发动机构造课程设计说明书DOC

燕山大学课程设计说明书题目：汽车发动机曲轴飞轮组设计学院：车辆与能源学院年级专业：热能10级学号： 100113020030学生姓名：刘春辉指导教师：于敏之张静教师职称：副教授讲师燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：车辆学院基层教学单位：热能与动力工程系说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

目录摘要 (Ⅰ)第一章绪论 (1)1.1选题的目的及意义 (1)1.2国内外的研究现状 (1)1.3设计研究的主要内容 (1)第二章机构方案分析 (2)2.1 曲轴飞轮组机构的组成 (2)第三章曲轴的设计 (3)3.1 曲轴的设计要求 (3)3.2 曲轴的设计步骤 (4)3.3 曲轴的结构形式及其选择 (5)3.4 曲轴的材料选择 (6)3.5 曲轴主要尺寸的确定和结构设计 (6)3.6 曲轴平衡块 (9)3.7 曲轴的端部结构 (11)第四章飞轮的设计与计算 (12)4.1飞轮的作用 (12)4.2飞轮的设计与计算 (13)第五章心得体会 (17)第六章参考文献 (18)摘要近些年来，我国的发动机曲轴飞轮生产行业得到较大的发展，总量以具有相当的规模，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。

曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮以及其他不同作用的零件和附件组成。

其零件和附件的种类和数量取决于发动机的结构和性能要求。

曲轴飞轮组的作用是把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，为汽车的行驶和其他需要动力的机构输出扭矩。

同时还储存能量，用以克服非做功行程的阻力，使发动机运转平稳。

关键词：曲轴飞轮组，曲轴，飞轮，三维设计第一章绪论1.1 选题的目的及意义曲轴作为发动机最重要组成零件之一，是承受连杆传来的力，并将其转变为扭矩，然后通过飞轮输出，另外，还用来驱动发动机的配气机构及其他辅助装置(如发电机、风扇、水泵、转向油泵等)。

，其设计是否合理决定了发动机的设计成败，同时也对发动机的紧凑性、可靠性、耐久性、经济性有着至关重要的影响。

随着现在发动机高升功率、高升扭矩、高转速化的设计，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其曲轴提出了更高的要求。

飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是将在作功行程中输入于曲轴的功能的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点。

保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，此外，飞轮又往往用作摩擦式离合器的驱动件。

1.2 国内外的研究现状内燃机曲轴飞轮的优化设计是现代高性能内燃机的要求。

相对于以往的传统设计方法，现代的优化设计过程更加注重曲轴的实际运行情况。

优化后曲轴和飞轮不仅在结构和尺寸上更加合理，运行寿命得到延长，而且设计周期大大降低。

在国内外学者的共同努力下，曲轴飞轮组的优化设计得到了比较迅速的发展。

1.3 设计研究的主要内容对曲轴飞轮组进行简单研究，主要的研究内容有：1）曲轴的设计计算；2）曲轴结构设计；3）飞轮的设计计算4）飞轮的结构设计第二章机构方案分析2.1 曲轴飞轮组机构的组成曲轴飞轮组包括曲轴、正时齿轮、起动爪、带轮、飞轮等。

1、曲轴曲轴的作用是把连杆传来的推力变成旋转的扭力，经飞轮传给离合器，同时还带动凸轮轴及风扇、水泵、发电机等工作。

曲轴一般由前端(自由端)、主轴颈、曲柄、平衡重、连杆轴颈(曲柄销)和后端(动力输出)组成。

由一个连杆轴颈、和它左右主轴颈组成一个曲拐。

曲轴的曲拐数取决于气缸的数目和排列方式。

直列式发动机曲轴的曲拐数等于气缸数；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。

（1）主轴颈主轴颈是支撑曲轴的部分，经曲轴主轴承（俗称大瓦）安装在气缸体的主轴承座上。

按照曲轴的主轴颈数；可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴两种。

曲轴大多采用全支承，即每道连杆轴颈的两侧均有主轴颈。

全支承曲轴的优点是可以提高曲轴的刚度，并且可减轻主轴承的载荷。

其缺点是曲轴长度较长使发动机机体长度增加。

（2）连杆轴颈连杆轴颈用来安装连杆大头。

直列型发动机曲轴的连杆轴颈与气缸数相同，V型发动机曲轴的连杆轴颈等于气缸数的一半。

（3）曲轴臂曲轴臂又称曲柄，连杆轴颈通过它与主轴颈相连。

（4）平衡块平衡块位于曲柄的延长部分，其作用是平衡连杆大头、连杆轴颈等机件运转时所产生的离心力，以及活塞连杆组作往复运动时所产生的惯性力。

平衡块通常与曲柄铸为一体，也有的曲轴是把平衡块与曲轴分开铸造，然后用螺栓联接在一起。

（5）曲轴前端曲轴前端用来安装起动爪、带轮、正时齿轮（切诺基汽车发动机为正时链轮）等。

2、飞轮飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是将在作功行程中输入于曲轴的功能的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点。

保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，此外，飞轮又往往用作摩擦式离合器的驱动件。

为了在保证有足够的转动惯量的前提下，尽可能减小飞轮的质量，应使飞轮的大部分质量都集中在轮缘上，因而轮缘通常做得宽而厚。

曲轴飞轮组的结构，见图1图1、曲轴飞轮组结构三维图第三章曲轴的设计3.1曲轴的设计要求曲轴是发动机的主要运动件，其性能直接影响着发动机的可靠性和寿命。

随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加苛刻。

由于周期性变化的气体压力，往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭拒共同作用，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，还要承受一定的冲击载荷，轴颈表面受到磨损，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈表面的严重磨损，统计分析表明，破坏的曲轴中有80%左右是由弯曲疲劳产生的。

在发动机工作中，曲轴承受周期性变化的气体压力、旋转质量的离心力和往复惯性力以及它们的力矩的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，产生疲劳应力状态。

因此，在设计曲轴时，为了保证工作可靠，要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作表面要求耐磨而且润滑良好，还必须有很高的动平衡要求，正确选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料与工艺，使其具有较高的疲劳强度，刚度及良好的动态特性。

综上所述，曲轴设计时应符合以下要求：1．有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。

设计时应尽量减少应力集中，加强薄弱环节；2．有足够的刚度，使曲轴变形不致过大；3．颈具有良好的耐磨性。

应根据轴颈比压，选取适当的轴承材料、轴颈硬度和加工精度，以保证曲轴和轴承有足够的寿命；4．柄排列合理，以保证柴油机工作均匀；曲轴平衡性好，以减小振动和主轴承最大负荷；5．料选择适当，以充分发挥材料强度潜力。

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。

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。

3.2曲轴的设计步骤曲轴设计在柴油机总体设计阶段就开始进行。

设计步骤大致如下：1．根据柴油机的用途，强化程度，生产批量，缸心距以及活塞行程等参数，选择适当的曲轴材料，结构形式，毛坯制造方法及必要的强化工艺。

2．依据柴油机相似原则以及经验，初步选定曲柄销，主轴颈和曲柄臂的尺寸。

3．根据柴油机冲程数，气缸数目和排列方式，发火顺序，从保证扭矩均匀，平衡性良好，主轴承负荷不要过大等原则出发确定曲柄排列。

曲轴计算：初步选定曲轴尺寸后，需对曲轴进行平衡性计算和曲轴疲劳强度计算，以验证所设计曲轴是否满足前述各项设计要求。

根据上述计算结果，决定是否需要修改设计。

上述方法需反复进行，并最终确定曲轴的尺寸，平衡块的大小和布置方式，润滑油道的布置，完成曲轴两端的设计，绘制出曲轴零件图。

3.3曲轴的结构形式及其选择按支承方式曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴。

全支承曲轴是每两个气缸间均设有主轴承的曲轴；而非全支承曲轴是每隔两个气缸设有一个主轴承的曲轴。

由于柴油机的爆发压力较高，因而一般都采用全支承曲轴；仅有个别小缸径柴油机为缩短缸心距，减少主轴承数，采用非全支承曲轴。

按结构型式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。

1、整体式曲轴，整体式曲轴的毛坯是由整根钢料锻造或用铸造方法浇铸出来的。

整体式曲轴结构简单，重量轻，工作可靠，而且刚度和强度较高，加工面也比较少，在中高速柴油机上应用非常普遍。

2、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。

按划分单元体的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴。

大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用组合式曲轴。

综上所述，此次设计采用整体式曲轴。

由于此次设计的是直列四缸柴油机，故选用平面（图2）布置，该方案的不平衡系数较小，易于采取平衡措施图2 曲轴曲柄布置形式3.4曲轴的材料选择常用的曲轴材料有可锻铸铁，合金铸铁，球墨铸铁，碳素钢和合金钢等，相应的毛坯也分为铸造与锻造。

锻造曲轴一般采用中碳钢或者合金钢制造，毛坯生产需要大型锻压设备，虽然毛坯尺寸比较精确，减少了加工余量，提高了材料利用率，此外，锻造能够使材料的金属纤维成方向性排列，纤维方向和曲轴形状大致相符，这大大提高了曲轴的抗拉强度和弯曲疲劳强度。

但是锻造曲轴成本过高，大约是球铁曲轴的3-7倍。

虽然铸造曲轴主要是球铁曲轴有很多缺点，例如弯曲疲劳强度比较低，较容易发生断裂，相同尺寸的球铁曲轴与锻造曲轴相比，刚度差。

但它的优点也相当明显，例如球墨铸铁曲轴经正火处理后的机械性能已接近蔌超过一般的中碳钢，尽管钢的疲劳强度比球墨铸铁高，但曲轴的结构复杂，钢曲轴难免会有油孔、过渡圆角和材质上留有缺陷面造成应力集中，从面降低了曲轴的疲劳强度。

球铁可以铸造出复杂的曲轴形状，使其应力分布均匀，且球墨铸铁对缺口敏感度低、变形小，使球墨铸铁曲轴的实际弯曲的扭转疲劳强度与正火中碳钢相近。

球铁曲轴的耐磨性好，吸振能力强，有较好的自润滑和抗氧化性能。

综上分析，我采用球墨铸铁曲轴。

3.5曲轴主要尺寸的确定和结构设计在设计汽车拖拉机这一类高速内燃机的曲轴时，它的基本尺寸大多根据结构布置上的要求来确定，再由强度校核修正。

因为曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴的设计不能孤立进行。

各部分尺寸多以与气缸直径的相对值表示，而气缸直径又是限制曲柄销直径的重要因素。

曲柄长度方向的尺寸基本上决定于气缸中心距0L 。

1、曲柄销的直径2D 和长度2L在考虑曲轴轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径2D 。

在现代发动机设计中，一般趋向于采用较大的2D 值，以降低曲柄销的比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。