发动机曲轴结构设计

2.1 曲轴的结构

曲轴的作用是把活塞往复运动通过连杆转变为旋转运动，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，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、前端和后端等组成，如图1.1所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴的曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。

图1.1

主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。

曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，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的离心力矩及一部分往复惯性力，从而保证了曲轴旋转的平稳性【19】。

曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，曲柄与主轴颈的相连处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目与气缸数相等而V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。

曲轴前端装有正时齿轮，以驱动风扇和水泵的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。曲轴的后端用来安装飞轮，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。

曲轴的形状和曲拐相对位置取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。多缸发动机的发火顺序应使连续作功的两缸保持尽量远的距离，这样既可以减轻主轴承的载荷，又能避免可能发生的进气重叠现象。此外作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，以保证发动机运转平稳。

曲轴的作用：它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好【20】。

2.2 曲轴的疲劳损坏形式

曲轴的工作情况十分复杂，它是在周期性变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及其他力矩作用下工作的，因而承受着扭转和弯曲的复杂应力。曲轴箱主轴承的不同心度会影响到曲轴的受力状况，其次，由于曲轴弯曲与扭转振动而产生的附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生了严重的应力集中。最后曲轴主轴颈与曲柄销是在比压下进行高速转动，因而产生强烈的磨损。因此柴油机在运转中发生曲轴裂纹和断裂事故不为鲜见，尤其是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹:弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和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

曲轴的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的过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹。弯曲疲劳试验表明，过渡圆角处的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的分布是在中间的和端部的曲柄有较大的弯曲应力峰值。因此，曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴的中间或两端的曲柄上。

曲轴弯曲疲劳破坏通常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的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的附加交变弯曲应力。此外，曲轴的曲柄臂、曲柄箱或轴承支座(机座)等的刚性不足，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的扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严重时会引起曲轴的扭转疲劳破坏。

扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中严重的油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45°角的两个方向扩展。这是因为轴颈的抗扭截面模数较曲柄臂的小，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。但若同时存在较强的弯曲应力，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的曲柄上。发生扭砖疲劳裂纹的时间一般是在柴油机运转初期和曲轴的临界转速位于工作转速范围内时。扭转疲劳断裂的断面与轴线相交成45°角，断面上的裂纹线近似螺旋线【22】【23】。

2.2.3 弯曲--扭转疲劳裂纹

曲轴的疲劳破坏还可能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，继而在弯曲与扭转的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的面积为贝纹区，呈暗褐色；剩余l/3的面积为最后断裂区，断面凹凸不平，晶粒明亮。圆形波纹状纹理是弯曲疲劳造成的，放射状纹理是扭转疲劳造成的，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的破坏形式。因此，在具体情况下，应根据断面上的纹理、裂纹方向和最后断裂区进行分析判断【24】。

生产中，曲轴的弯曲疲劳破坏远远多于钮转疲劳破坏。其主要原因是由于曲轴弯曲

应力集中系数大于扭转应力集中系数，曲轴的弯曲应力难于精确计算和控制。柴油机运转中，曲轴的各道主轴承磨损是很难掌握和计算的，由它所引起的曲轴变形和附加弯曲应力也就难于讨算和控制了。相反，曲轴的扭转应力可以通过计算准确掌握，并可采取有效的减振措施予以平衡，只要避免柴油机在临界转速运转和扭转应力过载，曲轴的扭转疲劳破坏就会得以控制

【25】。

2.3 曲轴的设计要求

根据上述曲轴的损坏形式及其原因，且为避免这些损坏，曲轴在设计过程中应尽量满足以下的要求：

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

2.具有足够的弯曲和扭转刚度，使曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆组及轴承的工作条件；

3.轴颈就有良好的耐磨性，保证曲轴和轴承有足够的寿命；

4.曲柄的排列应合理，以保证柴油机工作均匀，曲轴平衡性良好，以减少振动和主轴承最大负荷；

5.材料选择适当，制造方便【26】。

2.4 曲轴的结构型式

曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，其曲轴的主轴颈数比气缸数目多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。这种支承，曲轴的强度和刚度都比较好，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。柴油机和大部分汽油机多采用这种形式。另一种是非全支承曲轴。其曲轴的主轴颈数比气缸数目少或与气缸数目相等。这种支承方式叫非全支承曲轴，虽然这种支承的主轴承载荷较大，但缩短了曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。有些汽油机，承受载荷较小可以采用这种曲轴型式【27】。

鉴于本课题所设计的1015柴油机为四缸，故而动机的总体长度较小。且其常用于重型载重车，曲轴的强度及刚度要求都较高，因此设计采用全支承曲轴。

曲轴从结构上可分为整体式和组合式。整体式曲轴的毛胚由整根钢料锻造或铸造方法浇铸出来，具有结构简单、加工方便、重量轻、工作可靠、刚度和强度较高等优点。组合式曲轴是分段制造的，铸造时容易保证质量，降低废品率【28】；锻造时无需较大的锻压设备，制造方便，热处理和机械加工业较方便，并可缩短生产周期。当生产后使用中某个曲柄发现有缺陷时，可以局部更换而不必报废整个曲轴。