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1、1 緒論 1.1 選題背景及意義 1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組的研究現(xiàn)狀 1.3 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和目標(biāo) 2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組概述 2.1 曲軸 2.2 扭轉(zhuǎn)減震器 2.3 飛輪 3 汽車動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組的設(shè)計(jì) 3.1 汽車動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組總體設(shè)計(jì)方案的確定 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (1) 曲軸的概述 (2) 曲軸的設(shè)計(jì)步驟 (3) 曲軸的結(jié)構(gòu)型式及其選擇 (4) 曲軸材料選擇及毛坯制造 3.2.2 曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) (1) 主要尺寸 (2) 一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 3.2.3 曲軸強(qiáng)度的校核 (1)靜強(qiáng)度計(jì)算 (2)連桿軸頸的計(jì)算

2、 (3)曲柄臂的計(jì)算 3.2.4 曲軸疲勞強(qiáng)度校核 (1)主軸頸的計(jì)算 (2)曲柄臂的計(jì)算 3.3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的設(shè)計(jì) 3.3.1 主要部件的設(shè)計(jì) (1) (2) 4結(jié)論與展望 參考文獻(xiàn) 致謝 附件 緒論 近年來(lái)隨著社會(huì)的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽油機(jī)越來(lái)越被現(xiàn)代人所認(rèn)可。其優(yōu)點(diǎn)在于其體積小、重量輕、價(jià)格便宜；起動(dòng)性好，最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速高；工作中振動(dòng)及噪聲小，因此，在載客汽車，特別是轎車中，汽油機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在我們國(guó)家目前生產(chǎn)的絕大多數(shù)轎車，都是采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為自己的動(dòng)力系統(tǒng)。在歐洲，汽油車銷量已占汽車總銷量的很大部分，美國(guó)市場(chǎng)的汽油車銷 量也在逐漸增加

3、。目前我國(guó)汽車行業(yè)內(nèi)外環(huán)境，包括社會(huì)認(rèn)識(shí)、市場(chǎng)供求關(guān)系、產(chǎn)品和制造技術(shù)，都發(fā)生了許多新的變化。小型運(yùn)貨車是我國(guó)一個(gè)特色的運(yùn)輸車品種，具投資少、運(yùn)輸能力強(qiáng)、產(chǎn)出大，正好滿足建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、提高資源使用效率的需求，從整個(gè)國(guó)家來(lái)講，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。目前我國(guó)西部地區(qū)仍然大量需要小型載貨車，并且西部經(jīng)濟(jì)有待進(jìn)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(chǎng)非常大，農(nóng)村運(yùn)輸工具的不足帶動(dòng)了輕型和低速載貨汽車的發(fā)展，而汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性拉動(dòng)了輕型汽油汽車的迅速發(fā)展，以及在農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和 國(guó)家政策的調(diào)整潮流下，國(guó)內(nèi)小型農(nóng)用工程機(jī)械市場(chǎng)前景非常好，產(chǎn)銷量迅趨火爆，發(fā)展前景廣闊。 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之

4、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。曲軸是汽油發(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)械和汽油機(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

5、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。 1.2 汽車曲軸飛輪組的研究現(xiàn)狀 曲軸是在不斷變化的氣體壓力、往復(fù)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(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，應(yīng)保證它有盡可能高的彎曲和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。曲軸各軸頸在很高的比壓下以很大的相對(duì)速度在軸承中相對(duì)滑動(dòng)，由于曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化劇烈，有時(shí)不能保證液體潤(rùn)滑，使曲軸壽命大大降低。所以設(shè)計(jì)

6、曲軸時(shí)要使其摩擦表面耐磨。目前， 美國(guó)、德國(guó)、日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都正致力于開發(fā)綠色環(huán)保高性能發(fā)動(dòng)機(jī)， 傳統(tǒng)的曲軸材料和制造工藝已無(wú)法滿足其功能要求。這些汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)曲 軸加工十分重視，并不斷改進(jìn)曲軸加工工藝。而國(guó)內(nèi)目前的曲軸材料、加工技術(shù)等方面十分落后，但隨著中國(guó)加入WTO國(guó)內(nèi)一些曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識(shí)到形式的緊迫性，為了提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，引進(jìn)了許多先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，使國(guó)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(dá)國(guó)家。 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(guān)鍵尺寸是外徑，對(duì)于灰鑄鐵飛輪，圓周圓周速度不要超過(guò)35-50m/s,否則容易造成由于離心力過(guò)大

7、，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(shè)計(jì)的汽油機(jī)飛輪采用灰鑄鐵材料。 1.3 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和目標(biāo) 主要任務(wù)和目標(biāo)此次我設(shè)計(jì)的是曲軸飛輪組。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)內(nèi)燃機(jī)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)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和可靠性要求不斷提高，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。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少平衡重質(zhì)量。 現(xiàn)總結(jié)如下： 1 .通過(guò)此次對(duì)汽車曲軸的設(shè)計(jì)，了解熟悉發(fā)動(dòng)

8、機(jī)工作的原理，熟悉曲軸是怎樣工作的。 2 .確定對(duì)曲軸研究的的方案。 3 .對(duì)汽車曲軸飛輪進(jìn)行整體式、各零件的設(shè)計(jì)。 4 進(jìn)行三維建模畫圖練習(xí)，對(duì)曲軸飛輪三維建模畫圖設(shè)計(jì)。 5 .撰寫說(shuō)明書，做好總結(jié)。 2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組概述 曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減震器、皮帶輪、正時(shí)齒輪（或鏈條）等組成。如右圖所示是曲軸飛輪組的總體結(jié)構(gòu)。 曲軸飛輪組的功用 曲軸是在不斷變化的氣體壓力、往復(fù)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(yīng)力狀態(tài)，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)

9、工作機(jī)械和汽油機(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，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、正式調(diào)整角度用。飛輪的設(shè)計(jì)原則是在保證質(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 2.1 曲軸 2.1.1 曲軸的構(gòu)造曲軸由若干個(gè)單元曲拐組成。一個(gè)曲柄銷（連桿軸頸）、 左右兩個(gè)曲柄臂和左右兩個(gè)主軸頸構(gòu)成一個(gè)單元曲拐?裝正時(shí)齒輪的一端稱為 自由端（前端），另一端用來(lái)裝飛輪，稱為輸出端（后端） 后端凸編 2.1.2 曲軸的分類曲軸分為整體式和組合式兩大類。 整體式曲軸的結(jié)構(gòu)是整體的，它的毛

10、坯由整根材料鍛造或用鑄造方法澆注而成。整體式曲軸具有工作可靠、質(zhì)量小的特點(diǎn)，而且剛度和強(qiáng)度較高，加工表面也比較少，是中小型發(fā)動(dòng)機(jī)和曲軸廣為應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式。只要工廠有條件制造，設(shè)計(jì)上總是盡量采用整體結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)曲軸尺寸較大，曲拐數(shù)較多時(shí)，這種曲軸的加工比較困難，需要用大的專用設(shè)備，而且容易因某一部分加工不合格或使用中損壞，而導(dǎo)致整根曲軸報(bào)廢。整體式曲軸一般與滑動(dòng)軸承配合。但是，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的整體式曲軸卻往往與滾動(dòng)軸承配合，借以提高機(jī)械效率和降低對(duì)軸承的潤(rùn)華要求。 組合式曲軸是指先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和半組合式曲軸。大

11、功率柴油機(jī)和小型發(fā)動(dòng)機(jī)上常采用這種組合式結(jié)構(gòu)的曲軸。因?yàn)榇蠊β势蜋C(jī)的曲軸 粗而長(zhǎng)，采用整體式結(jié)構(gòu)則加工困難，有的甚至無(wú)法加工。這時(shí)只得采用組合式結(jié)構(gòu)。小型單缸發(fā)動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，連桿軸承一般采用滾針（柱）軸承，這時(shí)把連桿大頭做成整體式，其曲拐必須采用可分開的組合結(jié)構(gòu)才能進(jìn)行裝配。在中型高速內(nèi)燃機(jī)上，這種組合式曲軸用的不多。 2.1.3 曲軸的功用曲軸是承受連桿傳來(lái)的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ?，然后? 過(guò)飛輪輸出，另外，還用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)及其他輔助裝置（如發(fā)電機(jī)、風(fēng)扇、水泵、轉(zhuǎn)向油泵等）。在發(fā)電機(jī)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(fù)慣性力以及他們的力矩

12、的共同作用，使曲軸承受彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷，產(chǎn)生疲勞應(yīng)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(qiáng)度，各工作表面要求耐磨而且潤(rùn)滑良好，還必須有很高的動(dòng)平衡要求。 曲軸組成 曲拐：由一個(gè)連桿軸頸和它兩端曲柄及主軸頸構(gòu)成 2.曲軸的支撐方式 全文樂(lè)曲軸 非金戈水曲軸 主軸頸是曲軸的支撐部分，通過(guò)主軸承支承在曲軸箱的主軸承支座中。曲軸的支承方式一般有兩種，一種是全支承曲軸，另一種是非全支承曲軸。 全支承曲軸 非全支撐曲軸 優(yōu)點(diǎn) 提高曲軸的剛度和彎曲強(qiáng)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)總體減輕主軸承的載荷。 縮短了曲軸的強(qiáng)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)總體長(zhǎng)度，有所減小。 缺

13、點(diǎn) 曲軸的加工表面增多，主軸承數(shù)增多，使機(jī)體加長(zhǎng)。 主軸承載荷較大 應(yīng)用 柴油機(jī)一般多米用此種支 承受載荷較小的汽油機(jī)口」米用此種支撐方式。 3.曲柄 曲柄是主軸頸和連桿軸頸的連接部分，斷面為橢圓形，為了平衡慣性力曲柄處鑄有（或緊固有）平衡重塊。 4 .曲拐的布置 1 ）各缸的做功間隔要盡量均衡，以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 2 ）連續(xù)做功的兩缸要盡量遠(yuǎn)些，最好是在發(fā)動(dòng)機(jī)前半部和后半部交替進(jìn)行。 3 ）避免進(jìn)氣重疊。 4 ）V型發(fā)動(dòng)機(jī)左右氣缸盡量交替做功。 5 ）曲拐布置盡可能對(duì)稱、均勻以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作平衡性好。 2.2 曲軸扭轉(zhuǎn)減震器在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，連桿作用

14、在曲軸上的力呈周期 性變化。這樣就會(huì)使質(zhì)量較小的曲拐相對(duì)于質(zhì)量較大的飛輪有扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)（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(dòng)。當(dāng)這種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的自振頻率與連桿傳來(lái)的呈周期性變化的激振頻率成整數(shù)倍關(guān)系式時(shí)，曲軸便會(huì)產(chǎn)生共振。 這種現(xiàn)象既損失發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，也會(huì)破壞曲軸和裝在上面的驅(qū)動(dòng)齒輪、鏈輪、鏈條等附件，嚴(yán)重時(shí)甚至將曲軸扭斷。為消除這種現(xiàn)象，曲軸前端裝有扭轉(zhuǎn)減振器。 (1)曲軸扭轉(zhuǎn)減震器的功用 概念：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸在周期性變化的轉(zhuǎn)矩作用下，各曲拐之間發(fā)生周期性相對(duì)扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 危害：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化頻率與曲軸扭轉(zhuǎn)的自振頻率相同或成倍數(shù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生共

15、振。共振時(shí)扭轉(zhuǎn)振幅加大，并導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，甚至使曲軸斷裂? 功用：為了消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)多在扭轉(zhuǎn)振幅最大的曲軸前端裝置扭轉(zhuǎn)減震器 曲軸扭轉(zhuǎn)減震器有硅油扭轉(zhuǎn)減震器和膠扭轉(zhuǎn)減震器兩種。 硅油扭轉(zhuǎn)減震器由鋼板沖壓而成的減震器殼體與曲軸連接。側(cè)蓋與減震器殼體組成密封腔，其中滑套著扭轉(zhuǎn)振動(dòng)慣性質(zhì)量。慣性質(zhì)量與密封腔之間留有一定的間隙，里面充滿高粘度硅油?當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作時(shí)，減震器殼體與曲軸一起旋轉(zhuǎn)、一起振動(dòng)，慣性質(zhì)量則被硅油的粘性摩擦阻尼和襯套的摩擦力所帶動(dòng)。由于 慣性質(zhì)量相當(dāng)大，因此它近似作勻轉(zhuǎn)動(dòng)，于是在慣性質(zhì)量與減震器殼體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。曲軸的振動(dòng)能量被硅油的內(nèi)

16、摩擦阻尼吸收，使扭振消除或減輕。 橡膠扭轉(zhuǎn)減震器震器殼體與曲軸連接，減震器殼體與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)慣性質(zhì)量粘結(jié)在硫化橡膠層上。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，減震器殼體與曲軸一起振動(dòng)，由于慣性質(zhì)量之后于減震器殼體，因而在兩者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使橡膠層來(lái)回揉搓，振動(dòng)能量被橡膠的內(nèi)摩擦阻尼吸收，從而使曲軸的扭振得以消減。 2.3 飛輪飛輪是一個(gè)很大的圓盤，其主要功用是將在做功過(guò)程中輸入于曲 軸的功能的一部分貯存起來(lái)，用以在其他過(guò)程中克服阻力，帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)越過(guò)上，下止點(diǎn)。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(dòng)機(jī)有可 能克服短時(shí)間的超載荷，止匕外，飛輪又往往用作摩擦式離合器的驅(qū)動(dòng)件。

17、飛輪功用：能量存儲(chǔ)器，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平。摩擦式離合器的主動(dòng)件。輪緣上鑲嵌起動(dòng)用飛輪齒圈?刻有上止點(diǎn)記號(hào)，用于調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)或 配氣正時(shí)。 3汽車動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組的設(shè)計(jì) 3.1 汽車動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組總體設(shè)計(jì)方案的確定 汽油機(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)力和劇烈摩擦的苛刻條件下工作的。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)汽油機(jī)第一位的要求是應(yīng)該能夠在規(guī)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出所要求功率。轉(zhuǎn)速和功率的具體數(shù)據(jù)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)汽油機(jī)的

18、經(jīng)濟(jì)性汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性包括：汽油機(jī)的使用價(jià)值應(yīng)該盡量大，而為使用汽油機(jī)所必須付出的代價(jià)應(yīng)盡量小。 (3)高的工作可靠性和足夠的使用壽命。 (4)汽油機(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，希望汽油機(jī)本身占用的空間縮至最小，即要求汽油機(jī)的設(shè)計(jì)緊湊，空間占用小，汽油機(jī)的質(zhì)量減小，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)汽油機(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)汽油機(jī)的可靠性及其他工作可靠是汽油機(jī)應(yīng)該具有的起碼性能，否則其他性能將無(wú)從談起。 3.1.1汽油機(jī)的主要參數(shù) 參數(shù)要求 本次設(shè)計(jì)的汽

19、油發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如下: 序號(hào) 工作過(guò)程計(jì)算參數(shù) 單位 數(shù)值 1 1 7 后效功率 kw 74 2 標(biāo)定轉(zhuǎn)速 r/min 5200 3 最大扭矩 Nm 155 4 設(shè)計(jì)最大扭矩轉(zhuǎn)速 r/min 3800 5 最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 r/min 6 缸徑 m 81 7 沖程 m 8 壓縮比 9.5 9 缸數(shù) 4 10 燃料 汽油 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）概述 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)件，其性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，曲軸的工作條件更加苛刻。

20、由于周期性變化的氣體壓力，往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的慣性力以及它們的彎扭拒共同作用，使得曲軸 在工作過(guò)程中既彎曲又扭轉(zhuǎn)，還要承受一定的沖擊載荷，軸頸表面受到磨損，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸表面的嚴(yán)重磨損，統(tǒng)計(jì)分析表明，破壞的曲 軸中有80%^右是由彎曲疲勞產(chǎn)生的。 因此，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、材料與工藝，使其具有較高的疲勞強(qiáng)度，剛度及良好的動(dòng)態(tài)特性。曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、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（扭矩和彎矩）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)。實(shí)踐與理論表明，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

21、占次要地位（不包括因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞）。曲軸破壞的統(tǒng)計(jì)分析表明，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。 曲軸形狀復(fù)雜、應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，特別在曲柄至軸頸的過(guò)渡圓角區(qū)、 潤(rùn)滑油孔附近以及加工粗糙的部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。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潤(rùn)滑，尤其當(dāng)潤(rùn)滑油不潔凈時(shí)，軸頸表面遭到強(qiáng)烈的磨料磨損，使得曲軸的實(shí)際壽命大大降低。曲軸是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的中心環(huán)節(jié)，具剛度亦很重要。如果曲軸彎曲剛度不夠，就會(huì)大大惡化活塞、連桿、軸承等重要零件的工作條件，影響

22、它們的工作可靠性和耐磨性，甚至使曲軸箱局部損壞。曲軸扭轉(zhuǎn)剛度不足則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；輕則引起噪音，加速曲軸上齒輪等傳動(dòng)件的磨損；重則使曲軸斷裂。 綜上所述，曲軸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)符合以下要求： 1 .有足夠的疲勞強(qiáng)度，以保證曲軸工作可靠。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)； 2 .有足夠的剛度，使曲軸變形不致過(guò)大； 3 .頸具有良好的耐磨性。應(yīng)根據(jù)軸頸比壓，選取適當(dāng)?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，以保證柴油機(jī)工作均勻；曲軸平衡性好，以減小振動(dòng)和主軸承最大負(fù)荷； 5 .料選擇適當(dāng)，以充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力。 所有這些要

23、求，在高速內(nèi)燃機(jī)的條件下，都應(yīng)該在輕的結(jié)構(gòu)重量下實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，隨著內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，各項(xiàng)指標(biāo)的強(qiáng)化，曲軸的結(jié)構(gòu)也應(yīng)留有發(fā)展的余地。 不難看出，上述強(qiáng)度、剛度、耐磨、輕巧的要求之間是存在矛盾的。例如， 為了提高曲軸的剛度而增大主軸頸和曲柄銷直徑，對(duì)軸承工作而言，可以降低軸承比壓，但高轉(zhuǎn)速下軸承圓周速度變大，從而引起摩擦功率損失增加，軸承溫度升高，降低了軸承工作的可靠性。此外，曲柄銷的增大，使得連桿大頭以更大的比例加大加重，，軸承的離心負(fù)荷加大。這時(shí)，可能引起采用斜切口連桿的必要，而這種連桿剛性差，而且制造成本較高。曲柄銷加大帶來(lái)的曲軸連桿系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加大，可能使剛度對(duì)扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的好處得而復(fù)

24、失。正是這些內(nèi)在的矛盾推動(dòng)著曲軸的發(fā)展，而在曲軸強(qiáng)度矛盾的總體中，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力與該力作用點(diǎn)的材料抗力是它的主要矛盾。影響這個(gè)主要矛盾的主要因素有：曲軸的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝等三方面，這三種因素各自有獨(dú)立的作用，相互又有影響，必須辨證地進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，不應(yīng)只注重結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)一個(gè)方面。 由于曲軸受力復(fù)雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，至今還沒(méi)有 一個(gè)能完全反映實(shí)際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設(shè)計(jì)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即利用許多現(xiàn)有的曲軸結(jié)構(gòu)與尺寸的統(tǒng)計(jì)資料。借以初步確定曲軸的基本尺寸，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度復(fù)核、曲軸樣品試驗(yàn)，最后確定曲軸的 結(jié)構(gòu)、尺寸與加

25、工工藝等。 (2)曲軸的設(shè)計(jì)步驟 曲軸設(shè)計(jì)在汽油機(jī)總體設(shè)計(jì)階段就開始進(jìn)行。設(shè)計(jì)步驟大致如下： 1 .根據(jù)汽油機(jī)的用途，強(qiáng)化程度，生產(chǎn)批量，缸心距以及活塞行程等參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)那S材料，結(jié)構(gòu)形式，毛坯制造方法及必要的強(qiáng)化工藝。 2 .依據(jù)汽油機(jī)相似原則以及設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，初步選定曲柄銷，主軸頸和曲柄臂的尺寸。 3 .根據(jù)汽油機(jī)沖程數(shù)，氣缸數(shù)目和排列方式，發(fā)火順序，從保證扭矩均勻，平衡性良好，主軸承負(fù)荷不要過(guò)大等原則出發(fā)確定曲柄排列。 曲軸計(jì)算：初步選定曲軸尺寸后，需對(duì)曲軸進(jìn)行平衡性計(jì)算和曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)曲軸是否滿足前述各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，決定是否需要修改設(shè)

26、計(jì)。上述方法需反復(fù)進(jìn)行，并最終確定曲軸的尺寸，平衡塊的大小和布置方式，潤(rùn)滑油道的布置，完成曲軸兩端的設(shè)計(jì)，繪制出曲軸零件圖。 (3)曲軸的結(jié)構(gòu)型式及其選擇 一、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?jī)蓚€(gè)(V型發(fā)動(dòng)機(jī)為兩排)氣缸間均設(shè)有主軸承的曲軸；而非全支承曲軸是每隔兩個(gè)(V型發(fā)動(dòng)機(jī)為兩排)氣缸設(shè)有一個(gè)主軸承的曲軸。由于柴油機(jī)的爆發(fā)壓力較高，因而一般都采用全支承曲軸；僅有個(gè)別小缸徑柴油機(jī)為縮短缸心距，減少主軸承數(shù)，采用非全支承曲軸。 按結(jié)構(gòu)型式曲軸分為整體曲軸和組合曲軸。 1、整體式曲軸 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(lái)的。整體式曲軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

27、重量輕，工作可靠，而且剛度和強(qiáng)度較高，加工面也比較少，在中高速柴油機(jī)上應(yīng)用非常普遍。 2、組合式曲軸 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。大功率柴油機(jī)和小型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上常采用組合式曲軸。 (1)、圓盤式組合曲軸 這種曲軸的每個(gè)曲柄單獨(dú)制造，然后用螺釘聯(lián)成一根完整的曲軸。圓盤式組合曲軸各曲柄相同，這使得系列產(chǎn)品的曲軸制造十分方便。在使用中若發(fā)現(xiàn)某曲軸損壞，可單獨(dú)更換損壞的曲柄，而不需要報(bào)廢整個(gè)曲軸。止匕外，由于這種曲軸各曲柄單獨(dú)制造，因而不需要大型設(shè)備，機(jī)械加工簡(jiǎn)單。這種曲軸由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度

28、高，因而僅少數(shù)機(jī)型采用。 (2)、套合式曲軸(全套合或半套合) 它的曲柄銷，主軸頸，曲柄臂均分開制造，然后用“紅套”或液壓壓入等方法連接起來(lái)。軸和孔的配合的過(guò)盈量是軸頸的1.4%o-1.8%o。為了減小應(yīng)力集中,軸頸與曲柄臂相配合部分的直徑加大到軸頸直徑的1.05?1.1倍。目前，套合式 曲軸主要應(yīng)用于曲柄半徑大于400?500mm的大型低速柴油機(jī)，其中半套合式曲軸應(yīng)用較多。 (3)、分段式曲軸 大型曲軸由于受到加工設(shè)備的限制，往往將曲軸分段制造，然后用凸緣連接起來(lái)，這種曲軸稱為分段式曲軸。 圖3-1 綜上所述，此次設(shè)計(jì)采用整體式曲軸。 由于此次設(shè)計(jì)的是直列兩缸柴油機(jī)，故選用平

29、面(圖3-1)布置，曲柄互成空間180°夾角，靜平衡但動(dòng)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(shè)計(jì)的汽油機(jī)，采用該布置第二階往復(fù)慣性力較小，可以不考慮。 (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(yīng)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(shè)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(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。但是鍛造曲軸成本過(guò)高，大約是球鐵曲軸的 3-7倍。 雖

30、然鑄造曲軸主要是球鐵曲軸有很多缺點(diǎn)，例如彎曲疲勞強(qiáng)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(diǎn)也相當(dāng)明顯，例如球墨鑄鐵曲軸經(jīng)正火處理后的機(jī)械性能已接近萩超過(guò)一般的中碳鋼，盡管鋼的疲勞強(qiáng)度比球墨鑄鐵高，但曲軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼曲軸難免會(huì)有油孔、過(guò)渡圓角和材質(zhì)上留有缺陷面造成應(yīng)力集中，從面降低了曲軸的疲勞強(qiáng)度。球鐵可以鑄造出復(fù)雜的曲軸形狀，使其應(yīng)力分布均勻，且球墨鑄鐵對(duì)缺口敏感度低、變形小，使球墨鑄鐵曲軸的實(shí)際彎曲的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度與正火中碳鋼相近。球鐵曲 軸的耐磨性好，吸振能力強(qiáng)，有較好的自潤(rùn)滑和抗氧化性能。 綜上分析，我采用球墨鑄鐵曲軸。 3.3.1曲軸主要

31、尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) (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=(0.55-0.65)D=50mm 主軸頸長(zhǎng)度L1=29mm 曲柄銷直徑D2=(0.55-0.65)D=46mm 曲柄銷長(zhǎng)度L2=(0.35-0.45)D2=29mm 曲柄臂厚度h=(0.2-0.25)D=17mm 曲柄臂寬度b=(0.8-1.2)D=100mm 根據(jù)主軸頸長(zhǎng)度和曲柄銷長(zhǎng)度以及曲柄臂的厚度， 確定缸心距為L(zhǎng)=2h+L1+L2=92mm (2) 一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 1油道布置軸承的工作能力在很大程度上取決于潤(rùn)滑條件。曲軸主軸 頸和曲柄銷一般采用壓力潤(rùn)滑。曲軸上油道與油孔

32、的設(shè)計(jì)，對(duì)于曲軸軸承的潤(rùn)滑及曲軸強(qiáng)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(rùn)滑油通常先進(jìn)入主軸承再進(jìn)入連桿軸承。將機(jī)油輸送到曲軸軸承中去的供油方法有兩種： 1、分路供油 主軸承。 2、集中供油主 軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí) 需采用集中供油。集 中供油多采用所謂假 軸承結(jié)構(gòu)。假軸承上 也澆有一層軸承合 金。潤(rùn)滑油從假軸承 通過(guò)軸頸上的油孔進(jìn) 入曲軸內(nèi)腔 確定主軸頸和曲 柄銷上油孔定位時(shí)， 既要考慮到潤(rùn)滑和軸 瓦的冷卻，又要對(duì)軸 頸強(qiáng)度削弱最小。從 3-1 保證潤(rùn)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

33、，以保證連桿軸承供油充足。曲柄銷最小負(fù)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)笆堑牡胤?，￥角可由軸心軌跡圖求出。從強(qiáng)度觀點(diǎn)考慮，油孔不應(yīng)位于曲柄平面內(nèi)而應(yīng)在曲柄垂直平面內(nèi)。因?yàn)樵谇怪逼矫鎯?nèi)，曲柄銷表面彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力都比較小。因此應(yīng)兼顧上述兩項(xiàng)要求來(lái)確定油孔的位置，同時(shí)還應(yīng)考慮曲軸結(jié)構(gòu)和鉆孔的工藝性。 為了減小應(yīng)力集中，油孔出口應(yīng)到角，拋光。 3.油孔直徑：d=(0.07-0.10)D=5.67-8mm取d=6mm 圖3-1所示為本次潤(rùn)滑油道的布置方案。 2曲軸平衡塊 曲軸平衡塊的作用是用來(lái)平衡曲軸不平衡的旋轉(zhuǎn)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力矩， 有時(shí)也可以平衡往復(fù)慣

34、性力及其力矩，并可以減速小主軸承的負(fù)荷。隨著柴油機(jī) 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(fù)荷，保證軸承有良好的潤(rùn)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(fù)雜，曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)自振頻率降低。因此，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速，曲軸結(jié)構(gòu)，曲柄排列，軸承負(fù)荷以及對(duì)平衡的要求等因素綜合考慮是否配置平衡塊。汽油機(jī)一般需要配置平衡塊。平衡方案的選擇，平衡塊重量的計(jì)算與布置，應(yīng)該仔細(xì)考慮。 平衡塊的重心應(yīng)盡量遠(yuǎn)離曲軸中心線，以提高平衡效果。但平衡塊一般不 超過(guò)曲軸旋轉(zhuǎn)所掃過(guò)的范圍。平衡塊厚度一般與曲柄臂相同。

35、3曲軸的軸向定位 圖3-34 為防止曲軸的軸向定位，保證工作正常，曲軸需設(shè)有軸向定位。大多數(shù)汽油機(jī)把止推軸承設(shè)在輸出端，這樣當(dāng)曲軸受熱伸長(zhǎng)時(shí)離合器的間隙可保持不變。但裝在曲軸自由端的正時(shí)齒輪會(huì)產(chǎn)生一些位移。在一些柴油機(jī)中由于中央主軸承的負(fù)荷大而增加其長(zhǎng)度，并用它作止推軸承。 當(dāng)軸向力不是很大，又不是經(jīng)常作用時(shí)，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，所以一般內(nèi)燃機(jī)中多用止推片的結(jié)構(gòu)。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(dòng)軸承。 本次設(shè)計(jì)采用止推片的止推方式，并且安裝在中央主軸承上。 4曲軸端部結(jié)構(gòu) 曲軸兩端分別為自由端和輸出端。大多數(shù)柴油機(jī)的

36、機(jī)油泵，水泵等輔助裝置的驅(qū)動(dòng)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，柴油機(jī) 產(chǎn)生的功率經(jīng)輸出端輸出，但在某些工程機(jī)械或農(nóng)用柴油機(jī)上，曲軸自由端也可輸出部分乃至全部功率。 驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和噴油泵的曲軸正時(shí)齒輪布置于自由端或輸出端。當(dāng)曲軸正時(shí)齒輪布置在輸出端時(shí)，可將正時(shí)齒輪直接制造在曲軸上。 曲軸輸出端一般借法蘭通過(guò)定位銷和螺栓來(lái)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(yīng)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(yīng)根據(jù)主軸承直徑及油封裝置來(lái)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(guò)度圓角。 3.2.3曲軸強(qiáng)度的校核