最合理的效果。
3.1柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
1. 初始條件
額定功率：P＝60KW
平均有效壓力：
活塞平均速度：m＜18 m∕s
2. 發(fā)動(dòng)機(jī)類型
依據(jù)題意沖程數(shù)選擇為直列式四沖程，即τ=4
3. 基本參數(shù)
1） 行程缸徑比S∕D的選擇
根據(jù)參考文獻(xiàn)【內(nèi)燃機(jī)學(xué)】得相應(yīng)柴油機(jī)的行程缸徑比在1.0至1.3之間。初步選擇行程缸徑比為1.1，即S/D=1.1。同時(shí)初選平均有效壓力。
2） 氣缸工作容積，缸徑D的選擇
根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)的基本計(jì)算公式：
其中 ——為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，依題為60kw
——為發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力，依題為0.9Mpa
——為汽缸的工作容積，=1.0L
——為發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)目，依題為4
——為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
——為活塞的平均速度，依題為 18m/s
——為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的行程
——為發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸直徑
——為發(fā)動(dòng)機(jī)的行程數(shù)，依題為4
根據(jù)參考文獻(xiàn)【內(nèi)燃機(jī)學(xué)】參照我國(guó)近年生產(chǎn)的部分內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)表得非增壓4缸四沖程柴油機(jī)的升功率一般為15至25之間，同時(shí)為了便于設(shè)計(jì)過(guò)程的進(jìn)行，初步確定單缸氣缸工作容積為1L。由，以及S/D=1.1，可得D=105mm，所以S=1.1，D=115.5mm。再根據(jù)以上的條件代入以上公式得：
D=105mm ，S=115.5mm，=7.7m∕s，=0.9MPa，n=2000 r/min
由于=7.7m∕s介于6-9之間，則按分類得該柴油機(jī)為中速柴油機(jī)。由單位活塞面積功率得PF=0.231Kw/cm2>0.2Kw/cm2，所以需要向活塞內(nèi)壁噴油冷卻，一般通過(guò)固定在機(jī)體內(nèi)壁上的噴嘴噴機(jī)油。
3.2熱力學(xué)計(jì)算
通常根據(jù)內(nèi)燃機(jī)所用的燃料，混合氣形成方式，缸內(nèi)燃燒過(guò)程（加熱方式）等特點(diǎn)，把活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)分為三類，即混合加熱循環(huán)理想循環(huán)（薩巴德循環(huán)）、定壓加熱理想循環(huán)（狄賽爾循環(huán)）、定容加熱理想循環(huán)（奧托循環(huán)）。柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)近似看成混合加熱循環(huán)理想循環(huán)。柴油機(jī)的工作過(guò)程包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)過(guò)程。在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，先確定熱力循環(huán)基本參數(shù)然后重點(diǎn)針對(duì)壓縮和膨脹過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，繪制P-V圖并校核。為建立內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)，需對(duì)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)中大量存在的湍流耗散以及溫度壓力分布不均勻等一系列不可逆損失作必要地簡(jiǎn)化和假設(shè)，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：
假設(shè)工質(zhì)是理想氣體，其物理常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物理常數(shù)相同。忽略發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過(guò)程，將實(shí)際的開(kāi)口循環(huán)簡(jiǎn)化為閉口循環(huán)。
假設(shè)工質(zhì)的壓縮及膨脹是可逆變過(guò)程。
假設(shè)燃燒過(guò)程為等容、等壓、混合加熱過(guò)程，工質(zhì)放熱為定容放熱。
3.2.1熱力循環(huán)基本參數(shù)的確定
根據(jù)參考文獻(xiàn)【內(nèi)燃機(jī)原理】非增壓活塞冷卻柴油機(jī)
壓縮過(guò)程絕熱指數(shù)=1.35～1.40，初步取=1.37；
膨脹過(guò)程絕熱指數(shù)=1.25～1.30，初步取=1.30；
根據(jù)參考文獻(xiàn)【內(nèi)燃機(jī)原理】非增壓中速柴油機(jī)壓縮比=14～15，初取幾何壓縮比=14；有效壓縮比=12.8。
根據(jù)參考文獻(xiàn)【發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)】取λ=1.4；
確定其他參數(shù)如下：環(huán)境壓力Po=0.1013Mpa;環(huán)境溫度To=293K；燃燒過(guò)量空氣系數(shù)α=1.27；殘余廢氣系數(shù)γ=0.04; 殘余廢氣溫度Tr=650K；壓縮始點(diǎn)壓力Pa=0.95Po=0.096235Mpa;最大燃燒壓力Pz=4.43Mpa;Z點(diǎn)熱利用率系數(shù)ξz=0.7；B點(diǎn)熱利用率系數(shù)ξb=0.85；燃燒室掃氣系數(shù)φs=1.05；燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)C=0.87，H=0.126，O=0.004；燃料低熱值Hu=42286.68KJ/Kg。
3.2.2各過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算
根據(jù)參考文獻(xiàn)【內(nèi)燃機(jī)原理】P66頁(yè)例題，對(duì)各參數(shù)作如下計(jì)算：
（1）壓縮始點(diǎn)溫度
；
（2）壓縮始點(diǎn)壓力 Pa=0.95*Po=0.096235Mpa；
（3）充氣系數(shù) ；
（4）平均多變壓縮指數(shù) 由上述得n1=1.37；
（5）壓縮終點(diǎn)溫度
；
（6）壓縮終點(diǎn)壓力
（7）燃料燃燒所需理論空氣量Lo=0.495 kmol（空氣）/kg（燃料）；
（8）燃料燃燒所需實(shí)際空氣量L=αLo =1.27Lo=0.62865kmol（空氣）/kg（燃料）；
（9） 理論分子變化系數(shù)βo=1+0.0639/α= 1.05457；
（10）實(shí)際分子變化系數(shù)得β=1.0524；
（11）z點(diǎn)燒去的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)；
（12）z點(diǎn)處分子變化系數(shù)=1.0432；
(13) z 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容
；
（14）b點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容
；
（15）z 點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定壓熱容
；
（16）燃料發(fā)熱量
；
（17）壓力升高比 ；
（18）cyz段的燃料燃燒公式，求最大燃燒溫度Tz：
聯(lián)立求解得：Tz=2047K；
(19)初膨脹比 ；
（20）后膨脹比 ；
（21）多變膨脹指數(shù)由上述得n2=1.30；
（22）膨脹終點(diǎn)溫度：
；
（23）膨脹終點(diǎn)壓力：；
（24）理論平均指示壓力（以有效行程為準(zhǔn)）
=1.2928Mpa；
（25）實(shí)際平均指示壓力（以全行程為準(zhǔn)）
（26）指示油耗 ；
指示效率 ；
（27）柴油機(jī)總機(jī)械效率 ；
柴油機(jī)平均有效壓力
；
柴油機(jī)的有效油耗 ；
柴油機(jī)有效效率
；
（28）柴油機(jī)氣缸基本尺寸圓整：D=105mm S=116mm S/D=1.105 =7.733m/s.
3.2.3 P-V圖的繪制
通常情況下，壓縮始點(diǎn)的壓強(qiáng)在=（0.8～0.9）Po（Po為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ担?，假定外界Po=0.1013Mpa，選定=0.096235MPa，將壓縮過(guò)程近似看作可逆多變過(guò)程，由上一步，并利用PVn=const，利用前面計(jì)算所得單缸容積，可以在excel中繪出壓縮過(guò)程線。混合氣體在氣缸中壓縮后，先經(jīng)等容加熱，利用值可得最大爆發(fā)壓力值，然后進(jìn)行等壓加熱，利用初期膨脹比可以確定該過(guò)程的終點(diǎn)氣缸工作容積。膨脹過(guò)程類似于壓縮過(guò)程，n2由上一步取得1.30，繪出膨脹線。最后連接膨脹終點(diǎn)和壓縮始點(diǎn)。得出理論的P-V圖。
PaVa1.37=PcVc1.37, Pa=0.096235MPa, Va=1.06666L, Vc= Va∕(-1)=0.06666L,得Pc=4.2957MPa; Pz=λ* Pc=6.014MPa, = Pz=6.014MPa，=Vz*ρ=0.12941L ,1.3=PbVb1.3，Pb=0.3875MPa。
繪圖采用描點(diǎn)繪圖法，以壓縮過(guò)程為例。壓縮線上的點(diǎn)滿足，，所以，以為變量,取值范圍為V c-V a (0.06666L-1.06666L),最后以V為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的P為縱坐標(biāo)，繪制曲線，其他曲線的繪制可以類似繪制，相關(guān)數(shù)據(jù)記錄于附表1中圖形如下：
3.2.4 P-V圖的調(diào)整
實(shí)際的P-V圖和利用多變過(guò)程狀態(tài)方程繪制的P-V圖還存在一些差別，在發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了使其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。采取了點(diǎn)火提前，排氣提前。從《內(nèi)燃機(jī)》、《汽車構(gòu)造》中可知主要是點(diǎn)火提前角和配氣相位的原因。對(duì)上圖作以下調(diào)整：
點(diǎn)火提前角：常使用的范圍是（10～15°），考慮實(shí)際過(guò)程與理論過(guò)程的差異，實(shí)際過(guò)程中的最大爆 發(fā)壓力達(dá)不到理論值。還有就是最大爆發(fā)壓力不發(fā)生在上止點(diǎn)，而應(yīng)該在上止點(diǎn)之后 10°～15°，取在上止點(diǎn)后 12°。綜合考慮以上因素后，將上面的P-V作
調(diào)整后的P-V圖如下：
3.2.5有效功及有效壓力的求解
由熱力學(xué)計(jì)算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖，其圍成的面積表示的是汽油機(jī)所做的指示功數(shù)值由對(duì)示功圖積分后求得的面積來(lái)表示：
其中：Pz=6.014Mpa； Pa=0.096235Mpa；Pb=0.38145Mpa；
Vz’=0.12941L； Vz=0.06666L； Vb= Va =1.06666L；
將上述數(shù)值代入得：
=1.21641+0.387376-0.4968486=1.1073Kw；
所以，’=Wi*ηm/Vs=1.1073*0.8/1.0=0.88584Mpa；其中ηm——為汽油機(jī)的機(jī)械效率，；ηm=0.85,則誤差為(-’)/ *100%=1.6% 同時(shí)得Pe’=59.1KW.
與前面計(jì)算的結(jié)果大致一樣，在±2%以內(nèi)，故上面選取的參數(shù)和以后的相關(guān)計(jì)算在滿足制造的同時(shí)能夠前后一致。
3.2.6 P-V圖向Pg-a圖的轉(zhuǎn)化
V=Vr+Vx,其中Vr為燃燒室容積，Vx為氣缸容積，Vx=。知道活塞位移x和曲軸轉(zhuǎn)角α的關(guān)系（見(jiàn)下面對(duì)應(yīng)內(nèi)容），則可以在 EXCEL 表格中，求取出相應(yīng)轉(zhuǎn)角α?xí)r對(duì)應(yīng)的氣缸容積 V。由 2.3 和 2.4 的內(nèi) 容，綜合應(yīng)用，每隔 5°求（p，V）。做出pg-α圖如圖3所示，數(shù)據(jù)記錄于附表2中。
第四章 曲軸零件的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.1曲軸的工作條件，結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇
4.1.1曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求
曲軸是在不斷周期性的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩（扭轉(zhuǎn)和彎曲）共同作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于各種曲軸，彎曲載荷具有決定性意義，而扭轉(zhuǎn)載荷僅占次要地位，曲軸破壞統(tǒng)計(jì)表明，80％左右是由彎曲疲勞產(chǎn)生的。因此，曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的重點(diǎn)是彎曲疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，應(yīng)保證它有盡可能高的彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度。要使它具有足夠的疲勞強(qiáng)度，特別要注意強(qiáng)化應(yīng)立集中部位，設(shè)法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象，也就是采用局部強(qiáng)化的方法來(lái)解決曲軸強(qiáng)度不足的矛盾。
曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對(duì)速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。這些軸承在實(shí)際變工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體摩擦，尤其當(dāng)潤(rùn)滑不潔凈時(shí)，軸頸表面遭到強(qiáng)烈的磨料磨損，使得曲軸的實(shí)際使用壽命大大降低。所以設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，要使其各摩擦表面耐磨，各軸頸應(yīng)具有足夠的承壓面積同時(shí)給于盡可能好的工作條件。
4.1.2曲軸的結(jié)構(gòu)形式
曲軸從整體結(jié)構(gòu)上看可以分為整體式和組合式，隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄造和鍛造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)幾乎全部都用整體式曲軸。從支承方式看，曲軸有全支承結(jié)構(gòu)和浮動(dòng)支承結(jié)構(gòu)，為了提高曲軸的彎曲強(qiáng)度和剛度，現(xiàn)代多缸內(nèi)燃機(jī)的曲軸都采用全支承結(jié)構(gòu)。
4.1.3曲軸的材料
曲軸的材料應(yīng)具有較高的疲勞強(qiáng)度、必要的硬度以及較好的淬透性。曲軸常用材料根據(jù)其毛坯制造方法的不同可以分為兩類：鍛造曲軸材料和鑄造曲軸材料。本次課程設(shè)計(jì)中選用鑄造曲軸材料。曲軸材料一般使用45，40Cr，35Mn2等中碳鋼和中碳合金鋼以及球墨鑄鐵QT60-2、可鍛鑄鐵KTZ70-2、合金鑄鐵及鑄通ZG35等。鋼制曲軸采用鑄造很少，絕大多數(shù)是鍛造的。本次設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率僅為15kW/L,故強(qiáng)化度不高。軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，最后進(jìn)行精加工。目前球磨鑄鐵由于性能優(yōu)良，加工方便，價(jià)格便宜廣泛的用于曲軸材料。本設(shè)計(jì)采用QT800.
4.2曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
4.2.1主要尺寸
綜合以上考慮，確定主要尺寸如下：
主軸頸直徑：D1=（0.65-0.80）D=70mm 長(zhǎng)度：L1=（0.4-0.45）D=42mm
曲柄銷直徑：D2=（0.55-0.7）D=60mm 長(zhǎng)度：L2=（0.35-0.45）D=38mm
曲柄臂厚度：h=（0.2-0.3）D=23mm 寬度 b=（1.0-1.3）D=118mm
根據(jù)主軸頸長(zhǎng)度和曲柄銷長(zhǎng)度以及曲柄臂的厚度，確定缸心距L=2h+L1+L2=126mm
4.2.2一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
1. 油道布置
在確定主軸頸上油道入口和曲柄銷上油道出口的位置時(shí)，既要考慮到有利于供油又要考慮到油孔對(duì)軸頸強(qiáng)度的影響最小。一般油孔只要安排在曲拐平面旋轉(zhuǎn)前40°～90°的低負(fù)荷區(qū)都是合理的，油道不能離軸頸過(guò)渡圓角太近。油孔直徑一般不大于0.1d，但最小不得小于5mm。孔口不應(yīng)有尖角銳邊，而應(yīng)有不小于0.04 d的圓角以減緩應(yīng)力集中。
2. 曲軸兩端的結(jié)構(gòu)
曲軸前端一般裝有扭轉(zhuǎn)減震器，發(fā)動(dòng)機(jī)的各種輔助裝置如機(jī)油泵，冷卻水泵等，由安裝在前端的齒輪或皮帶輪驅(qū)動(dòng)，配氣正時(shí)齒輪也安裝在曲軸前端。
曲軸末端裝有飛輪，用于輸出總轉(zhuǎn)矩，因此末端要做的粗一些。
3. 曲軸的止推
為了防止曲軸產(chǎn)生軸向位移，在曲軸機(jī)體之間需要設(shè)置一個(gè)止推軸承，承受斜齒輪的軸向分力和踩離合器產(chǎn)生的軸向推力。一般將止推軸承設(shè)置在中央軸承的兩側(cè)或后主軸承的兩側(cè)。止推軸承間隙多為0.05-0.2mm。
4. 過(guò)渡圓角
主軸頸到曲柄臂的國(guó)度圓角半徑R對(duì)于曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度影響很大，增加圓角對(duì)于提高曲軸疲勞強(qiáng)度非常有利，但對(duì)于表面耐磨性有不利影響，在保證耐磨條件下取最大圓角。一般R不應(yīng)小于2mm，否則無(wú)法加工。
第五章 曲軸強(qiáng)度的校核
5.1靜強(qiáng)度計(jì)算
由前面動(dòng)力學(xué)計(jì)算得強(qiáng)度校核要用到的基本數(shù)據(jù)如下：
徑向力=Plcos(α+β)=P ，由上述的圖及相關(guān)數(shù)據(jù)得：
切向力=Pl sin(α+β)=P ，由上述圖及相關(guān)數(shù)據(jù)得：
主軸頸中心到曲柄銷中心的距離La=（42+38）/2+23=63mm
主軸頸中心到曲柄臂中心的距離Lb=(42+23)/2=32.5mm
主軸頸的徑向反力=-1*
主軸頸的切向反力=-1.657142857Pt/2 ，
5.1.1連桿軸頸的計(jì)算
在曲拐平面內(nèi)的彎曲應(yīng)力
其中W為抗彎截面模量，對(duì)圓截面而言有W=d/32= 2.12058*0.00001m3.
在垂直于曲拐平面的彎曲應(yīng)力
(3) 彎曲總應(yīng)力
(4)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
其中Wp為抗彎截面模量，對(duì)圓截面而言有W=d/16=0.0000424115m3.
(5)彎扭總應(yīng)力
小于該材料所許可的最大應(yīng)力[]＝800MPa，所以在允許范圍內(nèi)。
5.1.2 曲柄臂計(jì)算
壓縮應(yīng)力：
彎曲應(yīng)力：
曲拐平面：
其中Wx為抗彎截面模量，對(duì)矩形截面而言有W=h*b2/6=0.0000698625m3.
垂直曲拐平面：
其中Wy為抗彎截面模量，對(duì)矩形截面而言有W=b*h2/6=0.000071415m3.
（3）扭矩Mk引起的彎曲應(yīng)力
其中Wy為抗彎截面模量，對(duì)矩形截面而言有W=b*h2/6=0.000071415m3.
（4）扭矩易引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
(5)
小于該材料所許可的最大應(yīng)力[σ]＝800MPa，所以在允許范圍內(nèi)。
5.2曲軸疲勞強(qiáng)度校核
由于曲軸工作時(shí)承受交變載荷，它的破壞往往都由疲勞產(chǎn)生。因此，對(duì)內(nèi)燃機(jī)各種曲軸均須進(jìn)行疲勞校驗(yàn)。曲柄的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算的目的是曲軸不但在運(yùn)轉(zhuǎn)中安全可靠，而且能充分利用材料的疲勞強(qiáng)度。為此，要求能夠較精確的確定曲軸的疲勞強(qiáng)度和曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)際應(yīng)力。＝738.75761Nm ；＝0；
5.2.1主軸頸的計(jì)算
其中＝0.7，＝0.9*0.74=0.66，＝280N/mm2，
（2）扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度
扭轉(zhuǎn)系數(shù)nT
5.2.2 曲柄臂計(jì)算
（1） 彎曲應(yīng)力：
(2) 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
大于極限安全系數(shù)[n]＝（2.5-3.0），曲軸機(jī)構(gòu)強(qiáng)度是安全的。
第六章 結(jié) 論
本次設(shè)計(jì)是一次綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)，練習(xí)到了我在大學(xué)四年里所學(xué)的所有課程，使我對(duì)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我明確了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的的設(shè)計(jì)過(guò)程，加深了我對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解，鍛煉了自己制圖和識(shí)圖的能力，特別是鍛煉了自己用計(jì)算機(jī)繪圖的能力，培養(yǎng)了自己和同學(xué)間協(xié)作的精神，這是自己走向工作崗位前的一筆寶貴的財(cái)富。
本次課程設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師范錢旺老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，老師的諄諄教導(dǎo)使我受益匪淺。范老師淵博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范，誨人不倦的育人態(tài)度，令我難以忘懷。謹(jǐn)此向范老師表示衷心感謝！
此外，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，得到了各位同學(xué)熱心的幫助，積極討論，共同研究，順利地完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。
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