内燃机设计曲轴资料重点
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• 合金钢：应用于强化程度高的中高速机车柴油机和航空发动机上。特点是 强度高，具有优异的综合机械性能，但对缺口的敏感性很强，对热处理、 机械加工要求相当严格，因为其优良的性能只有在恰当的热处理及良好的 加工条件下才能发挥出来。曲轴整个表面都要进行抛光，避免应力集中。 由于模锻设备庞大，自由锻又浪费材料，所以产生了铸造曲轴。
▪ 选用要求：优良的机械性能，高的耐磨性、耐疲劳性、冲击韧 性，加工容易，造价低廉。
12.2 曲轴Βιβλιοθήκη Baidu结构设计
常用材料及特点：
12.曲 轴
▪ 钢——锻造用碳素钢、合金钢，铸造用铸钢（较少采用）。
• 碳素钢：广泛采用中碳钢45号模锻曲轴，应用于强化程度不太高的中高速 发动机上。特点是刚度与合金钢差不多，强度低一些，但成本低。对加工 工艺有一定要求，曲轴锻造后应进行第一次热处理（退火或正火），其目 的是消除金属中的内应力和降低硬度以便于机械加工，在精磨前应进行第 二次热处理（调质）以改善钢的机械性能，并提高轴颈表面硬度。对轴颈 表面、圆角和油孔边缘均应抛光，以提高曲轴的疲劳强度。
▪ 曲轴的设计要求： 强度、刚度、耐磨、轻巧
具有足够的疲劳强度，对应 力集中部位采用局部强化的
方法，具有尽可能高的弯曲 刚度和扭转刚度，各轴颈表 面要耐磨，曲轴的重量要轻。
12.1 概述
12.曲 轴
▪ 以上要求有些是相互矛盾的，在设计中必须辩证地进行分析，找出主要 矛盾。
▪ 曲轴的设计方法：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，结合新机型的要求及工艺条件，初步确定曲轴的基本 尺寸，然后进行结构细节的设计，强度校核，曲轴样品试验，最后确定 曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。
▪ 整体式曲轴——结构是整体的，毛坯可由整根钢料锻造或用铸造方法形 成。特点是工作可靠，重量轻，强度、刚度较高，加工表面少，广泛应 用于中、小型发动机的曲轴。此曲轴一般与滑动轴承相配合，只有单缸 曲轴与滚动轴承配合，以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。
▪ 组合式曲轴——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。特点是工艺性好，应用于大功率柴油机和小型二冲程发动 机，大曲轴加工困难，受到加工设备的限制，单缸二冲程发动机的连杆 轴承一般采用滚针（柱）轴承，连杆大头做成整体式，则曲轴必须采用 组合式。
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
1、对非增压直列式发动机来说，先根据缸筒部分的设计（干缸套还是 湿缸套，水冷还是风冷）确定缸心距L，然后将L合理地分配给曲 轴各分段（即L1、L2、h……），一般不需要采用斜切口连杆（即d2 ＜0.65D）。
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
曲轴还可以按支承轴承的个数分为全支承与非全支承。全支承
曲轴的特点是刚度大，曲轴内弯矩小些，可使轴颈尺寸减小
以降低轴承摩擦损失。
曲轴的材料
必须根据发动机的用途及强化程度，正确选用曲轴材料。
▪ 选用原则：在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材 料，以铸代锻，以铁代钢。
内燃机设计
12 曲
轴
12.1 概述
12.曲 轴
曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的结构影响本身的强度和刚度， 也就影响发动机的可靠性和寿命以及整机结构、重量等，所以对 曲轴的设计要求很高。在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参 数、结构型式、材料与工艺等，以求获得最经济最合理的效果。
▪ 曲轴的工作条件：曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转惯 性力以及它们产生的力矩（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。
（2）把曲轴截成了各个单曲拐，而对相邻曲拐间的相互作用只考虑了截断面
上有扭矩 M（i-1）和M（i），忽略了实际上还存在内弯矩;
（3）把每一截断的单拐视为点支撑梁，只考
虑集中支反力Rx和Ry,并认为这些支反力决定 于单拐的静力平衡条件;但实际上主轴颈有一 此外，发定动机长能平度稳运，转的各转速主范围轴要尽颈可能和地主宽一轴些，承并应都能迅还速从有怠速同变换轴到全度速全误负荷。
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
▪ 球墨铸铁：广泛应用于车用汽油机、柴油机及农用柴油机上。特点是综
合机械性能低于中碳钢，疲劳强度较低，所以球铁曲轴在结构上比较笨
重，有较粗的轴颈，较厚的曲柄，并采用全支承曲轴。但对实际使用的
球铁曲轴的弯曲疲劳强度并不低于中碳钢，因实际曲轴总是有油孔、圆
角和材质上的缺陷，存在应力集中，这就降低了中碳钢曲轴的疲劳强
度，而对于球铁曲轴可以铸成复杂的合理结构，使应力分布均匀，更有
效地利用材料，对断面缺口的敏感性小，使球铁曲轴实际弯曲疲劳强度
并不低，且承受20-30%超负荷能力要比钢好。其次的特点是具有相当
高的扭转疲劳强度，对扭振的阻尼及耐磨性都比钢好。但韧性和塑性不
及钢，可以利用热处理提高球铁的塑性和韧性。
12.2.2 主要尺寸比例
▪ 曲轴的破坏形式：主要是弯曲疲劳破坏，扭转载荷较小，对于扭振，通 常采用减振措施。
12.1 概述
12.曲 轴
▪ 曲轴破坏的发源地：因曲轴形状复杂，应力集中严重，所以疲劳裂纹的 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。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45º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45º剪断曲 柄销。
差，因而不仅有分布的支反力，而且支反力
沿轴向还不是均布的，有可能形成支反力矩;
同时支反力也不是由单个曲拐而是由曲轴整
体决定的，机体上各主轴承座的弹性变形和
振动对于支反力和支反力矩也有影响。
12.2 曲轴的结构设计
12.2.1 结构型式与材料
12.曲 轴
曲轴的结构型式
曲轴的结构型式与制造方法有关，分为两大类：
▪ 必须指出，曲轴的载荷、应力和变形实际上是不可能完全准确的计算出 来的。计算曲轴内力的截断简支梁模型有以下多处于实际情况不符：
（1）曲柄销载荷
P(i) Qx
、PQ(yi )
，曲柄销惯性力Cqx
，曲柄臂惯性力Cqb
，平衡重惯
性力 C p ，都视为集中载荷，而实际上都是分布载荷;
12.1 概述
12.曲 轴
▪ 选用要求：优良的机械性能，高的耐磨性、耐疲劳性、冲击韧 性，加工容易，造价低廉。
12.2 曲轴Βιβλιοθήκη Baidu结构设计
常用材料及特点：
12.曲 轴
▪ 钢——锻造用碳素钢、合金钢，铸造用铸钢（较少采用）。
• 碳素钢：广泛采用中碳钢45号模锻曲轴，应用于强化程度不太高的中高速 发动机上。特点是刚度与合金钢差不多，强度低一些，但成本低。对加工 工艺有一定要求，曲轴锻造后应进行第一次热处理（退火或正火），其目 的是消除金属中的内应力和降低硬度以便于机械加工，在精磨前应进行第 二次热处理（调质）以改善钢的机械性能，并提高轴颈表面硬度。对轴颈 表面、圆角和油孔边缘均应抛光，以提高曲轴的疲劳强度。
▪ 曲轴的设计要求： 强度、刚度、耐磨、轻巧
具有足够的疲劳强度，对应 力集中部位采用局部强化的
方法，具有尽可能高的弯曲 刚度和扭转刚度，各轴颈表 面要耐磨，曲轴的重量要轻。
12.1 概述
12.曲 轴
▪ 以上要求有些是相互矛盾的，在设计中必须辩证地进行分析，找出主要 矛盾。
▪ 曲轴的设计方法：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，结合新机型的要求及工艺条件，初步确定曲轴的基本 尺寸，然后进行结构细节的设计，强度校核，曲轴样品试验，最后确定 曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。
▪ 整体式曲轴——结构是整体的，毛坯可由整根钢料锻造或用铸造方法形 成。特点是工作可靠，重量轻，强度、刚度较高，加工表面少，广泛应 用于中、小型发动机的曲轴。此曲轴一般与滑动轴承相配合，只有单缸 曲轴与滚动轴承配合，以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。
▪ 组合式曲轴——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。特点是工艺性好，应用于大功率柴油机和小型二冲程发动 机，大曲轴加工困难，受到加工设备的限制，单缸二冲程发动机的连杆 轴承一般采用滚针（柱）轴承，连杆大头做成整体式，则曲轴必须采用 组合式。
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
1、对非增压直列式发动机来说，先根据缸筒部分的设计（干缸套还是 湿缸套，水冷还是风冷）确定缸心距L，然后将L合理地分配给曲 轴各分段（即L1、L2、h……），一般不需要采用斜切口连杆（即d2 ＜0.65D）。
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
曲轴还可以按支承轴承的个数分为全支承与非全支承。全支承
曲轴的特点是刚度大，曲轴内弯矩小些，可使轴颈尺寸减小
以降低轴承摩擦损失。
曲轴的材料
必须根据发动机的用途及强化程度，正确选用曲轴材料。
▪ 选用原则：在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材 料，以铸代锻，以铁代钢。
内燃机设计
12 曲
轴
12.1 概述
12.曲 轴
曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的结构影响本身的强度和刚度， 也就影响发动机的可靠性和寿命以及整机结构、重量等，所以对 曲轴的设计要求很高。在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参 数、结构型式、材料与工艺等，以求获得最经济最合理的效果。
▪ 曲轴的工作条件：曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转惯 性力以及它们产生的力矩（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。
（2）把曲轴截成了各个单曲拐，而对相邻曲拐间的相互作用只考虑了截断面
上有扭矩 M（i-1）和M（i），忽略了实际上还存在内弯矩;
（3）把每一截断的单拐视为点支撑梁，只考
虑集中支反力Rx和Ry,并认为这些支反力决定 于单拐的静力平衡条件;但实际上主轴颈有一 此外，发定动机长能平度稳运，转的各转速主范围轴要尽颈可能和地主宽一轴些，承并应都能迅还速从有怠速同变换轴到全度速全误负荷。
12.2 曲轴的结构设计
12.曲 轴
▪ 球墨铸铁：广泛应用于车用汽油机、柴油机及农用柴油机上。特点是综
合机械性能低于中碳钢，疲劳强度较低，所以球铁曲轴在结构上比较笨
重，有较粗的轴颈，较厚的曲柄，并采用全支承曲轴。但对实际使用的
球铁曲轴的弯曲疲劳强度并不低于中碳钢，因实际曲轴总是有油孔、圆
角和材质上的缺陷，存在应力集中，这就降低了中碳钢曲轴的疲劳强
度，而对于球铁曲轴可以铸成复杂的合理结构，使应力分布均匀，更有
效地利用材料，对断面缺口的敏感性小，使球铁曲轴实际弯曲疲劳强度
并不低，且承受20-30%超负荷能力要比钢好。其次的特点是具有相当
高的扭转疲劳强度，对扭振的阻尼及耐磨性都比钢好。但韧性和塑性不
及钢，可以利用热处理提高球铁的塑性和韧性。
12.2.2 主要尺寸比例
▪ 曲轴的破坏形式：主要是弯曲疲劳破坏，扭转载荷较小，对于扭振，通 常采用减振措施。
12.1 概述
12.曲 轴
▪ 曲轴破坏的发源地：因曲轴形状复杂，应力集中严重，所以疲劳裂纹的 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。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45º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45º剪断曲 柄销。
差，因而不仅有分布的支反力，而且支反力
沿轴向还不是均布的，有可能形成支反力矩;
同时支反力也不是由单个曲拐而是由曲轴整
体决定的，机体上各主轴承座的弹性变形和
振动对于支反力和支反力矩也有影响。
12.2 曲轴的结构设计
12.2.1 结构型式与材料
12.曲 轴
曲轴的结构型式
曲轴的结构型式与制造方法有关，分为两大类：
▪ 必须指出，曲轴的载荷、应力和变形实际上是不可能完全准确的计算出 来的。计算曲轴内力的截断简支梁模型有以下多处于实际情况不符：
（1）曲柄销载荷
P(i) Qx
、PQ(yi )
，曲柄销惯性力Cqx
，曲柄臂惯性力Cqb
，平衡重惯
性力 C p ，都视为集中载荷，而实际上都是分布载荷;
12.1 概述
12.曲 轴