《柴油机曲轴设计》PPT课件

曲轴设计,一.曲轴设计概论 二. 曲轴结构设计 三. 曲轴疲劳强度校核 四. 提高曲轴疲劳强度的措施,一. 曲轴设计概论,曲轴的成本大约占整机成本的十分之一，为内燃机中最贵的零件。 曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳，所以保证曲轴有足够的弯曲疲劳强度是曲轴设计的首要问题。 曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑条件的要求。 中小功率高速内燃机几乎都用整体曲轴、全支承、带有平衡块（无论整体是否平衡）。,1.曲轴工作条件,1、受周期变化力和力矩作用，重点是弯曲交变载荷（80是弯曲疲劳破坏）； 2、曲轴形状复杂，应力集中严重； 3、曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重；,2.设计要求,1、有足够的疲劳强度； 2、有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨； 3、尽量减少应力集中； 4、刚度好，变形小。,3.常用材料,1、中碳钢：如45，绝大多数采用模段制造；锻造后进行正火或调质处理，然后在各轴颈表面实施感应加热表面淬火。钢曲轴也可以进行渗氮处理，以提高疲劳强度。 2、合金钢：在强化程度较高的发动机中采用； 3、球墨铸铁：在强度和刚度要求一定是，使用球墨铸铁材料能减少制造成本，且其阻尼特性能减小扭转振动的幅值。 在曲轴设计中，曲轴的结构、材料、工艺三因素各自有独立规律，且相互影响。,二. 曲轴结构设计,一、曲轴结构形式 1、整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、刚度、强度较高、加工表面较少的特点，中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。 2、组合式曲轴：当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，采用整体式结构将导致加工非常困难，可采用组合式结构。小型单缸发动机也有采用。,整体式曲轴和组合式曲轴,曲轴支承,(a)全支承曲轴: 优点是曲轴刚性好，不易弯曲，缺点是缸心距加大，机体加长，制造成本增加。柴油机多用全支承曲轴。. (b)非全支承曲轴: 多用于中小功率的汽油机,曲轴全支承与非全支承,曲轴主要尺寸参数,dcp：曲柄销直径； lcp：曲柄销长度； hcw：曲柄臂厚度；bcw：曲柄臂宽度 dcj：主轴颈直径； lcj：主轴颈长度；,气缸中心距,L= lcp + lcj +2 hcw 它们存在一个合理分配的问题。 过渡圆角半径R对应力集中影响巨大。 各尺寸参数的统计值见下表：,油道设计及油孔位置,曲轴前端与后端,（1）作用： 曲轴前端用来安装正时齿轮、皮带轮、扭振减振器及起动爪等；后端有飞轮结合盘(凸缘盘)，用来安装飞轮。 （2）前后端的密封： 曲轴前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑油沿轴颈流出，在曲轴前后端都设有防漏装置。,常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。,曲轴的轴向定位,（1）结构： 止推片：在某一道主轴承的两侧装止推片。止推片由低碳钢背和减磨层组成。 翻边轴瓦： （2）安装注意：止推片有减磨层的一面朝向转动件(有油槽一面)。当曲轴向前窜动时，后止推片承受轴向推力；向后窜动时，前止推片承受轴向推力,曲拐的布置,（1）一般规律 1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。 2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。 3) 避免进气重叠 4） V型发动机左右气缸尽量交替作功。 5）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。,三. 曲轴疲劳强度校核,曲轴破坏主要是弯曲疲劳破坏 现在曲轴强度计算绝大部分采用有限元计算方法，且有很多现成的工程分析软件，如ansys，pro/e，UG等。 有限元计算精度关键取决于如何处理曲轴的位移约束条件、加载方式、网格划分等，这需要详细了解曲轴的工作情况和受力状况。 安全系数n1.5（钢）或1.8（球墨铸铁）,四. 提高曲轴疲劳强度的措施,在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度就应设法降低应力集中；适当减小单拐中间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀。,结构措施,1、加大曲轴轴颈的重叠度 重叠度 A=(dcp+dcj)/2-r 重叠度系数 =(dcp+dcj)/S 2、加大轴颈附近的过渡圆角 过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质量等对曲轴应力的影响十分明显。 3、采用空心曲轴 4、采用沉割圆角和开卸载槽,工艺措施,1、圆角滚压强化：表面产生剩余压应力，抵消部分工作拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度。 2、圆角淬火强化：用热处理方法使金属发生组织相变，体积膨胀而产生残余压应力，从而提高曲轴疲劳强度。 3、喷丸强化处理：与滚压强化的道理一样，属于冷作硬化变形。 4、氮化处理：使氮气渗入零件表面，金属体积增大而产生挤压应力。,