曲轴的设计要求

曲轴的设计要求曲轴是发动机中最重要的部件。

它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。

曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。

因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。

发动机中最重要的部件。

它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。

曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。

因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。

为减小曲轴质量及运动时所产生的离心力，曲轴轴颈往往作成中空的。

在每个轴颈表面上都开有油孔，以便将机油引入或引出，用以润滑轴颈表面。

为减少应力集中，主轴颈、曲柄销与曲柄臂的连接处都采用过渡圆弧连接。

曲轴平衡重（也称配重）的作用是为了平衡旋转离心力及其力矩，有时也可平衡往复惯性力及其力矩。

当这些力和力矩自身达到平衡时，平衡重还可用来减轻主轴承的负荷。

平衡重的数目、尺寸和安置位置要根据发动机的气缸数、气缸排列形式及曲轴形状等因素来考虑。

平衡重一般与曲轴铸造或锻造成一体，大功率柴油机平衡重与曲轴分开制造，然后用螺栓连接在一起。

高温低硫纯净铁水的获得是生产高质量球墨铸铁的关键。

国内主要是以冲天炉为主的生产设备，铁水未进行预脱硫处理；其次是高纯生铁少、焦炭质量差。

采用冲天炉熔化铁水，经炉外脱硫，然后在感应电炉中升温并调整成分。

在国内铁水成分的检测已普遍采用真空直读光谱仪来进行。

气流冲击造型工艺明显优于粘土砂型工艺，可获得高精度的曲轴铸件，该工艺制作的砂型具有无反弹变形量等特点，这对于多拐曲轴尤为重要。

国内已有一些曲轴生产厂家从德国、意大利、西班牙等国引进气流冲击造型工艺，不过，引进整条生产线的只有极少数厂家。

曲轴粗加工将广泛采用数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。

曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工。

此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速度等功能要求，以保证磨削质量的稳定。

高精设备依赖进口的现状，估计短期内不会改变。

曲轴是发动机中最重要的机件之一。

它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。

曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。

随着内燃机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻。

因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在设计曲铀时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果。

第一节曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择一、曲轴的工作条件和设计要求曲赖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。

实践局理论表明，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(不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏，由于目前多缸发动机曲轴普遍采用减振措施，这种情形很少发生)。

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圆角过渡区、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。

图5—1为曲轴应力集中示意图，疲劳裂纹的发源地几乎全部产生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处。

图5—2表明曲轴弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏的情况。

弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45。

折断曲柄；扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45。

剪断曲柯悄c所以在设计曲轴时要使它具有足够的疲劳强度，特别要注意强化应力集中部位，设法缓和应力集中现象，也就是采用局部强化的方法来解决曲轴强度不足的矛盾。

’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。

这些轴承杯实际变工况运转条件下并不总能保证液体恩德，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面道到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。

所以，·设计曲铀时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件c1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足，就会大大恶化活塞、连秤、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。

所以，了没计曲轴时。

应保证它有尽可能高的弯曲刚度和钮转刚度。

／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，可能引起来用斜切口连杆的必要，·而这种连杆刚性较差，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，可能使刚度对扭振带来的好处得而复失。

正是这些内在的矛盾推动着曲轴设计的发展，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的矛盾是它的主要矛盾。

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，必须辩证地进行分析，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客现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。

二、曲轴的结构型式曲轴的结构与其制造方法有直接关系，体式和组合式两大类：(一)整体式曲轴在进行曲轴结构设计时必须同时考虑。

曲软分整整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根饲料锻造或用铸造方法浇铸出来。

为4105高速柴油机整体铸造曲轴，图5—35为CA—72型V—8发动机整体锻造曲轴。

整体式曲轴具有工作可靠、重量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少，是中小型发动机曲轴广为应用的结构型式。

只要工厂有条件制造。

设计上总是尽量采用整体结构。

但是，当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，这种曲轴的加工比较困难，需要用大的专用设备，而且某一部分因加工不合格或使用中损坏时，整根曲轴便要报废。

整体式曲轴一般与滑动轴承相配合。

但是，单缸发动机的整体式曲轴却往往与滚动轴承配合，借以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。

(二)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。

单元体的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴，见图5—4a、b、c。

按划分大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用这种组合式结构的曲轴。

因为大功率柴油机的曲轴粗而长，采用整体式结构则加工困难，有的甚至不可能。

例如，6ESDz75／60柴油机曲勒重达800牛顿，长达12．5米，这么大的曲轴，由于受到设备的限制不能制成整体式，只得采用组合式结构。

小型单缸二冲程发动机围结构与润滑系统的简化，连杆轴承一般采用滚针(柱)轴承，这时把连杆大头做成整体式，其曲拐必须采用可分开的组合结构才能进行装配。

在中型高速内燃机上，这种组合式曲轴用的不多。

此外，还有一种盘形组合曲轴，12V135型高速柴油机的曲轴就属于这种类型(图1—21)。

它的结构特点是采用球墨铸铁作曲轴材料，把圆盘形曲柄兼作主轴颈，采用滚动轴承作为主轴承。

把单位曲拐制成后用螺栓紧固联成一根曲轴。

扭矩的传递主要依靠结合面之间的摩擦力。

这种曲铀的主要优点是：曲柄兼作主轴颈，可使缸心距缩短，柴油机的总长度减小；可适当增加曲柄销宽度，改善连杆大头轴承的工作条件，利于发展v型并列连杆系列产品：因主轴颈很大，使轴颈重叠度增加很多，因而曲轴刚度大，自振频率高，扭振应力小；由于各缸单位曲拐结构相同，用几个相同的曲拐就可以装配成不同缸数的曲轴，这就简化了曲轴的生产，有利于产品系列化；而且，在使用中任何一个曲拐有缺陷或损坏时，可以单独更换，不必将整根曲轴报废；采用滚动轴承摩擦损失小，机械效率高，寿命较长，在非增压柴油机上它的寿命可达15000小时。

圆盘形组合曲轴的缺点是：滚动轴承的采用要消耗大量合金钢材，成本约贵九倍。

而且滚动轴承比滑动轴承要重得多，噪音大，拆装也不方便；这种曲轴要求隧道式机体，虽然机体的刚性较好，但比一般机体要重；结构复杂，有很多结合面，只有在高的制造精度的前提下，才能保证装配后曲轴的积累误差仍在正常规定范围内。

最后必须指出：由于主轴承采用滚动轴承，使润滑油引入比较困难，它不能直接从主轴承引入，要采用特殊的结构。

在12V135型柴油机上采用假轴承结构：在曲轴端部专设一段供油轴颈(图1—21曲轴前端带T型槽的那段轴颈)，上面套有假轴承(因为它不起支承作用，只把润滑油引入轴颈内腔)。

假轴承固定在机体上不随曲拐转动，为了避免可能发生的磨损，假轴承的内壁也有轴承合金，它与曲轴的配合间隙较小，以减少泄漏。

润滑油进入假轴承后，通过T型泊道进入轴颈内腔，再流向其它各轴颈油道。

三、曲轴的材料在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。

因此，必须根据内燃机的用途及强化程度，正确地选用曲轴材料。

在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。

以铸代银，以铁代钢。

作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求有高度的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。

同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。

钢制曲轴除极少数应用铸钢以外，绝大多数采用锻造。

锻造曲铀的材料有碳素钢和合金钢。

碳素钢的弹性模数与合金钢相近，在刚度方面两种材料的曲轴并无多大差别。

合全钢的强度虽比碳素钢高，但对缺口的敏感性很强，因而对机械加工要求严格。

无论在材料价格还是生产费用上碳素钢都要便宜得多／所以在汽车拖拉机发动机和农用内燃机这一类强化程度不太高的中高速内燃机上，广泛采用中碳钢45(精选含碳量为0．42一o．47％)模锻曲轴。