柴油机曲轴飞轮设计说明书

柴油机曲轴飞轮设计说明书

第一章前言

1.1柴油机曲轴设计的背景

柴油机具有良好的经济性、动力性及较高的热效率等显著优点, 在汽车节能等方面有较大的潜力。经过多年的研究和新技术的应用，现代柴油机的现状已与往日不可同日而语。随着电控喷射、高压共轨、涡轮增压、中冷等先进技术的应用，柴油机在重量、噪音、烟

度等方面已取得了重大的突破。我国小缸径多缸增压柴油机已取得

了较快的发展，但整个市场的需求还在增长。2000年，中国4缸以上、缸径小于100mm的多缸机年产量约63.9W台，主要用于农用运输车、轻型车、面包车、轮式拖拉机、中小型工程机械、小型船舶主辅机等。由此可见，小缸径多缸柴油机的市场前景还是很客观的。

四缸柴油机主要应用于中型轮式拖拉机、中型联合收割机、中

型工程机械、轻型汽车等的配套。随着人们对柴油机认识的逐步转变，柴油机的应用领域也在不断地扩大。柴油机热效率高，能量利

用率高，节能等特点也得到认可。柴油机的供油系统相对简单，柴

油机的可靠性也比汽油机好。在相同的功率情况下，柴油机的低速

扭矩性较好，功率大，完全符合农用机械的使用要求。

随着电喷、高压共轨、增压中冷等先进技术的应用，柴油机的

燃烧不断得到改善，在节能和有害物的排放方面的优势已逐渐显现

出来。现代柴油机随着强化程度的提高，柴油机单位功率的比重也

明显降低，轻量化、高速化、低油耗、低噪音和低排放成为现代柴

油机的发展方向

曲轴是发动机中最重要的零件之一，发动机的全部功率都是通

过它输出的。而且曲轴是在不断周期性变化的力、力矩（包括扭矩

和弯矩）的共同作用下工作的，极易产生疲劳破坏。曲轴形状复杂，应力集中严重，因此设计中必须使曲轴有足够的疲劳强度，以保证

正常工作。

曲轴是柴油发动机的重要零件。它可以是有若干个相互错开一

定角度的曲柄（或曲拐）加上功率输出端和自由端构成的。每个曲

柄又是由主轴颈、曲柄销及曲柄臂组成。曲轴的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和柴油机发动机各辅助系统进行工作，曲轴在工作时承受着不断变化的力，惯性力和它们的力矩作用，受力情况十分复杂。其精度要求非常高，它的加工质量对内燃机的工作性能，对装配劳动量都有很大影响。因此，各要素的尺寸精度，位置精度和表面质量要求相当高。曲轴中几个主要加工表面，连杆表面，轴承轴颈及锥面键槽的精度要求都较高，连杆轴颈需经过抛光。所以研究曲轴加工工艺对曲轴的生产具有一定的实际意义。

此设计的题目是曲轴飞轮组。曲轴是内燃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内燃机的整体尺寸

和重量，内燃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，设计新型内燃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。近年来随着发动机动力性和可靠性要求援

不断提高，曲轴的工作条件越来越不好，曲轴的强度问题也越来

越复杂。对曲轴强调确定的方法有两种：试验研究和分析计算。

此外，曲轴的平衡也是曲轴设计时的一个重要问题，既要满足平

衡又要减小平衡重质量。

飞轮主要有以下作用：1、储存动能，使曲轴转速均匀；2、

驱动辅助装置；3、正时调整角度用。飞轮的设计原则是，质量尽

可能小的前提下具有足够的转动惯量，因而轮缘常做的宽厚。在

进行曲轴飞轮组设计时曲轴的强度、平衡、飞轮的平衡都是需要

注意的问题，其中曲轴的强度是较困难的，需发在低成本的情况下，用普通材料合理进行设计结构和工艺，使曲轴满足强度要求。曲轴飞轮组是发动机正常工作的保证，对其进行研究，进行合理

地设计，可以满足现代发动机的要求。

1.2国内外同类设计的概况综述

近些年来，我国的发动机曲轴生产行业得到较大的发展，总量已具有相当的规模，无论是设计水平，还是产品种类、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。曲轴是发动机中承受冲击载荷、

传递动力的重要零件，是发动机五大件中最难以保证加工质量的零件之一。由于曲轴工作条件恶劣，因此，对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等，要求都十分严格。因此，发达国家十分重视曲轴生产，不断改进其材质及加工工艺，以提高其性能水平，满足发动机行业发展的需要。近几年来，我国不断引进国外先进的技术，加以研究改进，使得国内曲轴加工技术发展十分迅速。随着改进后的加工工艺的逐渐应用，国内的曲轴加工水平正逐步提高。

曲轴是柴油机中关键零件之一，其材质大体分为两类：一是

钢锻曲轴，二是球墨铸铁曲轴。由于采用铸造方法可获得较为理

想的结构形状，从而减轻质量，且机加工余量随铸造工艺水平的

提高而减小。球铁的切削性能良好，并和钢制曲轴一样可以进行

各种热处理和表面强化处理，来提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。而且球铁中的内摩擦所耗功比刚大，减小了工作时的扭转振动的

振幅和应力，应力集中也没有钢制曲轴的敏感。所以球磨铸铁曲

轴在国内外得到广泛采用。

从目前整体水平来看，毛坯的铸造工艺存在生产效率低，工

艺装备落后，毛坯机械性能还不稳定、精度低、废品率高等问题。从熔炼、球化处理、孕育处理、合金化、造型工艺、浇注冷却工

艺等工艺环节采取措施对提高曲轴质量具有普遍意义。

目前，国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机

床组成的流水线生产，生产效率、自动化程序较低。而国外广泛

采用数控技术和全自动控制生产线，具有较高的灵活性和适应性，使曲轴的加工精度、效率、整体质量显著提高。

球铁曲轴具有诸多优点，国内外广泛采用。但整体水平与国外还有相当差距，近年来，我国内燃机曲轴专业生产厂家通过引进技术消化吸收和自行开发，总体水平有了较大的提高，但是我国距世界先进水平仍相差很远，甚至于还满足不了我国内燃机工业技术发展的要求。我国曲轴专业生产厂家不是很多，且整体规模小、专业化程度低、企业设备陈旧、产品设计和工艺落后、性能寿命和可靠性差、品种杂乱和“三化”程度低，这些都影响了整机适应国内及国