發動機曲軸結構設計(9178)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ==。 曲柄臂曲柄臂在曲柄平面內的抗彎曲剛度和強度都較差，往往因受交變彎曲應力而引起斷裂。因此曲柄臂是整體曲軸上最薄弱的環節，設計時應注意適當的寬度和厚度，并選擇合理的形狀，以改善應力的分布狀況。增大曲柄臂的厚度和寬度都可以增大曲柄臂的強度，而從提高曲柄臂的抗彎強度來說，增加厚度比增加寬度效果要好得多【31】。由《柴油機設計手冊（上）》表91可知：曲柄臂厚度與氣缸直徑之比/=～，即=～，取=.曲柄臂寬度與氣缸直徑之比/=～，即=～，取=。曲柄臂應選擇適當的厚度、寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強度。曲柄臂在曲拐平面內的抗彎能力以其矩形斷面的抗彎模數來衡量： ()（）計算得彎模數=3000。隨著內燃機沖程缸徑比/值的減小及曲軸軸頸的增大，使曲柄銷和主軸頸產生了重疊，此時，有一部分力可以直接傳遞到主軸頸，因而改善了曲柄臂的受力狀態，通常用重疊度△來表示其重疊程度的大小,則有△=(mm)（）式中：曲軸半徑，=/2,為內燃機沖程，且=145mm，則有=。由此計算式2，得重疊度△=。 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。這些過渡圓角能夠減小應力集中，提高疲勞強度，其半徑的增大與其表面光潔程度的提高，是增加曲軸疲勞強度的有效措施【32】。曲軸圓角半徑應足夠大，但是圓角半徑過小會使應力集中嚴，而圓角半徑的增大會使軸頸承壓的有效長度減小，因而也會減小軸承承壓面積。為增大曲軸圓角半徑，且不縮短軸頸的有效工作長度，可采用沉割圓角，但設計沉割圓角時應注意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。由于沉割圓角和二圓弧以及三圓弧設計工藝十分的復雜，設計要求較高，以我們現階段的水平難以得出準確結果，故而本設計采用等圓弧圓角。由《柴油機設計手冊（上）》可知：/。故取曲軸圓角半徑=。 潤滑油道軸承的工作能力在很大程度上決定于摩擦表面的額潤滑品質。因此，為了保證軸承的可靠性，主軸頸和曲柄銷通常都采用壓力潤滑。曲軸上油道和油孔的設計，對于曲軸軸承的潤滑及曲軸強度都有重要的影響，因此必須十分慎重的選擇油道方案和確定油孔的位置。將潤滑油輸送到曲軸油道中去的供油方式有兩種：一種是集中供油，即將曲軸內部做成中空的連續孔道，作為內燃機的主油道，機油從曲軸的一端輸入曲軸，然后經曲軸內孔串聯流向各軸承；另一種是分路供油，即機油從曲軸箱上的主油道并聯進入各個主軸承，然后通過曲軸的油道再進入相應的連桿軸承。采用集中供油時，因為機油從一端進入曲軸后需要克服很大的離心力和流動阻力，才能供到另一端的軸承，壓力損失較大。為了保持最后潤滑的軸承仍有一定的油壓，進入軸承的油壓必須很高，這使得曲軸油腔的密封結構復雜。因而多數內燃機采用分路供油，且本設計也采用分路供油。油道布置主要根據潤滑供油充分和對曲軸疲勞強度的影響來決定，主軸頸上的油孔入口應保證像曲柄銷供油充分；曲柄銷上的油孔出口應設在較低負荷區，以提高軸瓦的供油能力，油孔的位置應參考軸承負荷圖和軸心軌跡圖來確定。油道的取向對扭轉疲勞強度的影響很顯著。曲軸中油道的布置有很多方式，其中斜線油道在結構上是最簡單的。但其缺點是曲柄臂與軸頸過渡處被削弱，降低了曲軸的強度，油道與軸頸的表面交線呈橢圓形，斜角愈大橢圓度愈大，油孔邊緣處的應力集中就愈嚴重，斜線油孔加工工藝復雜，為避免上述缺點，可從曲柄臂肩部鉆一斜孔，貫通曲柄銷和主軸頸，再在此兩個軸頸上鉆直油孔接通，最后將曲柄臂肩部孔堵死。，油孔由曲柄臂鉆入到主軸頸，再由曲柄臂和主軸頸表面垂直鉆通，這樣的油道布置，工藝較為復雜，但能夠有效的提高曲軸的疲勞強度。由于本設計曲軸的軸頸及曲柄臂直徑都比較粗，重疊度也比較大，再考慮到油道加工的工藝性，因而本設計油道的布置方式選擇斜線油道油道加工的工藝性。 平衡重平衡塊是用來平衡曲軸不平衡的離心慣性力和離心慣性力矩。設計平衡重時，平衡重應盡可能使其重心遠離曲軸旋轉中心，即用較輕的重量達到較好的效果，以便盡可能減輕曲軸重量，并且應盡量不增加內燃機的尺寸，在滿足動平衡的條件下，還能使曲軸的制造比較方便。曲軸上是否需要安裝平衡重和怎樣決定平衡重的數目，大小及位置等問題，都要根據內燃機的用途，曲軸形狀，常用工況的轉速和負荷，結構和工藝上的簡便程度等因素來定。曲軸的平衡重可以與與曲軸鑄成一體，這樣可使加工較簡單，并且工作可靠。平衡中亦可單獨制造，通過螺栓連接在曲軸的曲柄臂上。本設計平衡重采用單獨制造的方法，這樣的設計過程較為簡單，且可以根據實際需求改動平衡重的設置【33】。 曲軸兩端和軸向止推曲軸上帶動輔助系統的驅動鏈輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因為結構簡單，維修方便。如果止推軸承設在后端，傳動齒輪裝在前端，并且又是用斜齒時，這樣當曲軸因受離合器的作用力、斜齒的軸向力和熱膨脹而產生軸向外移時，將影響配氣和供油定時，從這個觀點看，傳動齒輪應裝在后端較為合適。從曲軸扭轉振動來看，前端的振幅較大，這對裝置傳動機構不利。多缸發動機由于曲軸較長，往往把傳動齒輪裝在曲軸后端。本設計的曲軸為多缸柴油機曲軸，因此也把傳動齒輪裝在曲軸后端。減振器應裝在振幅最大曲軸前端，用以消除扭轉振動。中小型高速內燃機上的驅動齒輪如裝在前端一般采用鍵連接，如裝在后端則視曲軸輸出端的結構而定。曲軸后端設有法蘭或加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。定位銷用來保證重裝飛輪時保持飛輪與曲軸的裝配位置，故定位銷的布置是不對稱的或只有一個。曲軸受熱膨脹而伸長，或受斜齒輪及離合器等的軸向力會產生軸向移動，為防止曲軸的軸向移動，在曲軸與機體之間設置止推軸承。止推軸承只能設置一個，以便使曲軸相對于機體能自由地沿軸向作熱膨脹【34】。從減小軸向移動對配氣定時和供油定時的影響出發，希望把止推軸承設在前端；止推軸承設在后端則可以避免曲軸各曲拐承受功率消耗者的軸向推力的作用；從降低曲軸和機體加工尺寸鏈精度要求出發，也可設在曲軸中央。 曲軸的強化除了設計措施外，還可以利用特殊加工方法、熱處理方法或化學方法強化曲軸表面，提高曲軸疲勞強度。常見的表面強化方法有：圓角高頻感應淬火、圓角滾壓以及氮化與軟氮化。軸頸表面圓角感應淬火是提高軸頸耐磨性的一種簡便有效的表面硬化法，適用于大量生產。這種方法是先用高頻電流加熱軸頸表面，隨即噴水冷卻，然后回火以消除殘余應力。但這種方法易引起曲軸變形，工藝也較復雜，必須嚴格控制圓角淬火前殘余應力，并用特殊淬火劑控制感應電流頻率，以減小變形。圓角滾壓可以大幅度提高曲軸的彎曲疲勞強度，且工藝簡單、工藝周期短、經濟的優點，且滾壓后表面光潔無裂紋。滾壓硬化層的深度和最大殘余應力主要取決于滾壓負荷、滾輪形狀及尺寸等因素。圓角滾壓時應注意減少曲軸變形，必要使主軸頸擺差超過容許范圍。氮化通常是指氣體氮化，即把曲軸放在加熱至一定溫度的爐內，通入氨氣，并保持一段時間，使氨氣熱分解所產生的活性氮離子滲入曲軸表面，從而得到一種含氨組織。這是一種化學熱處理方法。氮化可以使曲軸軸頸表面形成一層具有壓縮應力的表面，從而提高曲軸的疲勞強度、表面硬度及耐磨性。而軟氮化則是一種鹽浴氮化方法同樣可以大幅度的提高曲軸疲勞強度，且氮化過程短。采用任何一種表面強化法都要防止曲軸變形過大，變形量大了，則必然要用壓力機進行校直，而校直時難免在圓弧過渡處形成拉伸應力集中，從而嚴重地削弱曲軸的疲勞強度。根據上述三種提高曲軸疲勞強度的工藝措施的比較，本設計采用最為常用的氮化處理來提高曲軸的疲勞強度【35】。 曲軸的強度校核曲軸在工作中承受的是交變載荷，因此它常因疲勞而損壞，另一方面曲軸的結構形狀有很復雜，這使曲軸存在著嚴重的應力集中現象。應力集中促進了曲軸的疲勞損壞，因此在內燃機設計中，對曲軸進行了疲勞強度計算是必不可少的一環。計算曲軸的彎曲應力一般有兩種方法：一種是分段法（斷開梁法）；另一種是連續梁法。分段法計算簡單，突出了曲拐受力的主要矛盾，所以使用普遍。不過由于它忽略了許多影響因素，甚至也沒有考慮相鄰曲拐的影響，致使計算結果與實際情況差別較大；連續梁法近年來正逐步受到人們的重視，因為它考慮了支承的彈性安裝不同心度以及支座彎矩等因素對曲軸應力的影響，使計算較為全面。但這種方法在分析時仍忽略了一些難以控制、然而又非常重要的影響因素，如軸頸與軸承間的工作間隙、主軸頸的偏心、錐度、橢圓度、作用力的形態等因素對曲軸應力的影響，使得計算結果仍不能令人滿意，這種方法也有待進一步完善。連續梁法與實際接近程度，取決于曲軸和支撐的剛度比，它的正確值只能通過試驗才能找到。因此，僅在進行已有結構的校核時，利用連續梁法才更為精確。計算結果表明，分段法所得的應力幅值，一般都比運轉中的實際值為高，僅在某些機型中有些微小偏差。若將分段法與連續梁法進行比較，則前者比后者計算所得的曲軸危險截面應力約高15～20%，因此用分段法計算偏于安全。而多缸機曲軸是靜不定的多支承空間連續梁，曲軸的應力狀態，與支座彎矩有關，并受支座彈性和軸承孔的不同心度影響。因此用連續梁法計算曲軸強度較為合理【36】。為使設計出的曲軸更安全，并限于現有的知識及所給的數據，本設計采用分段法進行計算。 曲柄銷應力曲柄銷所受彎矩隨曲軸轉角而變化，求出它的最