毕业设计曲轴飞轮

2110柴油机(曲轴飞轮)设计摘 要2110柴油机是在2100柴油机的基础上自行改进与开发研制的新型、中等功率、节能的柴油机。目前，该机型已经广泛运用于我国的农用工程机械，小型发电等领域。2110柴油机与同类机型相比，具有先进的动力性，经济性和可靠性，在国内农用机械用户中具有很强的优势。与2100系列柴油机相比，2110柴油机主要在发动机机体、气缸盖、活塞连杆总成、曲轴、燃油系统等方面进行了优化、强化设计，使发动机在动力性、经济性等方面有较大的提高，也实现了增加其运用范围的目的。本文主要介绍了2110柴油机的总体设计思想的确定以及曲轴飞轮组零件的设计过程。内容包括2110柴油机总体设计方案的选择，动力性指标的确定，曲轴飞轮零件图的绘制时的参数选择，包括曲轴结构的设计，制造时所需注意的加工过程以及检验产品时强度校核等内容。本文运用到了UG三维软件制图，用以解决曲轴的油道与曲柄销减重孔的干涉问题，同时用Ricardo计算方法解决曲轴疲劳强度问题。本文综合性的对曲轴飞轮组的设计问题进行了研究。关键词：柴油机，曲轴，飞轮，UGTHE DESIGN OF 2110 DIESEL ENGINE(CRANKSHAFT and FLY WHEEL)ABSTRACTOn the basis of the 385 diesel engine, 2110 diesel engine improve to a new style, which is high-speed, medium-power and energy-saving diesel engine. At present, the models have been widely used in China's agricultural engineering machinery, small power generation. Compared with similar type diesel engine ，2110 diesel engine has advanced performance, economy and reliability in the domestic agricultural machinery, and they have millions of users. Compared with 2100 series diesel engine, 2110 diesel engines are mainly improve in the engine block and cylinder head, piston connecting rod , crankshaft, fuel system, and improve the optimization design, that improve the engine power, economy ,it also achieve the purpose that increasing its application scope.This paper mainly introduces the overall design thought of 395 diesel engine, crankshaft and flywheel the design process. Thesis includes how to selected 2110 diesel engine, the overall performance indicators identified, and the process of the design of the crankshaft flywheel will be discussed in this paper. Including the crankshaft structure design, what we must pay attention to in manufacture process.This paper uses UG 3D software to draw crankshaft, it solve the oil hole with the weight reducing hole of interference problems. And with Ricardo calculation method, it solve the crankshaft fatigue strength problems. This paper completely discuss the design of crankshaft and flywheel.KEYWORDS：Diesel engine，crankshaft，flywheel，Ricardo calculationmethod，UG 目 录第一章 前言1第二章 总体方案设计3§2.1 柴油机设计的总体要求3§2.1.1 内燃机的总体设计要求3§2.1.2 内燃机设计工作中的“三化”3§2.2 柴油机的主要设计指标4§2.2.1 动力性指标4§2.2.2 经济性指标5§2.2.3 可靠性和耐久性指标5§2.2.4 重量和外形尺寸指标6§2.2.5低公害指标6§2.3 2110型柴油机的主要参数的选择7§2.4 2110型柴油机的总体布置8§2.5 2110型柴油机的整机结构8第三章 曲轴设计10§3.1概述10§3.2曲轴的设计步骤12§3.3曲轴的结构型式及其选择12§3.4曲轴材料选择及毛坯制造14§3.5 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计14§3.6润滑油道16§3.7曲轴平衡块18§3.8曲轴的轴向定位18§3.9曲轴端部结构19第四章 飞轮设计与计算20§4.1飞轮的作用20§4.2飞轮的设计与计算21第五章 主轴承设计24§5.1主轴承的工作条件24§5.2材料要求25§5.3 常用轴承材料25§5.4轴瓦的瓦背材料26§5.5轴瓦结构设计与主要尺寸的确定26第六章 结论27参考文献28致 谢29附录30第一章 前言由于2110柴油机具有许多方面的优点，所以不论在国外还是在国内，其应用越来越广泛，世界很多的车用和船用内燃机都采用它，特别是农用车辆，把2110柴油机作为其首选动力。随着国民经济建设和生产的发展，2110柴油机已越来越广泛地得到应用，它为我国国民经济的发展作出了不可磨灭的贡献。本文主要完成了对2110型柴油机的总体方案的选择，曲轴飞轮组的设计。专题部分曲轴飞轮组的设计主要包括了曲轴的设计，飞轮的设计以及飞轮的平衡计算。重点放在了飞轮的设计计算上。目前，国内外对曲轴的设计理论主要在以下两个方面：在曲轴设计方面，采用数值计算与实验结合的方法对曲轴进行优化设计，但是这种计算方法效率低，而且难以取得最优解，针对以上不足，提出了一个曲轴结构尺寸优化的新方法，即将有限元、结构优化与计算机辅助设计相集成，采用-DEAS、VC+、ISIGHT软件设计了一个曲轴结构尺寸优化软件集成系统，实现整个优化过程的自动优化。在曲轴制造方面，我国的曲轴生产存在整体规模小，专业化程度低，企业设备陈旧，产品设计和工艺落后，性能和可靠性差，品种杂乱和通用化程度低等问题，而在国外，曲轴的生产已经很专业化，广泛的采用了数控技术及自动线，生产线一般由几段独立的自动化生产单元组成。在曲轴的锻造方面，广泛的采用CAD/CAM技术，引入管理信息系统和集成生产系统，实现了锻造生产从原材料、工艺和工艺装备最佳方案的选择和整个过程的控制。机加工方面采用曲轴动平衡自动线，使用计算机控制，实现自动测量和修正，采用在线自动检测和终检相结合的方式，连续监控加工精度，提高生产率，保证产品质量。热处理方面以德国的二段式气体软氮化法较先进，可获得单相化合物层，大大提高产品的质量和性能。飞轮的作用是将在作功行程中输入曲轴的能量的一部分贮存起来，用以在其它行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机可能克服短时间的超负荷，此外，在结构上飞轮又往往用作汽车传动系中摩擦离合器的驱动件。近几年的飞轮设计主要集中在飞轮的基本三维建模及有限元分析、飞轮的拓扑优化设计和形状优化设计上，通过基于有限元法的优化设计可以大大提高设计效率，有利于缩短设计周期，降低制造成本，在飞轮原有模型上首先对飞轮进行拓扑优化设计，可以得到优化模型的基本形状，然后在拓扑优化的基础上，进一步加以形状优化，就可以基本确定飞轮的形状。第二章 总体方案设计§2.1 柴油机设计的总体要求§2.1.1 内燃机的总体设计要求内燃机的总体设计是整个产品开发工作的第一个阶段，按照工作次序可分为：产品开发的战略决策；产品主要技术经济指标与设计结构参数的论证和选择；方案计算和总体设计图的绘制等几个阶段。总体设计的水平和决策的正确与否，对产品的水平和市场竞争力将产生决定性的影响，如有失误，在大多数的情况下，不易通过投产后的改进加以挽回。因此，总体设计者责任重大，要有高度的负责精神和使命感。产品决策阶段首先要进行市场调研，对开发机型的配套对象和各种用途的市场容量发展前景，类似机型的技术水平，生产成本，生产规模作出定量的分析，其次，就企业对所开发产品的投资能力，生产规模提出可行性分析报告。编制产品设计技术任务书，具体规定产品的各项技术经济指标和配套要求。产品总体设计时要选择和确定内燃机的主要参数，完成各主要工作系统如供油系统、燃烧系统、进排气系统的构思，绘制机体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴的方案图和整机纵横剖面图，不同缸数及典型配套机型的外形布置图，编制总体设计说明书。内燃机种类多样，使用条件各异，对总体设计也提出不同的要求。§2.1.2 内燃机设计工作中的“三化”“三化”可以提高产品的质量，减少设计成本，组织专业化生产，提高劳动生产率，便于使用、维修和配件供应。（1）产品系列化 它是指基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，以满足不同需求。（2）零部件通用化 它是指同一系列的主要零件能够通用，以减少开发成本。（3）零件设计标准化 它是指按照国家标准、行业标准或企业标准设计，提高设计图样和资料的可读性和交流性，便于技术交流，同时也起到减少生产和采购成本的作用。总之，柴油机的设计与开发是一个相当复杂的过程。一个型号产品往往要经过几年的设计与开发周期才能得以完善。§2.2 柴油机的主要设计指标§2.2.1 动力性指标动力性指标包括有效功率（P）、转速（n）、最大扭矩和最大转矩转速。1、有效功率P=*Z*n/（30T） (2-1)为平均有效压力（）；为活塞的平均速度（m/s）；为气缸的工作容积（L）；Z为气缸数；n为转速（r/min）；T为冲程数。可见，有效功率受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。2、转速（n）柴油机由于其混合气形成速度和燃烧速度比较慢的原因，转速不会太高。转速在1000r/min以上为高速，6001000r/min为中速，600r/min以下为低速。提高内燃机的转速可以使功率提高，因而使单位功率的体积减小、重量轻。但是转速提高会导致一系列的问题，比如惯性力增加，导致机械负荷增加，平衡、振动问题突出，噪声增加；工作频率增加，导致活塞、气缸盖、气缸套、排气门等零件的热负荷增加；摩擦损失增加，机械效率下降，燃油消耗率增加，磨损寿命变短；进排气系统阻力增加，充气效率下降等。表1-1 各种用途的内燃机转速范围 【单位：（r/min）】用途柴油机汽油机汽车1500500025006500工程机械与拖拉机1500280020003600内燃机车、发电机组900150028003600摩托车、摩托艇500010000中小型农用机械1200300030006000船舶（高速）1000200015002500船舶（低速）3008503、最大扭矩和最大转矩转速实际上内燃机给出的转矩指标都是最大扭矩。最大扭矩对应的发动机转速就是最大转矩转速。§2.2.2 经济性指标柴油机的经济性指标主要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时的燃料的消耗重量。对于固定工况使用的柴油机是指标定功率时上网燃油消耗率。对变工况的柴油机，则一般是指外特性曲线上的最低油耗率。比如，某内燃机的最低油耗率，则是指万有特性上的最低油耗率。当然，万有特性上低油耗区越宽广，则变工况使用的经济性就越好。（1）燃油消耗率【（g/（*h）】降低的措施主要有指示效率和机械效率。一般车用柴油机的燃油消耗率为250380 g/（*h）。柴油机的经济性是内燃机设计师和使用者永远追求的目标。（2）机油消耗率gm【（g/（*h）】机油的价格远高于燃料油，希望使用中的消耗量尽量减少，而且要求在两个保养期之间不要添加机油，一般车用柴油机机油消耗率为1.32.6g/（*h）。§2.2.3 可靠性和耐久性指标一、可靠性可靠性是指在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。对于可靠性的内燃机应在保证期内不发生停车故障和需要更换主要或非主要零件的故障。二、耐久性耐久性是指从开始使用起到大修期的时间。内燃机的大修期一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间（小时数），此时内燃机不能继续正常工作，使用中的对外表现通常为：内燃机启动困难甚至无法启动、排气冒蓝烟、机油消耗量明显加大、动力性明显下降、内燃机工作噪声变大等。§2.2.4 重量和外形尺寸指标质量、外形尺寸是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。不同用途的内燃机对质量和外形尺寸指标的要求不尽相同。比如汽车发动机要求质量和外形尺寸都要小，而工程机械和拖拉机则可稍大一些。不管怎么样，设计紧凑、质量轻总是内燃机设计者追求的目标。衡量内燃机质量的指标是比质量（kg/）：m/。柴油机得比质量范围为：表1-3内燃机得比质量范围 用 途 柴 油 机 的 比 质 量（kg/）汽 车 用46小 型 农 用单缸1626 多缸5.516 工 程 机 械 用 47机 车3.47.5船 用13.519衡量柴油机外形尺寸紧凑性的指标是体积功率（千瓦每立方米）：=/V (2-2)§2.2.5低公害指标1.噪声内燃机的噪声主要来自燃烧噪声、气体流动噪声和机械噪声三个方面。内燃机的噪声大小用声压级（dB）来表示，一般还要对测量数据进行各种计权处理，仿照人耳的听力，一般采用A计权。在噪声数据上所见到的噪声单位多为或者dB(A)。燃烧噪声主要取决于缸内气压的压力升高率。一切有利于缩短滞燃期和减少该期间燃油注入量的措施，都有利于降低燃烧噪声，比如增压、分段喷射、推迟喷油提前和减少点火提前角等。降低压缩比也是很常见的效的措施，一般与增压同时采用，否则会降低柴油机的动力性。气体流动噪声主要通过进排气消声器来控制。机械噪声主要是通过合理设计风扇结构参数和合理控制风扇转速来达到控制目的。2.有害气体的排放汽车的排放，就是内燃机的排放，说到对于环境和空气的污染，实际上是内燃机的排放污染。目前全世界对汽车的污染问题都十分重视。在设计柴油机时，尤其是车用柴油机时，一定要根据本地实行的法规制定合适的设计方案。§2.3 2110型柴油机的主要参数的选择内燃机的主要参数包括：平均有效压力Pme 、活塞平均速度Cm、缸径和缸数。这些参数反映了产品的性能和设计质量，因此选择时必须紧密结合我国工业生产发展的实际情况，同时还要对同类型国内外发动机的参数进行分析比较和试验研究。1、平均有效压力平均有效压力是标志内燃机整个循环过程的有效性及内燃机制造完善性的指标之一，值的不断提高是内燃机技术发展的重要标志。由于它决定了发动机的强化程度，反映了发动机结构与制造要达到的质量，故必须慎重的选择。进行产品设计时，平均有效压力应根据同类型发动机的实际数据来初步选定，在本次设计中，初步选定=0.6MPa。2、活塞平均速度Cm活塞平均速度Cm也是表征活塞式内燃机强化程度（热负荷和机械负）的重要参数之一。它对于内燃机的性能，工作可靠性和使用寿命有很大的影响。一般说来，Cm增大会使发动机的功率增高，但活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大，磨损加剧，寿命下降。本次设计的转速为2200r/min。3、气缸直径D和气缸数Z内燃机的缸径应符合系列型号的规定，其尾数应该取整数，优先选用0和5。此次设计的气缸直径于气缸数均由设计任务书给定，其分别为110mm，两缸。4.行程S行程增加可以提高平均有效压力但是在气缸直径不变的情况下，S的增加即行程缸径比S/D增加，导致活塞平均速度提高，有磨损加速、寿命降低等问题。行程缸径比：S/D0.91.26S=（0.91.26）D=99138.6 mm取S120 mm。§2.4 2110型柴油机的总体布置根据初步确定的内燃机主要结构参数，主要零部件结构方案和尺寸，进行内燃机的总体布置。在总体布置中要确定气缸的排列，各零部件，附件的结构和尺寸以及安装位置。绘制横剖面图。总体布置的一般要求如下：一、布置紧凑，外形尺寸小，外观整齐，外接管路尽量少。二、经常需要保养的零部件，如机油，燃油，空气的滤清器和喷油器等，接近性要好。对经常检查调整的气门间隙和喷油提前角等有关零部件应考虑到调整和拆装方便。三、应满足用户对柴油机配套所提出的各项合理要求。四、具有良好的加工和装配工艺性。五、柴油机起吊，存放和安装方便。六、总体布置要认真贯彻执行三化标准。§2.5 2110型柴油机的整机结构2110型柴油机的主要参数为：缸径D=110mm，活塞行程S=120mm，标定功率P=26Kw，转速n=2200r/min，平均有效压力Pme=0.6MPa，缸心距为130mm, 燃油消耗率不大于240g/(KW·h)。采用柴油直喷系统，活塞顶上有W形燃烧室，采用孔式喷油器，提高喷油压力，大大改善了喷油效果。机体由稀土灰铸铁铸造，机体采用隧道式机体，以保证机体的结构刚度。湿式气缸套是由高磷合金铸铁铸成的。气缸套的下部有两道O形橡胶密封环圈防止漏水。活塞用共晶硅铝合金铸造，活塞上部有二道气环和一道油环。第一环为矩形环，外圆镀铬，第二环为扭曲环。在现代柴油机设计中均采用三道环，由于现代加工方法的大大提高，可以加工形状复杂的气环与油环，改善了密封效果，另外，减少一道气环，能够减少活塞运动中的机械摩擦，提高了柴油机的平均有效功率。连杆用45号钢锻造，大头采用平切口，切口分割面用三角形的锯齿保证连杆盖的定位。曲轴材料选择球墨铸铁铸造制成，曲柄销采用挖空结构，合理布置润滑油道。曲轴平衡采用完全平衡方案，其上安装四个平衡块。曲轴的中间主轴承采用止推片起轴向定位作用。润滑系统采用压力润滑和飞溅润滑混合的方式。第三章 曲轴设计§3.1概述曲轴是发动机的主要运动件，其性能直接影响着发动机的可靠性和寿命。随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加苛刻。由于周期性变化的气体压力，往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭拒共同作用，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，还要承受一定的冲击载荷，轴颈表面受到磨损，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈表面的严重磨损，统计分析表明，破坏的曲轴中有80%左右是由弯曲疲劳产生的。因此，在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料与工艺，使其具有较高的疲劳强度，刚度及良好的动态特性。曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩（扭矩和弯矩）共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。实践与理论表明，对于各种曲轴，弯曲载荷具有决定性意义，而扭转载荷仅占次要地位（不包括因扭转振动产生的扭转疲劳破坏）。曲轴破坏的统计分析表明，80%左右是由弯曲疲劳产生的。因此，曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。曲轴形状复杂、应力集中现象相当严重，特别在曲柄至轴颈的过渡圆角区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象尤为突出。曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体润滑，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际寿命大大降低。曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不够，就会大大恶化活塞、连杆、轴承等重要零件的工作条件，影响它们的工作可靠性和耐磨性，甚至使曲轴箱局部损坏。曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动；轻则引起噪音，加速曲轴上齿轮等传动件的磨损；重则使曲轴断裂。综上所述，曲轴设计时应符合以下要求：1有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。设计时应尽量减少应力集中，加强薄弱环节；2有足够的刚度，使曲轴变形不致过大；3颈具有良好的耐磨性。应根据轴颈比压，选取适当的轴承材料、轴颈硬度和加工精度，以保证曲轴和轴承有足够的寿命；4柄排列合理，以保证柴油机工作均匀；曲轴平衡性好，以减小振动和主轴承最大负荷；5料选择适当，以充分发挥材料强度潜力。所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都应该在轻的结构重量下实现。同时，随着内燃机的不断发展，各项指标的强化，曲轴的结构也应留有发展的余地。不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。例如，为了提高曲轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作而言，可以降低轴承比压，但高转速下轴承圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增加，轴承温度升高，降低了轴承工作的可靠性。此外，曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷加大。这时，可能引起采用斜切口连杆的必要，而这种连杆刚性差，而且制造成本较高。曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量的加大，可能使刚度对扭转带来的好处得而复失。正是这些内在的矛盾推动着曲轴的发展，而在曲轴强度矛盾的总体中，应力集中处的最大应力与该力作用点的材料抗力是它的主要矛盾。影响这个主要矛盾的主要因素有：曲轴的结构、材料和加工工艺等三方面，这三种因素各自有独立的作用，相互又有影响，必须辨证地进行分析，在设计曲轴时，不应只注重结构尺寸的设计一个方面。由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映实际的理论公式可供通用。因此，目前曲轴的设计主要是依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料。借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计、强度复核、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。§3.2曲轴的设计步骤曲轴设计在柴油机总体设计阶段就开始进行。设计步骤大致如下：1根据柴油机的用途，强化程度，生产批量，缸心距以及活塞行程等参数，选择适当的曲轴材料，结构形式，毛坯制造方法及必要的强化工艺。2依据柴油机相似原则以及设计者的经验，初步选定曲柄销，主轴颈和曲柄臂的尺寸。3根据柴油机冲程数，气缸数目和排列方式，发火顺序，从保证扭矩均匀，平衡性良好，主轴承负荷不要过大等原则出发确定曲柄排列。曲轴计算：初步选定曲轴尺寸后，需对曲轴进行平衡性计算和曲轴疲劳强度计算，以验证所设计曲轴是否满足前述各项设计要求。根据上述计算结果，决定是否需要修改设计。上述方法需反复进行，并最终确定曲轴的尺寸，平衡块的大小和布置方式，润滑油道的布置，完成曲轴两端的设计，绘制出曲轴零件图。§3.3曲轴的结构型式及其选择一、按支承方式曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴。全支承曲轴是每两个（V型发动机为两排）气缸间均设有主轴承的曲轴；而非全支承曲轴是每隔两个（V型发动机为两排）气缸设有一个主轴承的曲轴。由于柴油机的爆发压力较高，因而一般都采用全支承曲轴；仅有个别小缸径柴油机为缩短缸心距，减少主轴承数，采用非全支承曲轴。按结构型式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。1、整体式曲轴整体式曲轴的毛坯是由整根钢料锻造或用铸造方法浇铸出来的。整体式曲轴结构简单，重量轻，工作可靠，而且刚度和强度较高，加工面也比较少，在中高速柴油机上应用非常普遍。2、组合式曲轴组合式曲轴是把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。按划分单元体的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴。大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用组合式曲轴。（1）、圆盘式组合曲轴这种曲轴的每个曲柄单独制造，然后用螺钉联成一根完整的曲轴。圆盘式组合曲轴各曲柄相同，这使得系列产品的曲轴制造十分方便。在使用中若发现某曲轴损坏，可单独更换损坏的曲柄，而不需要报废整个曲轴。此外，由于这种曲轴各曲柄单独制造，因而不需要大型设备，机械加工简单。这种曲轴由于结构复杂，加工精度高，因而仅少数机型采用。（2）、套合式曲轴（全套合或半套合）它的曲柄销，主轴颈，曲柄臂均分开制造，然后用“红套”或液压压入等方法连接起来。轴和孔的配合的过盈量是轴颈的1.4-1.8。为了减小应力集中，轴颈与曲柄臂相配合部分的直径加大到轴颈直径的1.051.1倍。目前，套合式曲轴主要应用于曲柄半径大于400500mm的大型低速柴油机，其中半套合式曲轴应用较多。（3）、分段式曲轴大型曲轴由于受到加工设备的限制，往往将曲轴分段制造，然后用凸缘连接起来，这种曲轴称为分段式曲轴。图3-1综上所述，此次设计采用整体式曲轴。由于此次设计的是直列两缸柴油机，故选用平面（图3-1）布置，曲柄互成空间180°夹角，静平衡但动不平衡，该方案的不平衡系数较小，易于采取平衡措施，而且此次设计的是高速柴油机，采用该布置第二阶往复惯性力较小，可以不考虑。§3.4曲轴材料选择及毛坯制造常用的曲轴材料有可锻铸铁，合金铸铁，球墨铸铁，碳素钢和合金钢等，相应的毛坯也分为铸造与锻造。锻造曲轴一般采用中碳钢或者合金钢制造，毛坯生产需要大型锻压设备，虽然毛坯尺寸比较精确，减少了加工余量，提高了材料利用率，此外，锻造能够使材料的金属纤维成方向性排列，纤维方向和曲轴形状大致相符，这大大提高了曲轴的抗拉强度和弯曲疲劳强度。但是锻造曲轴成本过高，大约是球铁曲轴的3-7倍。虽然铸造曲轴主要是球铁曲轴有很多缺点，例如弯曲疲劳强度比较低，较容易发生断裂，相同尺寸的球铁曲轴与锻造曲轴相比，刚度差。但它的优点也相当明显，例如球墨铸铁曲轴经正火处理后的机械性能已接近蔌超过一般的中碳钢，尽管钢的疲劳强度比球墨铸铁高，但曲轴的结构复杂，钢曲轴难免会有油孔、过渡圆角和材质上留有缺陷面造成应力集中，从面降低了曲轴的疲劳强度。球铁可以铸造出复杂的曲轴形状，使其应力分布均匀，且球墨铸铁对缺口敏感度低、变形小，使球墨铸铁曲轴的实际弯曲的扭转疲劳强度与正火中碳钢相近。球铁曲轴的耐磨性好，吸振能力强，有较好的自润滑和抗氧化性能。综上分析，我采用球墨铸铁曲轴。§3.5 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计在设计汽车拖拉机这一类高速内燃机的曲轴时，它的基本尺寸大多根据结构布置上的要求来确定，再由强度校核修正。因为曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴的设计不能孤立进行。各部分尺寸多以与气缸直径的相对值表示，而气缸直径又是限制曲柄销直径的重要因素。曲柄长度方向的尺寸基本上决定于气缸中心距。表3-1 曲轴主要结构尺寸的统计范围（车辆用）(中国内燃机工程师设计手册 朱仙鼎 主编)机型结构尺寸柴油机汽油机直列直列直列直列主轴径/D0.700.800.750.850.750.850.850.950.650.700.600.70/D0.300.360.240.300.300.350.250.30连杆轴径/D0.600.700.670.720.630.720.600.650.550.62/D0.320.370.230.280.310.350.450.60曲柄臂h/D0.220.280.200.250.180.250.180.22b/D1.051.31.01.30.751.20.751.2过渡圆角r/0.030.050.030.05平衡重/S0.80.90.91.00.80.91.01.11、曲柄销的直径和长度在考虑曲轴轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径。在现代发动机设计中，一般趋向于采用较大的值，以降低曲柄销的比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。但是，曲柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，对曲轴及轴承的工作带来不利。因为随曲柄销直径增大带来的轴系自振频率增加，会被旋转质量增加引起的自振频率下降所抵消，可能增加扭转振动的危害。此外，曲柄销直径增大也会增加轴承摩擦功率损失，导致轴承温度升高，增加润滑油热负荷。为此，曲柄销直径不应取得较大。曲柄销的长度是再选定的基础上考虑的。根据表3-1，初步选取曲柄销的直径=（0.600.70）D=6677mm, 取=70mm;曲柄销的长度=（0.350.45）D=38.549.6mm, 取=42mm。2、主轴颈的直径和长度：从轴承负荷出发，主轴颈可以比曲柄销细些，因为主轴承最大负荷小于连杆轴承。但是为了最大限度地增加曲轴的刚度，加粗主轴径是有很大好处的。因为第一，加粗主轴径不同于加粗曲柄销那样有很多副作用，加粗主轴颈能增加曲柄轴颈的重叠度，从而提高曲轴刚度，但几乎不增加曲轴的转动惯量，故可提高自振频率，减轻扭振危害；第二，加粗主轴颈后可以相对缩短其长度，从而给加厚曲柄臂，提高其强度提供可能。根据表3-1，初步选取主轴颈直径=（0.700.80）D=7788mm取=80mm;主轴颈长度=（0.350.50）D=38.555mm 取=40mm。3、曲柄臂：曲柄臂是曲轴中最薄弱的部分之一，它在曲柄平面内的抗弯刚度和强度都较差。实践表明：由交变弯曲应力造成的曲柄臂断裂是曲轴的主要损坏型式。曲柄臂应选择适当的厚度，宽度，以使曲轴有足够的刚度和强度。曲柄形状应合理，以改善应力分布。现代高速内燃机曲柄的形状大多采用椭圆形和圆形。试验证明：椭圆形曲柄具有最好的弯曲和扭转刚度。其优点是尽量去掉了受力小或不受力的部分，其重量减轻，应力分布均匀。但加工方法较复杂，采用模锻或铸造的方法可以直接成型。根据表3-1, 初步选取曲柄臂厚度h=（0.210.28）D=23.330.8mm 取h=24mm；曲柄臂宽度b=（1.051.30）D=115.5143.5mm 取b=120mm。4、曲轴圆角：曲轴主轴颈和曲柄臂连接的圆角称为主轴颈圆角，曲柄销和曲柄臂连接的圆角称为曲柄销圆角。由于曲柄销圆角和主轴颈圆角是曲轴应力最大的部位，且应力沿圆角轮廓分布也极不均匀，故圆角的轮廓设计十分重要。曲轴圆角半径r应足够大，根据表3-1, r/=0.030.05=2.14.0mm，圆角半径过小会使应力集中严重。为了增大曲轴圆角半径，且不缩短轴颈有效工作长度，可采用沉割圆角，设计沉割圆角时应该保证曲柄臂有足够厚度。曲轴圆角也可由半径不同的二圆弧和三圆弧组成。当各段圆弧半径选择适当时可提高曲轴疲劳强度，增加轴颈有效承载长度。本次设计遵循以上原则，选取圆角半径 r=4mm。§3.6润滑油道轴承的工作能力在很大程度上取决于润滑条件。曲轴主轴颈和曲柄销一般采用压力润滑。曲轴上油道与油孔的设计，对于曲轴轴承的润滑及曲轴强度都有重要的影响，因此必须十分慎重地选择油道的方案和确定油孔的位置。润滑油通常先进入主轴承再进入连杆轴承。将机油输送到曲轴轴承中去的供油方法有两种：图3-21、分路供油 多数柴油机采用这种供油方法。润滑油由主油道直接送到各主轴承。2、集中供油 主轴承采用滚动轴承时需采用集中供油。集中供油多采用所谓假轴承结构。假轴承上也浇有一层轴承合金。润滑油从假轴承通过轴颈上的油孔进入曲轴内腔。确定主轴颈和曲柄销上油孔定位时，既要考虑到润滑和轴瓦的冷却，又要对轴颈强度削弱最小。从保证润滑考虑，希望主轴颈油孔开在最大轴颈压力作用线方向。曲柄销油孔开在压力最小的地方，以保证连杆轴承供油充足。曲柄销最小负荷通常位于曲柄销平面以曲柄销轴心为中心向着曲轴旋转方向导前角的地方，角可由轴心轨迹图求出。从强度观点考虑，油孔不应位于曲柄平面内而应在曲柄垂直平面内。因为在曲柄垂直平面内，曲柄销表面弯曲应力和扭转切应力都比较小。因此应兼顾上述两项要求来确定油孔的位置，同时还应考虑曲轴结构和钻孔的工艺性。为了减小应力集中，油孔出口应到角，抛光。3.油孔直径：d=(0.070.10)D=5.68mm 取d=6 mm。图3-2所示为本次润滑油道的布置方案。§3.7曲轴平衡块曲轴平衡块的作用是用来平衡曲轴不平衡的旋转惯性力和旋转惯性力矩，有时也可以平衡往复惯性力及其力矩，并可以减速小主轴承的负荷。随着柴油机转速的提高，多数离心惯性力和离心惯性力矩已自行平衡的曲轴也配置平衡块，这主要是为了减轻主轴承的最大负荷，保证轴承有良好的润滑条件，减小曲轴和曲轴箱所受的离心惯性力矩。但曲轴配置平衡块后，重量增加，制造工艺复杂，曲轴系统扭转振动自振频率降低。因此，应根据转速，曲轴结构，曲柄排列，轴承负荷以及对平衡的要求等因素综合考虑是否配置平衡块。一般低速柴油机不需要配置平衡块，高度柴油机则需要配置平衡块。平衡方案的选择，平衡块重量的计算与布置，应该仔细考虑。平衡块的重心应尽量远离曲轴中心线，以提高平衡效果。但平衡块一般不超过曲轴旋转所扫过的范围。平衡块厚度一般与曲柄臂相同。§3.8曲轴的轴向定位图3-34为防止曲轴的轴向定位，保证工作正常，曲轴需设有轴向定位。中高速柴油机的曲轴通常用止推片或止推轴瓦做止推轴承。大多数柴油机把止推轴承设在输出端，这样当曲轴受热伸长时离合器的间隙可保持不变。但装在曲轴自由端的正时齿轮会产生一些位移。在一些柴油机中由于中央主轴承的负荷大而增加其长度，并用它作止推轴承。当轴向力不是很大，又不是经常作用时，止推轴承多采用翻边轴瓦，或采用止推片。翻边轴瓦的制造比较困难，所以一般内燃机中多用止推片的结构。在轴向经常作用或数值较大的情况下，多采用止推滚动轴承。本次设计采用止推片的止推方式，并且安装在中央主轴承上。§3.9曲轴端部结构曲轴两端分别为自由端和输出端。大多数柴油机的机油泵，水泵等辅助装置的驱动齿轮以及曲轴的扭转减振器均安装在自由端。飞轮装于输出端，柴油机产生的功率经输出端输出，但在某些工程机械或农用柴油机上，曲轴自由端也可输出部分乃至全部功率。驱动配气机构和喷油泵的曲轴正时齿轮布置于自由端或输出端。当曲轴正时齿轮布置在输出端时，可将正时齿轮直接制造在曲轴上。曲轴输出端一般借法兰通过定位销和螺栓来安装飞轮。为提高曲轴的扭转刚度，最后一道主轴承至曲轴法兰的轴段应尽量短粗，甚至其直径和曲轴法兰相同，这样也便于套装油封。曲轴法兰大小应根据主轴承直径及油封装置来决定。飞轮紧固螺栓分布的圆周直径，最好使螺栓孔位于主轴颈外，并能让开主轴颈到法兰过度圆角。第四章 飞轮设计与计算§4.1飞轮的作用由于曲轴所发出的扭矩是个周期变化的量，当它大于有效阻力矩时，曲轴就加速，反之就减速，造成曲轴转速的波动，减小这种波动的措施有两种：一是增加内燃机的气缸数，另一措施是在曲轴上加装飞轮。在本次设计中，任务给定是两缸，所以我们在曲轴上加装了飞轮。对任何往复式内燃机，其输出扭矩即使在稳定工况下也是不断周期性变化的。通常用扭短工 不均匀系数来判断发动机合成扭矩的均匀程度。但发动机所带动的耸动装置的有效阻力矩一般是定值。因此，当曲拐在某一位置时，发动机的输出扭矩有可能大于或小于由其所带动的阻力矩。当发动机的输出扭矩大于有效阻力矩时，曲轴就加速，反之则减速，造成曲轴转速的波动。我们把曲轴转速忽快忽慢的这种现象称之为曲轴回转不均匀性。发动机转速波动会产生一系列不良后果。如发动机驱动件与被它带动运转的从动件之间产生冲击，影响工作可靠性，降低使用寿命，产生噪音；同时使测试仪器的工作不稳定；曲轴回转的不均匀还会引起曲轴的振动。所以曲轴回转的不均匀生应控制在允许范围内。要想提高发动机的运转的稳定性，降低曲轴角速度波动的措施有：一、增加气缸数，点火均匀，使由于气缸间歇性工作带来的冲击减少。二、增加发动机转动惯量，使角速度波动率减小。最有效的方法就是安装飞轮。由于气缸数已经确定，只能通过安装飞轮来提高发动机的运转稳定。当输出扭矩大于阻力矩时，飞轮就将多余的功吸收而使转速略增；当阻力矩大于输出扭矩时，飞轮则将其储存的能量放出，此时飞轮的动能减小，而发动机转速略减。可见飞轮是一种动能储存器，它起着调节曲轴转速变化稳定转速的作用。§4.2飞轮的设计与计算在飞轮的设计中，我们先根据经验定出其外径、内径和厚度b，然后在根据经验公式对其进行校核。图4-1（内燃机设计 杨连生图5-45）尺寸的初步确定：飞轮外径（2.53.5）S=300420 mm 取=320mm；轮缘厚度h=()=3216 mm取h=25 mm =-2h=270mm； 取 b=92mm；飞轮的圆周速度：v= （4-1）=36.84m/s由于v3550 m/s 因此选取的合格。表4-1 不同缸数i四冲程发动机的扭矩不均匀系数和盈亏功系数（内燃机设计 袁兆成 表6-1）i110201.11.828150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.01由任务给定的数据，选取各种相关系数：运转不均匀系数=；飞轮转动惯量占内燃机总转动惯量的分数=0.85；盈亏功系数=0.6；飞轮的转动惯量： （4-2） = =0.5172802404（kg）由初步确定的尺寸按5-2式可计算出飞轮的重量： （4-3）HT250的密度，取7.34 =154.3510272（N）再由式5-3可计算出假设飞轮的转动惯量： （4-4） =0.342663218（kg）由于，所以，此飞轮合格。编程计算见附录1。第五章 主轴承设计§5.1主轴承的工作条件内燃机曲轴的主轴承在工作中受到冲击性的气体爆发压力和活塞连杆组惯性力的动负荷作用，由动力计算可知，其最高平均压力达2030MPa，面实际上从润滑理论分析可知，润滑油膜中局部最高油膜压力可达平均压力的610倍。由于负荷是交变的，会在合金层内形成疲劳应力状态，易使合金层产生微小裂缝，当裂纹发展并与其裂缝相汇时，合金层就会疲劳剥落。其次，高速内燃机中，轴承与轴颈之间的相对滑动摩擦速度可高达10m/s以上。在如此高速下运动，即使是液体摩擦，也会产生大量摩擦热，使轴瓦工作表面温度升高到150。如有足够润滑油通过摩擦表面，则除了可以冷却轴承外，还有可能使轴承牌完全的液体摩擦状态，即轴承和轴颈两摩擦表面完全为一层油膜所隔开面不直接接触，但是这种理想的液体摩擦状态在实际内燃机工作过程中并不能完全等到保证。因为内燃机，尤其是汽车拖拉机类型的运输式内燃机，使用工况经常变动，起动和制动频繁，容易发生所谓的边界摩擦，这时两个摩擦面依靠分子间的引力，各自吸附一层几个分子厚的润滑油膜，金属表面完全被这一层边界油膜所隔开。一旦边界油膜破裂，金属材料就可能相接接触，发生固体摩擦，造成强烈磨损，甚至表面熔化，互相括号在一起，这是轴承损坏的根源，必须避免。随着内燃机工作时间的增加，呈泡沫状和雾化状的发动机机油，在100左右的高温作用下不断被氧化变质，形成有机酸，对轴承表面产生腐蚀作用。油中机械杂质也逐渐积累，使轴承和轴颈表面遭受损伤。此外，曲轴以及曲轴箱等制造有误差，在工作中还可能发生变形，使轴颈与轴承之间产生局部的负荷集中，影响轴承的正常工作。根据这些具体的工作情况，在内燃机中一般都应用由多层金属或合金构成的轴承。因为一般具有较高力学性能的材料，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机械强度一般较差，单金属轴瓦不能满足调整重负荷曲轴轴承的要求。曲轴轴瓦一般由钢瓦背与减摩层组合而成，瓦背保证整个轴瓦的机械强度，而薄的减摩层保证良好的摩擦性能。具体来说，轴瓦的工作条件是：1. 很高的动负荷作用。容易形成疲劳应力状态，造成金属层剥落。2. 相对滑动速度高。由于摩擦，轴颈表面产生高温，达到150以上，导致机油粘度下降，承载能力下降。3. 机油在长期高温下被氧化变质，形成有机酸，腐蚀金属表面。4. 有时形成干摩擦，使金属表面熔化、粘合、撕裂。5. 由于制造误差和机械变形，造成边缘负荷。§5.2材料要求1. 有很高的机构攻耐热性。2. 有足够的减摩性能，抗咬粘性、顺应性、嵌藏性。3. 有较好的耐蚀性。4. 瓦背与减摩层有足够的结合强度，不因剪切力和热应力而分层。§5.3 常用轴承材料1. 白合金（巴氏合金）1) 锡基白合金 该合金含铜3%5%，含锑7%12%，其余是锡。锡的主要目的是提高硬度，加铜是为了防止锡偏析。锡基白合金具有优异的减摩性能和嵌藏性，而且工艺性好；缺点是疲劳强度低和高温硬度和强度明显降低。2）铅基白合金 该合金含锡5.5%6.5%，含锑5.5%6.5%，其余是铅。这种合金成本低，耐疲劳性、减摩性高，高温硬度下降少；缺点是耐摩性稍差。主要用于负荷不太高的汽油机。2. 铜基合金随着发动机的不断强化，对减摩材料疲劳强度要求大大提高。因此在中高速柴油机和车用柴油机上，高强度减摩合金的铜铅合金轴瓦的铅青铜合金轴瓦被大量采用。铜铅合金中含铅25%35%，其余为铜；铅青铜中含铅5%25%，含锡3%10%，其余为铜。考虑到铜和铅的熔点和密度相关悬殊，在结晶过程中容易出现偏析，会使性能恶化，还可加入少量的其他元素如硫、镍、锑等，以减轻以上现象。3. 铝基合金铝基合金的基本成分为铝、锡、铜。比较起来，铝基合金的耐疲劳性、减摩性、耐蚀性最好，其中含锡6%的低锡铝合金性能更好。铜铅合金次之，白合金最差。铝基合金轴承目前主要用于高速大功率、中速柴油机和车用柴油机上，有广泛应用的趋势；缺点是线膨胀系数较高。§5.4轴瓦的瓦背材料内燃机的工作条件对瓦背所提出的要求如下：1. 瓦背与合金层的粘结性能良好，即应该有足够的粘结强度。2. 轴瓦与轴承座必须是过盈配合，因此瓦背应具有足够的屈服强度。§5.5轴瓦结构设计与主要尺寸的确定1. 主轴瓦厚度t已知主轴颈直径=80 mm,由于薄壁轴瓦结构轻巧，制造精度高，互换性好，适于大量生产的特点，本次设计采用薄壁轴瓦。初步选取主轴承厚度t：t/D=（0.020.05）D=2.25.5mm 取t=3.5mm；主轴承内径d：d=80mm外径：=d+2t=87mm2. 轴承宽度B和油槽1）宽度B内燃机曲轴各轴承的宽度一般取决于发动机的总体布置。现代高速内燃机为了获得紧凑的外形尺寸，总是尽量缩短气缸中心距，以致主轴承的宽度与内径之比缩短到B/ d0.350.4,初步选取B（0.350.4）d2832 mm。2）油槽试验证明，在其他条件不变的情况下，油膜压力与轴承宽度的三次方成正比，所以当轴承面积相同时，开油槽轴承的承载能力仅为无油槽轴承的1/4。由于主轴承下轴瓦为主要承压面，因此本次设计将油槽开在上轴瓦上。第六章 结论本次设计是一次综合性较强的设计，联系到了我在大学四年里所学的所有课程，使我对内燃机设计工作有了一个全新的认识。通过本次设计，我明确了发动机产品的的设计过程，加深了我对所学专业知识的理解，锻炼了自己制图和识图的能力，特别是锻炼了自己用计算机绘图的能力，培养了自己和同学间协作的精神，这是自己走向工作岗位前的一笔宝贵的财富。本次设计虽然只是遵循前人的经验，在已有的框架上建立起自己的机器，但是在这个过程中，我学会了曲轴和飞轮的总体设计过程和它们的计算过程，我相信，在以后的工作中，它们会给我带来极大的方便的。内燃机的发展经历了相当长的过程，它到今天已经比较完善。作为新一代的人，我们应赋予它新的元素。这就需要我们创造出具有现代水平的，更能满足使用要求的，前所未有的新型内燃机。当然，这只是我的个人观点。由于受所学知识的多少，实践经验等因素的制约，我们还不可能提出更好的理论和改进意见。总之，本次设计使我们各方面的能力得到了提高。是我们以后的工作和学习的宝贵经验参考文献1. 周龙保内燃机学.北京: 机械工业出版社，2005：6252. 袁兆成内燃机设计.北京: 机械工业出版社，2008：3543. 吴兆汉内燃机设计北京：机械工业出版社，1989：2552824. 杨连生内燃机设计北京：中国农业出版社，1981：17245. 朱仙鼎中国内燃机工程师设计手册朱仙鼎上海：上海科学技术出版社，2000：2122186. 陈家瑞汽车构造北京：机械工业出版社，1994：62-887. 闫荫裳几何精度学北京：机械工业出版社，1996：22-358. 姚建明柴油机的一般设计方法上海：上海内燃机研究所：325-3629. 徐灏机械设计手册北京：机械工业出版社，1991：268-34110. 赵士林九十年代内燃机北京：机械工业出版社：18-6511 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