毕业设计（论文）-某汽油机曲轴飞轮组设计

摘 要曲轴是汽油机最主要的部件之一。它的尺寸参数在很大程度上决定并影响着汽油机的整体尺寸和重量，汽油机的可靠性和寿命也在很大程度上取决于曲轴的强度。因此，设计新型汽油机或老产品进行改造时必须对曲轴强度进行严格的安全校核。本文主要介绍了汽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。内容包括汽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，包括曲轴及飞轮结构的设计，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。本文还运用到了Pro/E三维软件制图对曲轴飞轮组所有零件进行三维建模：包括整体式曲轴（全支承），曲轴前端的正时齿轮、皮带轮、甩油盘等，扭转减振器，飞轮及其齿圈等。对各组件进行虚拟电子装配。关键词：汽油机，曲轴，飞轮，Pro/E全套图纸加扣 3346389411或3012250582ABSTRACTGasoline engine crankshaft is one of the main components. Its dimensions and influence largely determines the overall size and gasoline weight, reliability and life of gasoline also largely depends on the strength of the crankshaft. Thus, the strength of the crankshaft must be strict security check designing new or old gasoline engine when the product transformation. This paper describes the design process to determine and set of parts crankshaft flywheel gasoline overall design ideas. Including overall design choice gasoline, determining dynamic indicators parameter selection draw when the crankshaft flywheel parts diagram, including the crankshaft and flywheel design of the structure, the required attention to the manufacturing process and the time to test the product strength check content. The article also apply to the Pro / E three-dimensional mapping software on the crankshaft flywheel group all parts for three-dimensional modeling: including the overall crankshaft (full support), the front end of the crankshaft timing gears, pulleys, dumped oil pan, etc., torsional damper, flywheel and the ring gear and the like. Each virtual electronic components for assembly. Keywords: Gasoline engine, Crankshaft, Flywheel, Pro/ E目录摘 要1ABSTRACT1第一章 绪论41.1 选题背景及意义41.2 国内外研究概况41.3 曲轴飞轮组概述51.3.1曲轴61.3.2曲轴扭转减振器61.3.3飞轮6第二章 总体设计方案82.1汽油机设计要求82.2汽油机的主要参数82.2.1 参数要求82.3.2 参数选定9第三章 曲轴设计103.1 曲轴设计要求103.2 曲轴结构设计103.2.1支承方式的选择103.2.2 结构型式的选择103.2.3 曲轴的轴向定位113.2.4曲轴端部结构设计113.2.5 润滑油道布置123.3 曲轴主要尺寸的确定133.3.1 曲柄销的直径和长度133.3.2 主轴颈的直径和长度143.3.3 曲柄臂143.3.4 曲轴圆角153.4 曲轴材料选择及毛坯制造153.5 曲轴的平衡153.5.1曲轴的平衡性分析153.5.1 曲轴平衡块的布置方式173.6 曲轴疲劳强度校核183.6.1 疲劳强度计算183.6.2 提高曲轴疲劳强度的结构措施233.6.3提高曲轴疲劳强度的工艺措施24第四章 飞轮设计与计算264.1飞轮的作用264.2飞轮的设计与计算26第五章 其他附件的设计295.1 主轴承的设计295.1.1主轴承的工作条件295.1.2 轴承材料选定305.1.3 轴瓦结构设计与主要尺寸的确定305.2 曲轴扭转减振器31参考文献33结 论34致 谢35第一章 绪论1.1 选题背景及意义近年来随着社会的发展，农业经济体制和规模发生了很大改变，交通运输以及城乡物流业的迅速发展，使中小功率汽油机销量持续上升。由于不受爆燃的限制以及汽油自燃的需要，汽油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，汽油机的扭矩大，最大功率时的转速低，因此，汽油机在配套使用中将更进一步显示出其优越性。到目前为止，汽油机也已成为一种排放清洁、节省能源的动力。在欧洲，汽油车销量已占汽车总销量的40%多，美国市场的汽油车销量也在逐渐增加。目前我国农用车行业内外环境，包括社会认识、市场供求关系、产品和制造技术，都发生了许多新的变化。农用车是我国一个特色的运输车品种，其投资少、运输能力强、产出大，正好满足建设节约型社会、提高资源使用效率的需求，从整个国家来讲，具有长远的战略意义。目前我国中东部地区对农用车仍然大量需要，并且西部经济有待进一步发展的地区随着发展农民收入的增加，潜在的市场非常大，农村运输工具的不足带动了轻型和低速载货汽车的发展，而汽油机车的经济性拉动了轻型汽油汽车的迅速发展，以及在农村经济发展和国家政策的调整潮流下，国内小型农用工程机械市场前景非常好，产销量迅趋火爆，发展前景广阔。1.2 国内外研究概况曲轴是在不断变化的气体压力、往复和旋转惯性力以及它们的力矩（转矩和弯矩）共同作用下工作的，使曲轴既受扭转又受弯曲，产生疲劳应力状态。设计曲轴时，应保证它有尽可能高的弯曲和扭转强度。曲轴各轴颈在很高的比压下以很大的相对速度在轴承中相对滑动，由于曲轴运转工况变化剧烈，有时不能保证液体润滑，使曲轴寿命大大降低。所以设计曲轴时要使其摩擦表面耐磨。目前，美国、德国、日本等汽车工业发达国家都正致力于开发绿色环保高性能发动机，传统的曲轴材料和制造工艺已无法满足其功能要求。这些汽车工业发达国家对曲轴加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。而国内目前在曲轴材料、加工技术等方面十分落后，但随着中国加入WTO国内一些曲轴生产厂家已经意识到形势的紧迫性，为了提高产品竞争力，引进了许多先进的设备和技术，使国内的曲轴生产水平有了很大的提高，但总体上仍落后于日本和西方发达国家。 1）材料 曲轴材料有三种：中碳钢、合金钢和球墨铸铁。由于球墨铸铁切削性能良好，可获得较理想的结构形状。并且和钢质曲轴一样可采用各种热处理和表面强化处理来提高抗疲劳强度、硬度和耐磨性。球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本的1/3左右，因此在国内外得到了泛的应用。本次设计的汽油机就采用球墨铸铁作为曲轴的材料。 2）机械加工技术 目前国内的曲轴生产厂家多采用普通机床加工，生产效率和自动化程度较低。国外一些发达国家早已采用专用机床组成的自动化生产线，生产效率和产品质量大大提高。本次设计的汽油机曲轴将采用专用机床来提高生产效率和产品质量。 3）热处理和表面强化处理技术，曲轴的热处理关键技术是表面强化处理。球墨铸铁曲轴一般采用感应淬火或氮化工艺。国外一些球墨铸铁曲轴采用滚压工艺与离子氮化进行复合强化，可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。本次设计的汽油机曲轴将采用圆角滚压强化的氮化处理来提高曲轴的抗疲劳强度。 飞轮的作用是调节曲轴转速变化，稳定转速。飞轮的关键尺寸是外径，对于灰铸铁飞轮，圆周速度不要超过3550m/s否则容易造成由于离心力过大，材料的抗拉不足而使飞轮损坏及材料碎裂飞出的事故。本次设计的汽油机飞轮采用灰铸铁材料。1.3 曲轴飞轮组概述曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带轮、正时齿轮(或链条)等组成。如图2-42所示是曲轴飞轮组的总体结构。1.3.1曲轴曲轴是承受连杆传来的力，并将其转变为扭矩，然后通过飞轮输出，另外，还用来驱动发动机的配气机构及其他辅助装置(如发电机、风扇、水泵、转向油泵等)。在发动机工作中，曲轴承受周期性变化的气体压力、旋转质量的离心力和往复惯性力以及它们的力矩的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，产生疲劳应力状态。为了保证工作可靠，因此要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作表面要求耐磨而且润滑良好，还必须有很高的动平衡要求。1.3.2曲轴扭转减振器在发动机工作过程中，连杆作用在曲轴上的力呈周期性变化。这样就会使质量较小的曲拐相对于质量较大的飞轮有扭转摆动(曲拐转速较飞轮转速忽快忽慢)，这就是曲轴的扭转振动。当这种扭转振动的自振率频与连杆传来的呈周期性变化的激振频率成整数倍关系时，曲轴便会产生共振。这种现象既损失发动机的功率，也会破坏曲轴和装在上面的驱动齿轮、链轮、链条等附件，严重时甚致将曲轴扭断。为消除这种现象，曲轴前端装有扭转减振器1.3.3飞轮飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是将在作功行程中输入于曲轴的功能的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，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，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，此外，飞轮又往往用作摩擦式离合器的驱动件。第二章 总体设计方案2.1汽油机设计要求汽油机设计是一项复杂的工作，它的许多零件是在经受高温，高应力和剧烈磨擦的苛刻条件下工作的。因此，我们在设计的时候，首先要根据实际需要来确定设计的目的和要求。（1）功率和转速 作为动力机械，使用者对汽油机第一位的要求是应该能够在规定转速下发出所要求的功率。转速和功率的具体数值是根据用途来确定的，它在设计中一般会给出，要求设计者能够按要求设计产品。（2）汽油机的经济性 汽油机的经济性包括：汽油机的使用价值应该尽量大，而为使用汽油机所必须付出的代价应尽量小。（3）高的工作可靠性和足够的使用寿命。（4）汽油机外廓尺寸的紧凑和质量 在许多中动力装置中，为了能有更多的有用空间，希望汽油机本身占用的空间缩至最小，即要求汽油机的设计紧凑，空间占用小，汽油机的质量就小，质量小是我们追求的目标。质量小在某种程度上表明所耗用的金属质量少。（5）汽油机设计的三化问题 所谓三化，指产品系列化，零部件的通用化和设计的标准化。（6）汽油机的可靠性及其它 工作可靠是汽油机应该具有的起码性能，否则其它性能将无从谈起。2.2汽油机的主要参数2.2.1 参数要求本次设计的汽油发动机参数如下：序号工作过程计算参数单位数值1设计指标标定有效功率kW1002标定转速r/min65003标定最大扭矩Nm1654设计最大扭矩转速r/min50005最低稳定转速r/min7006缸径m0.0857冲程m0.0888压缩比109缸数410燃料汽油2.3.2 参数选定（1）气缸数与缸径压缩点火式汽油机，由于燃烧过程的特点，汽缸直径不能过小，一般以不小于85mm为宜。汽油机的缸径应符合系列型谱的规定，其尾数应该取整数，优先选用0和5。给定设计项目的汽油机气缸数为4，缸径为85mm。（2）活塞平均速度活塞平均速度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。本次设计的标定转速为6500r/min。（3）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=0.5MPa。（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。本次设计中给定行程S=88mm（5）气缸中心距及其与缸径的比值气缸中心距及其与缸径的比值，是表征汽油机长度的紧凑性和重量指标的重要参数，它与汽油机的强化程度、气缸排列和机体一的刚度有关。缸心距的大小主要取决于气缸盖型式（整体式、块状式或单体式）、气缸套型式（干式或湿式）、直列式还是V型、水冷还是风冷、以曲轴的结构型式和尺寸分配。本设计中气缸中心距L取为96mm。（6）压缩比压缩比直接影响汽油机的性能、机械负荷、超支性能，以及主要零件的结构尺寸。在一定范围内，汽油机的热效率随压缩比的增加而提高。增大压缩比也可使汽油机的起动性能获得改善。但压缩比的提高将使气缸最高爆发压力相应上升，机械负荷增加对汽油机使用寿命有影响。此次设计中压缩比初步定为10。第三章 曲轴设计3.1 曲轴设计要求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，以保证汽油机工作均匀；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。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。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 曲轴结构设计3.2.1支承方式的选择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。由于汽油机的爆发压力较高，因而一般都采用全支承曲轴；仅有个别小缸径汽油机为缩短缸心距，减少主轴承数，采用非全支承曲轴。因此此次设计采用全支承曲轴。3.2.2 结构型式的选择按结构型式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。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，在中高速汽油机上应用非常普遍。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。大功率汽油机和小型二冲程发动机上常采用组合式曲轴。由于此次设计的是直列四缸汽油机，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汽油机，采用该布置第二阶往复惯性力较小，可以不考虑。图3-1综上所述，此次设计采用整体式曲轴。3.2.3 曲轴的轴向定位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。中高速汽油机的曲轴通常用止推片或止推轴瓦做止推轴承。大多数汽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。在一些汽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，所以一般汽油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。图3-34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。3.2.4曲轴端部结构设计曲轴两端分别为自由端和输出端。大多数汽油机的机油泵，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，汽油机产生的功率经输出端输出，但在某些工程机械或农用汽油机上，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。3.2.5 润滑油道布置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：（1）分路供油 多数汽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=5.958.5mm 取d=6 mm。图3-2所示为本次润滑油道的布置方案。图 3-23.3 曲轴主要尺寸的确定在设计汽车拖拉机这一类高速汽油机的曲轴时，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）机型 结构尺寸柴油机汽油机直列V列直列V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/S0.80.90.91.00.80.91.01.13.3.1 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=（0.600.65）D=5155.25mm, 取=55mm;曲柄销的长度=（0.310.35）D=26.3529.75mm, 取=28mm。3.3.2 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=（0.650.70）D=55.2559.5mm取=60mm;主轴颈长度=（0.300.35）D=25.529.75mm 取=28mm。3.3.3 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。现代高速汽油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=（0.180.25）D=15.321.25mm 取h=20mm；曲柄臂宽度b=（0.751.20）D=63.75102mm 取b=70mm。3.3.4 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=2.554.25mm，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=3mm。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，本次设计采用球墨铸铁曲轴。3.5 曲轴的平衡3.5.1曲轴的平衡性分析对曲曲轴轴平衡性的分析可以采用两种方法,矢量图法和数学分析法,此次设计中我采用的是数学分析法:（1）分析因为所以取通过第二气缸中心线且垂直于曲轴中心线的平面为力矩的计算基准平面。 令得即因为和的公式形态一样所以可知，令得2=30即，由上得知一、二级往复惯性力矩的正、反转矢量 （2）惯性力矩的平衡方法一般,只采用曲轴附加偏角(或扇形)平衡块的方法将全部平衡掉。其中，K值需要与汽油机的配套装置一道试验确定。对一、二级往复惯性力，不另添置平衡轴，而让其自行存在。由此收起的振动是许可的。为了获得良好的外部平衡性能，应对带平衡块的曲轴进行仔细地静、动平衡，并把活塞组、连杆组的重量严格控制在误差范围内。3.5.1 曲轴平衡块的布置方式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。随着汽油机转速的提高，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。一般低速汽油机不需要配置平衡块，高度汽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。3.6 曲轴疲劳强度校核3.6.1 疲劳强度计算本计算采用Ricardo计算方法,该计算方法有两点假设。曲轴的每一曲拐是相互独立的，不受曲轴其他部分受力的影响，并以简支梁的形式支撑在主轴承上。曲轴所受力是以点负荷的形式作用在曲轴上的。如图5-1图5-1 曲拐受力分析图（1）已知条件缸径D=85,行程S=88,连杆长L=150,气缸数i=4,发动机转=6500r/min,最大平均有效压力Pme=0.5MPa,活塞连杆组往复质量m1=1.6Kg,活塞连杆组旋转质量m2=3.1Kg。（2）弯曲应力计算 1）曲轴受力计算（a）压缩上止点时的曲轴作用力： (5-2)式中，活塞连杆组往复质量力；活塞连杆组旋转质量力； （b）燃气作用力：则（c）排气上止点时的曲轴作用力： 2）单个曲拐危险截面上的弯矩（a）圆角处（b）连杆轴颈中央油孔处 式中，、分别为曲拐危险截面的最大和最小弯矩。3）名义弯曲应力 ， 式中，为弯矩，。、为截面的最大、最小名义弯曲应力。（a）圆角处 （b）连杆轴颈中央油孔处4）名义弯曲平均应力及名义应力幅为， （a）圆角处 （b）连杆轴颈中央油孔处 5）弯曲应力，；式中，应力集中系数, 、为弯曲平均应力及弯曲应力幅；根据理论应力集中系数由式（5-3）计算。 （5-3）式中， ；式中，连杆轴径，曲柄臂厚度。式中，主轴颈直径。 则 （5-4），则。 = 圆角处 = 杆轴颈中央油孔处取连杆轴颈中央油孔处的应力集中系数，带入（5-4）得，则 （3）切应力计算 1）扭矩计算 （5-5）式中，为发动机平均扭矩；将已知条件代入得；最大扭矩式中为系数，两缸机取=10。最小扭矩 2）名义应力连杆轴颈的抗弯截面系数， =63，则式中，分别为名义最大，最小切应力。名义平均切应力及名义切应力幅分别为 3）切应力（a）圆角处理论应力集中系数 式中，为圆角半径，为重叠度，连杆轴颈直径。将代入式（5-4）中得，则切应力集中系数 则式中，、为平均切应力及切应力幅。（b）连杆轴颈中央油孔处理论应力集中系数，将其代入式（5-4）中得，切应力集中系数 则根据以上计算数值参考经验数值14此次设计的曲轴可采用材料40Cr此材料的强度完全满足以上要求。3.6.2 提高曲轴疲劳强度的结构措施在载荷不变的条件下，要降低最大弯曲应力，提高曲轴的弯曲强度就应设法降低曲轴圆角处的应力集中效应；适当减小单拐中间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀，即用结构措施使弯曲形状系数最大限度下降。（1）加大轴颈重叠度采用短行程是增加重叠度的有效措施，它比通过增大主轴颈来增加重叠度的作用大。为了使重叠度A变成无量纲参数，以便对不同发动机进行比较，引用重叠度 （5-1）（2）加大过渡圆角过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质量和光洁度等对曲轴应力的影响十分明显。前面已论述为了减小圆角部位的应力集中效应，必须增大圆角半径R。但随R的增大轴颈有效承压长度缩短。为解决这一矛盾，设计了曲率过渡曲线。但是这种过渡曲线要求对精磨圆角的砂轮进行专门的修整，工艺复杂。如果修整的不准，可能会弄巧成拙，所以应用不广。为了能增大半径R同时保证轴颈的有效承压长度，可采用曲轴沉割圆角。它把过渡圆角移到曲柄上，形成组合内凹圆角，这时最大应力点移向曲柄里端，因此要注意内凹圆角不能太深，否则会过多的削弱曲柄的强度，反而使曲柄强度降低。一般R/D=0.05-0.07，当R 0.07D时，随R的增加，使应力集中减少已不明显。由于工艺上的考虑，在任何情况下R的绝对值不应小于2mm。为了使曲轴工作可靠，圆角表面光洁度不应小于8 ，不允许存在材料组织的缺陷。（3）采用空心轴颈若以提高曲轴弯曲强度为主要目标，采用主轴颈为空心的半空心结构就行了。若同时要减轻曲轴的重量和减小曲柄销的离心力，从而降低主轴承负荷，则宜用全空心结构，且将曲柄销内孔向外侧偏离。一般以d/D=-0.4左右效果最好 。此外，轴颈空心孔德缩口厚度度圆角弯曲应力有一定影响，当T/h=0.2-0.4时，弯曲应力下降较多。3.6.3提高曲轴疲劳强度的工艺措施工艺措施就是采用局部强化的方法来充分发挥材料强度的潜力，解决载荷与抗力这一主要矛盾，以使曲轴趋向等强度。它提供拉在曲轴结构不变的条件下，强化发动机的可能性。（1）圆角滚压硬化曲轴圆角滚压强化是近年来应用越来越广的圆角强化方法。曲轴圆角滚压能提高疲劳强度的原因 ，在于金属表面在滚轮机械力的作用下应力超过了材料屈服极限时，产生塑性变形，产生冷作硬化，硬度提高，金属表层直到某一深度出现残余应力，在深处则产生低值的补偿拉应力。去除滚轮机械力后，表层塑性变形后略有恢复，然后取得稳定。压缩应力由于永久变形的存在残留了下来。表层的残余应力抵消了部分工作拉伸应力，使零件疲劳强度大大提高。因为疲劳强度通常是由拉伸应力反复作用的结果，并始于金属表面。所以滚压强度实质上是一个预应力强化方法。此外，表面滚压后可以提高圆角表面光洁度，消除显微裂纹和针孔、气孔等铸造缺陷。因此，珠光体球墨铸铁曲轴圆角滚压效果最明显。（2）轴颈和圆角表面同时进行淬火为了提高曲轴轴颈表面的耐磨度，一般都用高频电流感应加热的方法进行表面淬火。它是用热处理的方法使金属发生组织相变，从而使轴颈耐磨性提高。淬火层深一般为3-7毫米，硬度HRC55-63。限于工艺上的原因，一般两端圆角部分不淬硬。这样，在轴颈表面淬硬部分因产生残余压缩应力而得到强化。反之，未被淬硬的圆角部分因形成回火区，出现残余应力被削弱。因此，为了改善轴颈耐磨性而采用的表面淬火措施，对疲劳强度起拉反作用，因为他加强了本来比较弱的部分。为此，采用专门的工艺措施，把圆角部分一起淬硬。（3）喷丸强化它与滚压强化一样，亦属于利用冷却变形，在金属表面上留下了拉应力，而且使表面硬度增加，从而提高曲轴疲劳强度的方法。喷丸处理时，公称粒度0.5mm左右的喷丸，从高速旋转的喷射枪中以高速喷射到缓慢旋转的曲轴表面上，使曲轴表面产生残余压应力，起强化作用。喷丸比滚压优越的地方在于使曲轴整个表面都能得到强化，甚至包括未加工的高压力区，同时适于大批生产，轴颈摩擦表面不需喷丸。（4）氮化处理氮化处理是一种化学热处理强化金属表面的方法。氮化处理后，由于氮的扩散作用，在曲轴表面产生一层由氮化铁及碳化铁组成的化合物层，它有极高的耐磨性，而且抗胶合、耐磨蚀。化合层内部为氮的扩散层，由于氮不断向内部扩散，使得金属体积增大，因而产生挤压应力。一般曲轴精磨后进行氮化，氮化后不应再进行机械加工，否则曲轴的疲劳强度又将下降。氮化处理不仅适用于钢曲轴，也同样适用于球铁曲轴。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：一是增加汽油机的气缸数，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。对任何往复式汽油机，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：（1）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。（2）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（汽油机设计 杨连生图5-45）尺寸的初步确定：飞轮外径（2.53.5）S=220308 mm 取=260mm；轮缘厚度h=()=1326mm取h=15mm =-2h=230mm； 取 b=40mm；飞轮的圆周速度：v=68m/s由于v5080 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（汽油机设计 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=；飞轮转动惯量占汽油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。第五章 其他附件的设计5.1 主轴承的设计5.1.1主轴承的工作条件汽油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，高速汽油机中，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汽油机工作过程中并不能完全等到保证。因为汽油机，尤其是汽车拖拉机类型的运输式汽油机，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。随着汽油机工作时间的增加，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，在汽油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。5.1.2 轴承材料选定（1）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。（2）常用轴承材料白合金（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。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。因此在中高速汽油机和车用汽油机上，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。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、中速汽油机和车用汽油机上，有广泛应用的趋势；缺点是线膨胀系数较高。（3）轴瓦的瓦背材料汽油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。5.1.3 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=2.5mm；主轴承内径d：d=60mm外径：=d+2t=65mm（2）轴承宽度B和油槽1）宽度B汽油机曲轴各轴承的宽度一般取决于发动机的总体布置。现代高速汽油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）d=2124 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。5.2 曲轴扭转减振器在发动机工作过程中，连杆作用在曲轴上的力呈周期性变化。这样就会使质量较小的曲拐相对于质量较大的飞轮有扭转摆动(曲拐转速较飞轮转速忽快忽慢)，这就是曲轴的扭转振动。当这种扭转振动的自振率频与连杆传来的呈周期性变化的激振频率成整数倍关系时，曲轴便会产生共振。这种现象既损失发动机的功率，也会破坏曲轴和装在上面的驱动齿轮、链轮、链条等附件，严重时甚致将曲轴扭断。为消除这种现象，曲轴前端装有扭转减振器，如图256所示。汽车发动机最常用的曲轴扭转减振器是摩擦式扭转减振器，其可分为橡胶式扭转减振器及硅油式扭转减振器两类。在橡胶摩擦式扭转减振器中如图257所示，转动惯量较大的惯性盘5用一层橡胶垫和由薄钢片冲压制成的盘3相连。盘3和惯性盘5都同橡胶垫4硫化粘接。盘3的毂部用螺钉固定在装于曲轴前端的风扇皮带轮上。当曲轴发生扭转振动时，曲轴前端的角振幅最大，而且通过皮带轮毂带动圆盘3一起振动。惯性盘5则因转动惯量较大而实际上相当于一个小型的飞轮，其转动瞬时角速度也就比圆盘3均匀得多。这样，惯性盘5就同盘3有了相对角振动，而使橡胶垫4产生正反方向交替变化的扭转变形。这时由于橡胶垫变形而产生的橡胶内部的分子摩擦，消耗扭转振动能量，整个曲轴的扭转振幅将减小，把曲轴共振转速移向更高的转速区域内，从而避免在常用转速内出现共振。上海桑塔纳轿车发动机的曲轴上采用了橡胶扭转减振器。橡胶减振器结构简单，工作可靠，可选择获得最大减振效果的固有频率也可系列化。此外，还有干摩擦式扭转减振器和粘液式减振器。扭振减振器常放在扭振振幅最大的曲轴自由端。为节省空间或传动上的方便很多小轿车汽油机上常利用皮带轮作为减振体。在一些高级轿车汽油机上，还采用双重减振器，它是在皮带轮的外圆柱面和内侧端面分别用橡胶与一个扭振减振体和一个弯曲减振体硫化成整体。它可抑制曲轴的扭转振动和弯曲振动。本设计选用橡胶式扭转减振器。参考文献1汽油机科技丛书_高速汽油机概念设计与实践_许道延_20032汽车发动机现代设计_徐兀_19953姜洪宇，黄春元国内外曲轴加工技术的现状及发展.黑龙江科技信息，20084汽油机学_周龙保_20005邵立新，段立霞.汽油机曲轴结构设计的方法.农机使用维修，20086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姚建明汽油机的一般设计方法上海：上海汽油机研究所：325-3629徐灏机械设计手册北京：机械工业出版社，1991：268-34110赵士林九十年代汽油机北京：机械工业出版社：18-6511蒋德明汽油机原理北京：机械工业出版社，1988：12-6512符锡候，杨杰民车辆用汽油机总体设计上海：上海交通大学出版社：268-35113杨可桢机械设计基础北京：高等教育出版社，1998：135-22114杨杰民现代汽车发动机技术上海：上海交通大学出版社 ，1999：134-16815H李斯特A皮辛格汽油机设计总论机械工业出版社，1975：165-214结 论这次设计的三个月时间里，我从不了解到深刻的理解汽油机曲轴飞轮组的设计课题，对我们大学四年所学到的知识，特别是对机械设计、机械原理、汽车构造、发动机原理，发动机设计以及机械制图方面