发动机曲轴结构设计

2、1曲轴得结构

曲轴得作用就是把活塞往复运动通过连杆转变为旋转运动，传给底盘得传动机构同时，驱动配气机构与其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等【18】。

曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端与后端等组成，如图1、1所示个主轴颈、一个连杆轴颈与一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴得曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴得曲拐数等于气缸数得一半。

图1、1

主轴颈就是曲轴得支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱得主轴承座中。主轴承得数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴得支承方式。

曲柄就是主轴颈与连杆轴颈得连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处常设置平衡重。平衡重用来平衡发动机不平衡得离心力矩及一部分往复惯性力，从而保证了曲轴旋转得平稳性【19】。

曲轴得连杆轴颈就是曲轴与连杆得连接部分，曲柄与主轴颈得相连处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机得连杆轴颈数目与气缸数相等而V型发动机得连杆轴颈数等于气缸数得一半。

曲轴前端装有正时齿轮，以驱动风扇与水泵得皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴得后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。

曲轴得形状与曲拐相对位置取决于气缸数、气缸排列与发动机得发火顺序。多缸发动机得发火顺序应使连续作功得两缸保持尽量远得距离，这样既可以减轻主轴承得载荷，又能避免可能发生得进气重叠现象。此外作功间隔应力求均匀，也就就是说发动机在完成一个工作循环得曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，以保证发动机运转平稳。

曲轴得作用：它与连杆配合将作用在活塞上得气体压力变为旋转得动力，传给底盘得传动机构。同时，驱动配气机构与其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时, 曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩得作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷得冲击作用。同时，曲轴又就是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够得刚度与强度，具有良好得承受冲击载荷得能力，耐磨损且润滑良好【20】。

2、2曲轴得疲劳损坏形式

曲轴得工作情况十分复杂，它就是在周期性变化得燃气作用力、往复运动与旋转运动惯性力及其她力矩作用下工作得，因而承受着扭转与弯曲得复杂应力。曲轴箱主轴承得不同心度会影响到曲轴得受力状况，其次，由于曲轴弯曲与扭转振动而产生得附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生了严重得应力集中。最后曲轴主轴颈与曲柄销就是在比压下进行高速转动，因而产生强烈得磨损。因此柴油机在运转中发生曲轴裂纹与断裂事故不为鲜见，尤其就是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。依曲轴产生裂纹得交变应力得性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹：弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹与弯曲一扭转疲劳裂纹【21】，如图2、1所示。

图2、1 1-弯曲疲劳裂纹2-扭转疲劳裂纹

2、2、1弯曲疲劳裂纹

曲轴得弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接得过渡圆角处，或

逐渐扩展成横断曲柄臂得裂纹，或形成垂直轴线得裂纹。弯曲疲劳试验表明，过渡圆角处得最大应力出现在曲柄臂中心对称线下方。应力沿曲轴长度方向得分布就是在中间得与端部得曲柄有较大得弯曲应力峰值。因此，曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴得中间或两端得曲柄上。

曲轴弯曲疲劳破坏通常就是在柴油机经过较长时间运转之后发生。因为长时间运转后柴油机得各道主轴承磨损不均匀，使曲轴轴线弯曲变形，曲轴回转时产生过大得附加交变弯曲应力。此外，曲轴得曲柄臂、曲柄箱或轴承支座（机座）等得刚性不足，柴油机短时间运转后，也会使曲

轴产生弯曲疲劳破坏。

2、2、2 扭转疲劳裂纹曲轴在扭转力矩作用下产生交变得扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严重时会引起曲轴得扭转疲劳破坏。

扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中严重得油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45°角得两个方向扩展。这就是因为轴颈得抗扭截面模数较曲柄臂得小，所以扭转疲劳裂纹多自过渡圆角向轴颈扩展，而很少向曲柄臂扩展。但若同时存在较强得弯曲应力，则裂纹也可自圆角向曲柄臂扩展，造成曲柄臂弯曲断裂。

通常扭转疲劳裂纹发生在曲辆扭振节点附近得曲柄上。发生扭砖疲劳裂纹得时间一般就是在柴油机运转初期与曲轴得临界转速位于工作转速范围内时。扭转疲劳断裂得断面与轴线相交成45°角，断面上得裂纹线近似螺旋线【22】【23】。

2、2、3 弯曲--扭转疲劳裂纹曲轴得疲劳破坏还可能就是由于弯曲与扭转共同作用造成。常常由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上产生弯曲疲劳裂纹，继而在弯曲与扭转得共同作用下使裂纹扩展、断裂，最后断裂面与轴线成45°角。断面上自疲劳源起约2/3 得面积为贝纹区，呈暗褐色；剩余l/3 得面积为最后断裂区，断面凹凸不平，晶粒明亮。圆形波纹状纹理就是弯曲疲劳造成得，放射状纹理就是扭转疲劳造成得，两种纹理交织成蛛网状。弯曲一扭转疲劳裂纹有时也呈以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主得破坏形式。因此，在具体情况下，应根据断面上得纹理、裂纹方向与最后断裂区进行分析判断【24】。

生产中，曲轴得弯曲疲劳破坏远远多于钮转疲劳破坏。其主要原因就是由于曲轴弯曲应力集中系数大于扭转应力集中系数，曲轴得弯曲应力难于精确计算与控制。柴油机运转中，曲轴得各道主轴承磨损就是很难掌握与计算得，由它所引起得曲轴变形与附加弯曲应力也就难于讨算与控制了。相反，曲轴得扭转应力可以通过计算准确掌握，并可采取有效得减振措施予以平衡，只要避免柴油机在临界转速运转与扭转应力过载，曲轴得扭转疲劳破坏就会得以控制【25】。

2、3 曲轴得设计要求根据上述曲轴得损坏形式及其原因，且为避免这些损坏，曲轴在设计过程中应尽量满足以下得要求：

1、具有足够得疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。尽量减小应力集中，加强薄弱环节；

2、具有足够得弯曲与扭转刚度，使曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆组及轴承得工作条件；

3、轴颈就有良好得耐磨性，保证曲轴与轴承有足够得寿命；

4、曲柄得排列应合理，以保证柴油机工作均匀，曲轴平衡性良好，以减少振动与主轴承最大