第六章 曲轴组设计
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曲柄销 主轴颈 dcj/D
0.6～0.7
曲柄臂 hcw/D
0.2～0.25
内燃机类型 直列式
汽 油 机 V形
dcp/D
0.55～0.65
lcp/D
0.35～0.45
lcj/D
0.35～0.45
bcw/D
0.8～1.2
0.5～0.6
0.45～0.6
0.65～0.8
0.3～0.35
0.18～0.22
0.8～1.1
2006-3-27 内燃机设计第三章
1缸燃气爆发时的应力分布图
图6 1缸燃气爆发时的应力分布图
2006-3-27
内燃机设计第三章
子结构的等效应力分布图
图7 子结构的等效应力分布图
2006-3-27
内燃机设计第三章
第四节 提高曲轴疲劳强度的措施
• 一、结构措施 • 曲轴各部位受力情况是不同的，以曲柄臂受力情 况最严重。从曲轴损坏的统计来看，
直列柴油机
2006-3-27
0.55～0.70
0.35～0.45
0.65～0.8
0.4～0.45
0.2～0.3
1～1.3
内燃机设计第三章
三、油道设计及油孔位置
• 油孔的布置应该由曲轴强度、轴承负荷分 布和加工工艺综合确定： • 1、设在低负荷区，保证润滑油出口阻力小， 供油充分。 • 2、从强度考虑，布置在弯曲中性面上，使 得加工方便，曲轴切应力最小。
2006-3-27 内燃机设计第三章
六、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。
2006-3-27
内燃机设计第三章
二、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；
2006-3-27
内燃机设计第三章
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：
2006-3-27 内燃机设计第三章
（2）常见曲轴曲拐的布置
1）四冲程四缸发动机曲拐布置
2006-3-27
内燃机设计第三章
2）四冲程四缸发动机点火顺序
2006-3-27
内燃机设计第三章
3）直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置
2006-3-27
内燃机设计第三章
四冲程六缸发动机点火顺序
2006-3-27
内燃机设计第三章
曲轴全支承与非全支承
优点 提高曲轴的刚度和 弯曲强度，减轻主 轴承的载荷 全支承曲轴 缺点 曲轴的加工表 面增多，主轴 承数增多，使 机体加长 应用
柴油机一般多 采用此种支撑 方式
缩短了曲轴的长度， 主轴承载荷较 使发动机总体长度 大 非全支承曲轴 有所减小
承受载荷较小 的汽油机可以 采用此种方式
2006-3-27 内燃机设计第三章
一、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；
2006-3-27
内燃机设计第三章
连杆轴颈严重烧损
2006-3-27
内燃机设计第三章
连杆轴颈划伤
第六章 Baidu Nhomakorabea轴组设计
• 第一节 曲轴设计概论
•
• •
第二节 曲轴结构设计
第三节 曲轴疲劳强度校核 第四节 提高曲轴疲劳强度的措施
2006-3-27
内燃机设计第三章
第一节 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）。 曲轴实物图
2006-3-27
内燃机设计第三章
四、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。
2006-3-27 内燃机设计第三章
2006-3-27 内燃机设计第三章
曲轴实物图
2006-3-27
内燃机设计第三章
内燃机设计第三章
三、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。
内燃机设计第三章
第三节 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n≧1.5（钢）或1.8（球墨铸铁）
2006-3-27 内燃机设计第三章
二、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。
常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、 回油螺纹等。
2006-3-27
内燃机设计第三章
五、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。
2006-3-27
内燃机设计第三章
曲柄臂弯曲疲劳断裂
2006-3-27
内燃机设计第三章
连杆轴颈扭转疲劳断裂
2006-3-27
内燃机设计第三章
二、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。
2006-3-27
– 主轴颈损坏占10％ – 曲柄销损坏占34％ – 曲柄臂损坏占56％
• 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。
2006-3-27
内燃机设计第三章
一、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 φ =(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
2006-3-27 内燃机设计第三章
第二节 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。
2006-3-27 内燃机设计第三章
整体式曲轴和组合式曲轴
2006-3-27
内燃机设计第三章
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。...
2006-3-27
0.6～0.7
曲柄臂 hcw/D
0.2～0.25
内燃机类型 直列式
汽 油 机 V形
dcp/D
0.55～0.65
lcp/D
0.35～0.45
lcj/D
0.35～0.45
bcw/D
0.8～1.2
0.5～0.6
0.45～0.6
0.65～0.8
0.3～0.35
0.18～0.22
0.8～1.1
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1缸燃气爆发时的应力分布图
图6 1缸燃气爆发时的应力分布图
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子结构的等效应力分布图
图7 子结构的等效应力分布图
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内燃机设计第三章
第四节 提高曲轴疲劳强度的措施
• 一、结构措施 • 曲轴各部位受力情况是不同的，以曲柄臂受力情 况最严重。从曲轴损坏的统计来看，
直列柴油机
2006-3-27
0.55～0.70
0.35～0.45
0.65～0.8
0.4～0.45
0.2～0.3
1～1.3
内燃机设计第三章
三、油道设计及油孔位置
• 油孔的布置应该由曲轴强度、轴承负荷分 布和加工工艺综合确定： • 1、设在低负荷区，保证润滑油出口阻力小， 供油充分。 • 2、从强度考虑，布置在弯曲中性面上，使 得加工方便，曲轴切应力最小。
2006-3-27 内燃机设计第三章
六、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。
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二、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；
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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：
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（2）常见曲轴曲拐的布置
1）四冲程四缸发动机曲拐布置
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2）四冲程四缸发动机点火顺序
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3）直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置
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四冲程六缸发动机点火顺序
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内燃机设计第三章
曲轴全支承与非全支承
优点 提高曲轴的刚度和 弯曲强度，减轻主 轴承的载荷 全支承曲轴 缺点 曲轴的加工表 面增多，主轴 承数增多，使 机体加长 应用
柴油机一般多 采用此种支撑 方式
缩短了曲轴的长度， 主轴承载荷较 使发动机总体长度 大 非全支承曲轴 有所减小
承受载荷较小 的汽油机可以 采用此种方式
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一、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；
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连杆轴颈严重烧损
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连杆轴颈划伤
第六章 Baidu Nhomakorabea轴组设计
• 第一节 曲轴设计概论
•
• •
第二节 曲轴结构设计
第三节 曲轴疲劳强度校核 第四节 提高曲轴疲劳强度的措施
2006-3-27
内燃机设计第三章
第一节 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）。 曲轴实物图
2006-3-27
内燃机设计第三章
四、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。
2006-3-27 内燃机设计第三章
2006-3-27 内燃机设计第三章
曲轴实物图
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内燃机设计第三章
内燃机设计第三章
三、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。
内燃机设计第三章
第三节 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n≧1.5（钢）或1.8（球墨铸铁）
2006-3-27 内燃机设计第三章
二、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。
常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、 回油螺纹等。
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内燃机设计第三章
五、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。
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曲柄臂弯曲疲劳断裂
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连杆轴颈扭转疲劳断裂
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内燃机设计第三章
二、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。
2006-3-27
– 主轴颈损坏占10％ – 曲柄销损坏占34％ – 曲柄臂损坏占56％
• 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。
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内燃机设计第三章
一、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 φ =(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
2006-3-27 内燃机设计第三章
第二节 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。
2006-3-27 内燃机设计第三章
整体式曲轴和组合式曲轴
2006-3-27
内燃机设计第三章
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。...
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