某汽油機曲軸飛輪組設計[畢業(yè)論文]

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摘 要曲軸是汽油機最主要的部件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上決定并影響著汽油機的整體尺寸和重量，汽油機的可靠性和壽命也在很大程度上取決于曲軸的強度。因此，設計新型汽油機或老產品進行改造時必須對曲軸強度進行嚴格的安全校核。本文主要介紹了汽油機的總體設計思想的確定以及曲軸飛輪組零件的設計過程。內容包括汽油機總體設計方案的選擇，動力性指標的確定，曲軸飛輪零件圖的繪制時的參數(shù)選擇，包括曲軸及飛輪結構的設計，制造時所需注意的加工過程以及檢驗產品時強度校核等內容。本文還運用到了 Pro/E 三維軟件制圖對曲軸飛輪組所有零件進行三維建模：包括整體式曲軸（全支承） ，曲軸前端的正時齒輪、皮帶輪、甩油盤等，扭轉減振器，飛輪及其齒圈等。對各組件進行虛擬電子裝配。關鍵詞：汽油機，曲軸，飛輪，Pro/EABSTRACTGasoline engine crankshaft is one of the main components. Its dimensions and influence largely determines the overall size and gasoline weight, reliability and life of gasoline also largely depends on the strength of the crankshaft. Thus, the strength of the crankshaft must be strict security check designing new or old gasoline engine when the product transformation. This paper describes the design process to determine and set of parts crankshaft flywheel gasoline overall design ideas. Including overall design choice gasoline, determining dynamic indicators parameter selection draw when the crankshaft flywheel parts diagram, including the crankshaft and flywheel design of the structure, the required attention to the manufacturing process and the time to test the product strength check content. The article also apply to the Pro / E three-dimensional mapping software on the crankshaft flywheel group all parts for three-dimensional modeling: including the overall crankshaft (full support), the front end of the crankshaft timing gears, pulleys, dumped oil pan, etc., torsional damper, flywheel and the ring gear and the like. Each virtual electronic components for assembly. Keywords: Gasoline engine, Crankshaft, Flywheel, Pro/ E目錄摘 要 1ABSTRACT1第一章 緒論 41.1 選題背景及意義 41.2 國內外研究概況 41.3 曲軸飛輪組概述 51.3.1 曲軸 .61.3.2 曲軸扭轉減振器 .61.3.3 飛輪 .6第二章 總體設計方案 82.1 汽油機設計要求 .82.2 汽油機的主要參數(shù) .82.2.1 參數(shù)要求 82.3.2 參數(shù)選定 9第三章 曲軸設計 103.1 曲軸設計要求 103.2 曲軸結構設計 103.2.1 支承方式的選擇 .103.2.2 結構型式的選擇 103.2.3 曲軸的軸向定位 113.2.4 曲軸端部結構設計 .113.2.5 潤滑油道布置 123.3 曲軸主要尺寸的確定 133.3.1 曲柄銷的直徑 和長度 132D2L3.3.2 主軸頸的直徑 和長度 14113.3.3 曲柄臂 143.3.4 曲軸圓角 153.4 曲軸材料選擇及毛坯制造 153.5 曲軸的平衡 153.5.1 曲軸的平衡性分析 .153.5.1 曲軸平衡塊的布置方式 173.6 曲軸疲勞強度校核 183.6.1 疲勞強度計算 183.6.2 提高曲軸疲勞強度的結構措施 233.6.3 提高曲軸疲勞強度的工藝措施 .24第四章 飛輪設計與計算 264.1 飛輪的作用 .264.2 飛輪的設計與計算 .26第五章 其他附件的設計 295.1 主軸承的設計 295.1.1 主軸承的工作條件 .295.1.2 軸承材料選定 305.1.3 軸瓦結構設計與主要尺寸的確定 305.2 曲軸扭轉減振器 31參考文獻 33結 論 34致 謝 35了解詳細圖紙 可加扣 1304139763第一章 緒論1.1 選題背景及意義近年來隨著社會的發(fā)展，農業(yè)經濟體制和規(guī)模發(fā)生了很大改變，交通運輸以及城鄉(xiāng)物流業(yè)的迅速發(fā)展，使中小功率汽油機銷量持續(xù)上升。由于不受爆燃的限制以及汽油自燃的需要，汽油機壓縮比很高。熱效率和經濟性都要好于汽油機，同時在相同功率的情況下，汽油機的扭矩大，最大功率時的轉速低，因此，汽油機在配套使用中將更進一步顯示出其優(yōu)越性。到目前為止，汽油機也已成為一種排放清潔、節(jié)省能源的動力。在歐洲，汽油車銷量已占汽車總銷量的 40%多，美國市場的汽油車銷量也在逐漸增加。目前我國農用車行業(yè)內外環(huán)境，包括社會認識、市場供求關系、產品和制造技術，都發(fā)生了許多新的變化。農用車是我國一個特色的運輸車品種，其投資少、運輸能力強、產出大，正好滿足建設節(jié)約型社會、提高資源使用效率的需求，從整個國家來講，具有長遠的戰(zhàn)略意義。目前我國中東部地區(qū)對農用車仍然大量需要，并且西部經濟有待進一步發(fā)展的地區(qū)隨著發(fā)展農民收入的增加，潛在的市場非常大，農村運輸工具的不足帶動了輕型和低速載貨汽車的發(fā)展，而汽油機車的經濟性拉動了輕型汽油汽車的迅速發(fā)展，以及在農村經濟發(fā)展和國家政策的調整潮流下，國內小型農用工程機械市場前景非常好，產銷量迅趨火爆，發(fā)展前景廣闊。1.2 國內外研究概況曲軸是在不斷變化的氣體壓力、往復和旋轉慣性力以及它們的力矩（轉矩和彎矩）共同作用下工作的，使曲軸既受扭轉又受彎曲，產生疲勞應力狀態(tài)。設計曲軸時，應保證它有盡可能高的彎曲和扭轉強度。曲軸各軸頸在很高的比壓下以很大的相對速度在軸承中相對滑動，由于曲軸運轉工況變化劇烈，有時不能保證液體潤滑，使曲軸壽命大大降低。所以設計曲軸時要使其摩擦表面耐磨。目前，美國、德國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家都正致力于開發(fā)綠色環(huán)保高性能發(fā)動機，傳統(tǒng)的曲軸材料和制造工藝已無法滿足其功能要求。這些汽車工業(yè)發(fā)達國家對曲軸加工十分重視，并不斷改進曲軸加工工藝。而國內目前在曲軸材料、加工技術等方面十分落后，但隨著中國加入 WTO 國內一些曲軸生產廠家已經意識到形勢的緊迫性，為了提高產品競爭力，引進了許多先進的設備和技術，使國內的曲軸生產水平有了很大的提高，但總體上仍落后于日本和西方發(fā)達國家。 1）材料 曲軸材料有三種：中碳鋼、合金鋼和球墨鑄鐵。由于球墨鑄鐵切削性能良好，可獲得較理想的結構形狀。并且和鋼質曲軸一樣可采用各種熱處理和表面強化處理來提高抗疲勞強度、硬度和耐磨性。球墨鑄鐵曲軸成本只有調質鋼曲軸成本的 1/3 左右，因此在國內外得到了泛的應用。本次設計的汽油機就采用球墨鑄鐵作為曲軸的材料。 2）機械加工技術 目前國內的曲軸生產廠家多采用普通機床加工，生產效率和自動化程度較低。國外一些發(fā)達國家早已采用專用機床組成的自動化生產線，生產效率和產品質量大大提高。本次設計的汽油機曲軸將采用專用機床來提高生產效率和產品質量。 3）熱處理和表面強化處理技術，曲軸的熱處理關鍵技術是表面強化處理。球墨鑄鐵曲軸一般采用感應淬火或氮化工藝。國外一些球墨鑄鐵曲軸采用滾壓工藝與離子氮化進行復合強化，可使整個曲軸的抗疲勞強度提高 130%以上。本次設計的汽油機曲軸將采用圓角滾壓強化的氮化處理來提高曲軸的抗疲勞強度。 飛輪的作用是調節(jié)曲軸轉速變化，穩(wěn)定轉速。飛輪的關鍵尺寸是外徑，對于灰鑄鐵飛輪，圓周速度不要超過 35～50m/s 否則容易造成由于離心力過大，材料的抗拉不足而使飛輪損壞及材料碎裂飛出的事故。本次設計的汽油機飛輪采用灰鑄鐵材料。1.3 曲軸飛輪組概述曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、扭轉減振器、皮帶輪、正時齒輪(或鏈條)等組成。如圖 2-42 所示是曲軸飛輪組的總體結構。1.3.1 曲軸曲軸是承受連桿傳來的力，并將其轉變?yōu)榕ぞ?，然后通過飛輪輸出，另外，還用來驅動發(fā)動機的配氣機構及其他輔助裝置(如發(fā)電機、風扇、水泵、轉向油泵等) 。在發(fā)動機工作中，曲軸承受周期性變化的氣體壓力、旋轉質量的離心力和往復慣性力以及它們的力矩的共同作用，使曲軸承受彎曲與扭轉載荷，產生疲勞應力狀態(tài)。為了保證工作可靠，因此要求曲軸具有足夠的剛度和強度，各工作表面要求耐磨而且潤滑良好，還必須有很高的動平衡要求。1.3.2 曲軸扭轉減振器在發(fā)動機工作過程中，連桿作用在曲軸上的力呈周期性變化。這樣就會使質量較小的曲拐相對于質量較大的飛輪有扭轉擺動(曲拐轉速較飛輪轉速忽快忽慢)，這就是曲軸的扭轉振動。當這種扭轉振動的自振率頻與連桿傳來的呈周期性變化的激振頻率成整數(shù)倍關系時，曲軸便會產生共振。這種現(xiàn)象既損失發(fā)動機的功率，也會破壞曲軸和裝在上面的驅動齒輪、鏈輪、鏈條等附件，嚴重時甚致將曲軸扭斷。為消除這種現(xiàn)象，曲軸前端裝有扭轉減振器1.3.3 飛輪飛輪是一個轉動慣量很大的圓盤，其主要功用是將在作功行程中輸入于曲軸的功能的一部分貯存起來，用以在其他行程中克服阻力，帶動曲柄連桿機構越過上、下止點。保證曲軸的旋轉角速度和輸出扭矩盡可能均勻，并使發(fā)動機有可能克服短時間的超載荷，此外，飛輪又往往用作摩擦式離合器的驅動件。第二章 總體設計方案2.1 汽油機設計要求汽油機設計是一項復雜的工作，它的許多零件是在經受高溫，高應力和劇烈磨擦的苛刻條件下工作的。因此，我們在設計的時候，首先要根據(jù)實際需要來確定設計的目的和要求。（1）功率和轉速 作為動力機械，使用者對汽油機第一位的要求是應該能夠在規(guī)定轉速下發(fā)出所要求的功率。轉速和功率的具體數(shù)值是根據(jù)用途來確定的，它在設計中一般會給出，要求設計者能夠按要求設計產品。（2）汽油機的經濟性 汽油機的經濟性包括：汽油機的使用價值應該盡量大，而為使用汽油機所必須付出的代價應盡量小。（3）高的工作可靠性和足夠的使用壽命。（4）汽油機外廓尺寸的緊湊和質量 在許多中動力裝置中，為了能有更多的有用空間，希望汽油機本身占用的空間縮至最小，即要求汽油機的設計緊湊，空間占用小，汽油機的質量就小，質量小是我們追求的目標。質量小在某種程度上表明所耗用的金屬質量少。（5）汽油機設計的三化問題 所謂三化，指產品系列化，零部件的通用化和設計的標準化。（6）汽油機的可靠性及其它 工作可靠是汽油機應該具有的起碼性能，否則其它性能將無從談起。2.2 汽油機的主要參數(shù)2.2.1 參數(shù)要求本次設計的汽油發(fā)動機參數(shù)如下：序號 工作過程計算參數(shù) 單位 數(shù)值1 標定有效功率 kW 1002 標定轉速 r/min 65003 標定最大扭矩 Nm 1654 設計最大扭矩轉速 r/min 50005 最低穩(wěn)定轉速 r/min 7006 缸徑 m 0.0857 沖程 m 0.0888 壓縮比 109 缸數(shù) 410設計指標燃料 汽油2.3.2 參數(shù)選定（1）氣缸數(shù)與缸徑壓縮點火式汽油機，由于燃燒過程的特點，汽缸直徑不能過小，一般以不小于 85mm 為宜。汽油機的缸徑應符合系列型譜的規(guī)定，其尾數(shù)應該取整數(shù)，優(yōu)先選用 0 和 5。給定設計項目的汽油機氣缸數(shù)為 4，缸徑為 85mm。（2）活塞平均速度活塞平均速度 Cm 也是表征活塞式內燃機強化程度（熱負荷和機械負）的重要參數(shù)之一。它對于內燃機的性能，工作可靠性和使用壽命有很大的影響。一般說來，Cm 增大會使發(fā)動機的功率增高，但活塞組的熱負荷和曲柄連桿機構的慣性負荷增大，磨損加劇，壽命下降。本次設計的標定轉速為 6500r/min。（3）平均有效壓力平均有效壓力 是標志內燃機整個循環(huán)過程的有效性及內燃機制造完善性meP的指標之一， 值的不斷提高是內燃機技術發(fā)展的重要標志。由于它決定了發(fā)動機的強化程度，反映了發(fā)動機結構與制造要達到的質量，故必須慎重的選擇。進行產品設計時，平均有效壓力應根據(jù)同類型發(fā)動機的實際數(shù)據(jù)來初步選定，在本次設計中，初步選定 =0.5MPa。meP（4）行程 S行程增加可以提高平均有效壓力 但是在氣缸直徑不變的情況下，S 的增me加即行程缸徑比 S/D 增加，導致活塞平均速度提高，有磨損加速、壽命降低等問題。本次設計中給定行程 S=88mm（5）氣缸中心距及其與缸徑的比值氣缸中心距及其與缸徑的比值，是表征汽油機長度的緊湊性和重量指標的重要參數(shù)，它與汽油機的強化程度、氣缸排列和機體一的剛度有關。缸心距的大小主要取決于氣缸蓋型式（整體式、塊狀式或單體式） 、氣缸套型式（干式或濕式） 、直列式還是 V 型、水冷還是風冷、以曲軸的結構型式和尺寸分配。本設計中氣缸中心距 L 取為 96mm。（6）壓縮比壓縮比直接影響汽油機的性能、機械負荷、超支性能，以及主要零件的結構尺寸。在一定范圍內，汽油機的熱效率隨壓縮比的增加而提高。增大壓縮比也可使汽油機的起動性能獲得改善。但壓縮比的提高將使氣缸最高爆發(fā)壓力相應上升，機械負荷增加對汽油機使用壽命有影響。此次設計中壓縮比 ε 初步定為 10。第三章 曲軸設計3.1 曲軸設計要求曲軸設計時應符合以下要求：（1）有足夠的疲勞強度，以保證曲軸工作可靠。設計時應盡量減少應力集中，加強薄弱環(huán)節(jié)；（2）有足夠的剛度，使曲軸變形不致過大；（3）頸具有良好的耐磨性。應根據(jù)軸頸比壓，選取適當?shù)妮S承材料、軸頸硬度和加工精度，以保證曲軸和軸承有足夠的壽命；（4）柄排列合理，以保證汽油機工作均勻；曲軸平衡性好，以減小振動和主軸承最大負荷；（5）料選擇適當，以充分發(fā)揮材料強度潛力。不難看出，上述強度、剛度、耐磨、輕巧的要求之間是存在矛盾的。由于曲軸受力復雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設計曲軸時，至今還沒有一個能完全反映實際的理論公式可供通用。因此，目前曲軸的設計主要是依靠經驗設計，即利用許多現(xiàn)有的曲軸結構與尺寸的統(tǒng)計資料。借以初步確定曲軸的基本尺寸，然后進行結構細節(jié)的設計、強度復核、曲軸樣品試驗，最后確定曲軸的結構、尺寸與加工工藝等。3.2 曲軸結構設計3.2.1 支承方式的選擇按支承方式曲軸分為全支承曲軸和非全支承曲軸。全支承曲軸是每兩個（V 型發(fā)動機為兩排）氣缸間均設有主軸承的曲軸；而非全支承曲軸是每隔兩個（V 型發(fā)動機為兩排）氣缸設有一個主軸承的曲軸。由于汽油機的爆發(fā)壓力較高，因而一般都采用全支承曲軸；僅有個別小缸徑汽油機為縮短缸心距，減少主軸承數(shù)，采用非全支承曲軸。因此此次設計采用全支承曲軸。3.2.2 結構型式的選擇按結構型式曲軸分為整體曲軸和組合曲軸。整體式曲軸的毛坯是由整根鋼料鍛造或用鑄造方法澆鑄出來的。整體式曲軸結構簡單，重量輕，工作可靠，而且剛度和強度較高，加工面也比較少，在中高速汽油機上應用非常普遍。組合式曲軸是把曲軸分成很多便于制造的單元體，然后將各部分組合裝配而成。按劃分單元體的不同，又可分為全組合式曲軸與半組合式曲軸。大功率汽油機和小型二沖程發(fā)動機上常采用組合式曲軸。由于此次設計的是直列四缸汽油機，故選用平面（圖 3-1）布置，曲柄互成空間 180°夾角， 靜平衡但動不平衡，該方案的不平衡系數(shù)較小，易于采取平衡措施，而且此次設計的是高速汽油機，采用該布置第二階往復慣性力較小，可以不考慮。圖 3-1綜上所述，此次設計采用整體式曲軸。3.2.3 曲軸的軸向定位為防止曲軸的軸向定位，保證工作正常，曲軸需設有軸向定位。中高速汽油機的曲軸通常用止推片或止推軸瓦做止推軸承。大多數(shù)汽油機把止推軸承設在輸出端，這樣當曲軸受熱伸長時離合器的間隙可保持不變。但裝在曲軸自由端的正時齒輪會產生一些位移。在一些汽油機中由于中央主軸承的負荷大而增加其長度，并用它作止推軸承。當軸向力不是很大，又不是經常作用時，止推軸承多采用翻邊軸瓦，或采用止推片。翻邊軸瓦的制造比較困難，所以一般汽油機中多用止推片的結構。在軸向經常作用或數(shù)值較大的情況下，多采用止推滾動軸承。圖 3-34本次設計采用止推片的止推方式，并且安裝在中央主軸承上 。??103.2.4 曲軸端部結構設計曲軸兩端分別為自由端和輸出端。大多數(shù)汽油機的機油泵，水泵等輔助裝置的驅動齒輪以及曲軸的扭轉減振器均安裝在自由端。飛輪裝于輸出端，汽油機產生的功率經輸出端輸出，但在某些工程機械或農用汽油機上，曲軸自由端也可輸出部分乃至全部功率。驅動配氣機構和噴油泵的曲軸正時齒輪布置于自由端或輸出端。當曲軸正時齒輪布置在輸出端時，可將正時齒輪直接制造在曲軸上。曲軸輸出端一般借法蘭通過定位銷和螺栓來安裝飛輪。為提高曲軸的扭轉剛度，最后一道主軸承至曲軸法蘭的軸段應盡量短粗，甚至其直徑和曲軸法蘭相同，這樣也便于套裝油封。曲軸法蘭大小應根據(jù)主軸承直徑及油封裝置來決定。飛輪緊固螺栓分布的圓周直徑，最好使螺栓孔位于主軸頸外，并能讓開主軸頸到法蘭過度圓角 。??13.2.5 潤滑油道布置軸承的工作能力在很大程度上取決于潤滑條件。曲軸主軸頸和曲柄銷一般采用壓力潤滑。曲軸上油道與油孔的設計，對于曲軸軸承的潤滑及曲軸強度都有重要的影響，因此必須十分慎重地選擇油道的方案和確定油孔的位置。潤滑油通常先進入主軸承再進入連桿軸承。將機油輸送到曲軸軸承中去的供油方法有兩種：（1）分路供油 多數(shù)汽油機采用這種供油方法。潤滑油由主油道直接送到各主軸承。（2）集中供油 主軸承采用滾動軸承時需采用集中供油。集中供油多采用所謂假軸承結構。假軸承上也澆有一層軸承合金。潤滑油從假軸承通過軸頸上的油孔進入曲軸內腔。確定主軸頸和曲柄銷上油孔定位時，既要考慮到潤滑和軸瓦的冷卻，又要對軸頸強度削弱最小。從保證潤滑考慮，希望主軸頸油孔開在最大軸頸壓力作用線方向。曲柄銷油孔開在壓力最小的地方，以保證連桿軸承供油充足。曲柄銷最小負荷通常位于曲柄銷平面以曲柄銷軸心為中心向著曲軸旋轉方向導前角的地方， 角可由軸心軌跡圖求出。從強度觀點考慮，油孔不應位于曲柄??平面內而應在曲柄垂直平面內。因為在曲柄垂直平面內，曲柄銷表面彎曲應力和扭轉切應力都比較小。因此應兼顧上述兩項要求來確定油孔的位置，同時還應考慮曲軸結構和鉆孔的工藝性。為了減小應力集中，油孔出口應到角，拋光。（3）油孔直徑：d=(0.07~0.10)D=5.95~8.5mm 取 d=6 mm。圖 3-2 所示為本次潤滑油道的布置方案 。??8圖 3-23.3 曲軸主要尺寸的確定在設計汽車拖拉機這一類高速汽油機的曲軸時，它的基本尺寸大多根據(jù)結構布置上的要求來確定，再由強度校核修正。因為曲軸與活塞連桿組件和機體有密切的聯(lián)系，曲軸的設計不能孤立進行。各部分尺寸多以與氣缸直徑的相對值表示，而氣缸直徑又是限制曲柄銷直徑的重要因素。曲柄長度方向的尺寸基本上決定于氣缸中心距 。0L表 3-1 曲軸主要結構尺寸的統(tǒng)計范圍（車輛用）柴油機 汽油機機型 結構尺寸 直列 V 列 直列 V 列/D1D0.70~0.800.75~0.850.75~0.850.85~0.95 0.65~0.70 0.60~0.70主軸徑/D1L0.30~0.36 0.24~0.30 0.30~0.35 0.25~0.30/D20.60~0.700.67~0.72 0.63~0.72 0.60~0.65 0.55~0.62連桿軸徑/D2L0.32~0.37 0.23~0.28 0.31~0.35 0.45~0.60h/D 0.22~0.28 0.20~0.25 0.18~0.25 0.18~0.22曲柄臂b/D 1.05~1.3 1.0~1.3 0.75~1.2 0.75~1.2過渡圓角 r/ 2D0.03~0.05 0.03~0.05平衡重 /S?0.8~0.9 0.9~1.0 0.8~0.9 1.0~1.13.3.1 曲柄銷的直徑 和長度22L在考慮曲軸軸頸的粗細時，首先是確定曲柄銷的直徑 。在現(xiàn)代發(fā)動機設2D計中，一般趨向于采用較大的 值，以降低曲柄銷的比壓，提高連桿軸承工作2D的可靠性，提高曲軸的剛度。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉質量的離心力增大，對曲軸及軸承的工作帶來不利。因為隨曲柄銷直徑增大帶來的軸系自振頻率增加，會被旋轉質量增加引起的自振頻率下降所抵消，可能增加扭轉振動的危害。此外，曲柄銷直徑增大也會增加軸承摩擦功率損失，導致軸承溫度升高，增加潤滑油熱負荷。為此，曲柄銷直徑不應取得較大。曲柄銷的長度 是再選定 的基礎上考慮的。2L2D根據(jù)表 3-1，初步選取曲柄銷的直徑 =（0.60~0.65）D=51~55.25mm, 取 =55mm;2 2D曲柄銷的長度 =（0.31~0.35）D=26.35~29.75mm, 取 =28mm 。LL??43.3.2 主軸頸的直徑 和長度1D1L從軸承負荷出發(fā)，主軸頸可以比曲柄銷細些，因為主軸承最大負荷小于連桿軸承。但是為了最大限度地增加曲軸的剛度，加粗主軸徑是有很大好處的。因為第一，加粗主軸徑不同于加粗曲柄銷那樣有很多副作用，加粗主軸頸能增加曲柄軸頸的重疊度，從而提高曲軸剛度，但幾乎不增加曲軸的轉動慣量，故可提高自振頻率，減輕扭振危害；第二，加粗主軸頸后可以相對縮短其長度，從而給加厚曲柄臂，提高其強度提供可能。根據(jù)表 3-1，初步選取主軸頸直徑 =（0.65~0.70）D=55.25~59.5mm 取 =60mm;1D1D主軸頸長度 =（0.30~0.35）D=25.5~29.75mm 取 =28mm 。LL??53.3.3 曲柄臂曲柄臂是曲軸中最薄弱的部分之一，它在曲柄平面內的抗彎剛度和強度都較差。實踐表明：由交變彎曲應力造成的曲柄臂斷裂是曲軸的主要損壞型式。曲柄臂應選擇適當?shù)暮穸?，寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強度。曲柄形狀應合理，以改善應力分布?，F(xiàn)代高速汽油機曲柄的形狀大多采用橢圓形和圓形。試驗證明：橢圓形曲柄具有最好的彎曲和扭轉剛度。其優(yōu)點是盡量去掉了受力小或不受力的部分，其重量減輕，應力分布均勻。但加工方法較復雜，采用模鍛或鑄造的方法可以直接成型。根據(jù)表 3-1, 初步選取曲柄臂厚度 h=（0.18~0.25）D=15.3~21.25mm 取 h=20mm；曲柄臂寬度 b=（0.75~1.20）D=63.75~102mm 取 b=70mm 。??63.3.4 曲軸圓角曲軸主軸頸和曲柄臂連接的圓角稱為主軸頸圓角，曲柄銷和曲柄臂連接的圓角稱為曲柄銷圓角。由于曲柄銷圓角和主軸頸圓角是曲軸應力最大的部位，且應力沿圓角輪廓分布也極不均勻，故圓角的輪廓設計十分重要。曲軸圓角半徑 r 應足夠大，根據(jù)表 3-1, r/ =0.03~0.05=2.55~4.25mm，圓角1D半徑過小會使應力集中嚴重。為了增大曲軸圓角半徑，且不縮短軸頸有效工作長度，可采用沉割圓角，設計沉割圓角時應該保證曲柄臂有足夠厚度。曲軸圓角也可由半徑不同的二圓弧和三圓弧組成。當各段圓弧半徑選擇適當時可提高曲軸疲勞強度，增加軸頸有效承載長度。本次設計遵循以上原則，選取圓角半徑 r=3mm 。??73.4 曲軸材料選擇及毛坯制造常用的曲軸材料有可鍛鑄鐵，合金鑄鐵，球墨鑄鐵，碳素鋼和合金鋼等，相應的毛坯也分為鑄造與鍛造。鍛造曲軸一般采用中碳鋼或者合金鋼制造，毛坯生產需要大型鍛壓設備，雖然毛坯尺寸比較精確，減少了加工余量，提高了材料利用率，此外，鍛造能夠使材料的金屬纖維成方向性排列，纖維方向和曲軸形狀大致相符，這大大提高了曲軸的抗拉強度和彎曲疲勞強度。但是鍛造曲軸成本過高，大約是球鐵曲軸的 3-7 倍。雖然鑄造曲軸主要是球鐵曲軸有很多缺點，例如彎曲疲勞強度比較低，較容易發(fā)生斷裂，相同尺寸的球鐵曲軸與鍛造曲軸相比，剛度差。但它的優(yōu)點也相當明顯，例如球墨鑄鐵曲軸經正火處理后的機械性能已接近蔌超過一般的中碳鋼，盡管鋼的疲勞強度比球墨鑄鐵高，但曲軸的結構復雜，鋼曲軸難免會有油孔、過渡圓角和材質上留有缺陷面造成應力集中，從面降低了曲軸的疲勞強度。球鐵可以鑄造出復雜的曲軸形狀，使其應力分布均勻，且球墨鑄鐵對缺口敏感度低、變形小，使球墨鑄鐵曲軸的實際彎曲的扭轉疲勞強度與正火中碳鋼相近。球鐵曲軸的耐磨性好，吸振能力強，有較好的自潤滑和抗氧化性能。綜上分析，本次設計采用球墨鑄鐵曲軸。3.5 曲軸的平衡3.5.1 曲軸的平衡性分析對曲曲軸軸平衡性的分析可以采用兩種方法,矢量圖法和數(shù)學分析法,此次設計中我采用的是數(shù)學分析法:（1）分析 ????2Pcos120cos120rvrmR???????????? ?? ??2ininrHr??20rvrvrvPP???因為 所以??120cosqjIj iimR????? 0jIP????212cos120jj??????????? ?? ??取通過第二氣缸中心線且垂直于曲軸中心線的平面為力矩的計算基準平面。 ??2 20 03cos120cosin2rvr rMmRLmRL???????????????????????2 20 0in irHr r?????22203rrvrHrMRL?????令203sincosvrdMmRL??????????得 即3??2ax0rrL?因為 和 的公式形態(tài)一樣rvjI所以2Im03jaxjMR???可知 ，0r???1???2 20 03cos210cosin2jj jLmRL?????? ?????????????????令 得 2α=30°203incosjjdMmR?????即 ，230??2ax0j jRL???由上得知一、二級往復慣性力矩的正、反轉矢量 1jIMAB???????12103ijmRLe????? ????12103ijBmRLe???????2j????220ijAe?????? ??2220ije??????（2）慣性力矩的平衡方法一般,只采用曲軸附加偏角(或扇形)平衡塊的方法將全部平衡掉。其中，K值需要與汽油機的配套裝置一道試驗確定。對一、二級往復慣性力，不另添置平衡軸，而讓其自行存在。由此收起的振動是許可的。為了獲得良好的外部平衡性能，應對帶平衡塊的曲軸進行仔細地靜、動平衡，并把活塞組、連桿組的重量嚴格控制在誤差范圍內。3.5.1 曲軸平衡塊的布置方式曲軸平衡塊的作用是用來平衡曲軸不平衡的旋轉慣性力和旋轉慣性力矩，有時也可以平衡往復慣性力及其力矩，并可以減速小主軸承的負荷。隨著汽油機轉速的提高，多數(shù)離心慣性力和離心慣性力矩已自行平衡的曲軸也配置平衡塊，這主要是為了減輕主軸承的最大負荷，保證軸承有良好的潤滑條件，減小曲軸和曲軸箱所受的離心慣性力矩。但曲軸配置平衡塊后，重量增加，制造工藝復雜，曲軸系統(tǒng)扭轉振動自振頻率降低。因此，應根據(jù)轉速，曲軸結構，曲柄排列，軸承負荷以及對平衡的要求等因素綜合考慮是否配置平衡塊。一般低速汽油機不需要配置平衡塊，高度汽油機則需要配置平衡塊。平衡方案的選擇，平衡塊重量的計算與布置，應該仔細考慮。平衡塊的重心應盡量遠離曲軸中心線，以提高平衡效果。但平衡塊一般不超過曲軸旋轉所掃過的范圍。平衡塊厚度一般與曲柄臂相同 。??93.6 曲軸疲勞強度校核3.6.1 疲勞強度計算本計算采用 Ricardo 計算方法,該計算方法有兩點假設。曲軸的每一曲拐是相互獨立的，不受曲軸其他部分受力的影響，并以簡支梁的形式支撐在主軸承上。曲軸所受力是以點負荷的形式作用在曲軸上的。如圖 5-1圖 5-1 曲拐受力分析圖（1）已知條件缸徑 D=85 ,行程 S=88 ,連桿長 L=150 ,氣缸數(shù) i=4,發(fā)動機轉mm=6500r/min,最大平均有效壓力 Pme=0.5MPa,活塞連桿組往復質量 m1=1.6Kg,活n塞連桿組旋轉質量 m2=3.1Kg。（2）彎曲應力計算1）曲軸受力計算（a）壓縮上止點時的曲軸作用力：(5-2)mxamax2pjLRFF???式中， —活塞連桿組往復質量力 ； —活塞連桿組旋轉質量力 ；j ()Np ()N2 51[()]082j SnSFL??????583.145603.6()]109???9468.5()N?（b）燃氣作用力： 22max.8510.723.()4pFd???則 max72953.1468.527.()pjFN????（c）排氣上止點時的曲軸作用力：in.934.5()2j2）單個曲拐危險截面上的彎矩（a）圓角處 mxa674.3597.4()A NmMF????ini92068??（b）連桿軸頸中央油孔處max674.1453.2()Bb????ini93.2508NmF??式中， 、 、 、 分別為曲拐危險截面的最大和axAMinmaxBinM最小彎矩 。()N?3）名義彎曲應力 n?， maxanbW??minib?式中， —為彎矩， 。33 3.147608.()52b mD???、 為截面的最大、最小名義彎曲應力 。maxnin ()MPa（a）圓角處maxax9357.412.()608AnbMW???imi A Pa?（b）連桿軸頸中央油孔處 axax160453.2.9()78Bnb???mini58407.6()6.bnBMMPaW????4）名義彎曲平均應力及名義應力幅為， axinm2n?maxin2n??（a）圓角處axmin1.453.9()nA MP???ai2.8.n a??（b）連桿軸頸中央油孔處maxin0.976.0()22nB P????ai.14.3nn Ma??5）彎曲應力， ；mnb???anb?式中， —應力集中系數(shù), 、 —為彎曲平均應力及彎曲應力幅 ；a ()MPa根據(jù)理論應力集中系數(shù) 由式（5-3 ）計算。 b??（5-3）1()????式中， ；boVA??0.450.45()()1.21229bofRt?????34()1.926.43().87361b ppppwwDD????式中， —連桿軸徑 ， —曲柄臂厚度 。pDmft()m22()4fpjSw???式中， —主軸頸直徑 。jD()m22738506(3.154w?????則234.6.6.151.926.().870.4()()350().7bV??????（5-3421960.7.50.6??????4），則 。24??.8?= 1()b??102(1).6??圓角處= mnb?.67.9()MPaa??14320??桿軸頸中央油孔處取連桿軸頸中央油孔處的應力集中系數(shù) ，帶入（5-4）得3.75?，則 0.375?()b???1.(1)2.0???2.0367)49.mnabMPa?????（3）切應力計算1）扭矩計算（5-5）72104.57mmeSipTD?????式中， —為發(fā)動機平均扭矩 ；()N?將已知條件代入得 ；最大扭矩.4max105()KT???式中 為系數(shù)，兩缸機取 =10。最小扭矩KKminax215.4923.()NmT??????2）名義應力連桿軸頸的抗彎截面系數(shù)， =63 ，則316ptDW??m349071.tW?axm5423.()907.ntTMPa?ini 18t???式中， ， —分別為名義最大，最小切應力 。mi?ax ()MPa名義平均切應力及名義切應力幅分別為axin23.518.3()n????mai2n Pa?3）切應力（a）圓角處理論應力集中系數(shù) ?0.25.1()()puDPR???1.40.25.()634863????式中， 為圓角半徑 ， 為重疊度 ， 連桿軸頸直徑 。將()m()mPD()m代入式（5-4）中得， ，則切應力集中系數(shù)0.7?則1()??????4(1.8).34???.32.mnMPa06.95()a?式中， 、 —為平均切應力及切應力幅 。a（b）連桿軸頸中央油孔處理論應力集中系數(shù) ，將其代入式（5-4）中得， ， 3.75 ??0.375??切應力集中系數(shù) 則1()0.375(.1)2???????2.04.mnMPa???38()a?根據(jù)以上計算數(shù)值參考經驗數(shù)值[14] 此次設計的曲軸可采用材料 40Cr此材料的強度完全滿足以上要求。3.6.2 提高曲軸疲勞強度的結構措施在載荷不變的條件下，要降低最大彎曲應力，提高曲軸的彎曲強度就應設法降低曲軸圓角處的應力集中效應；適當減小單拐中間部分的彎曲剛度，使應力分布較為均勻，即用結構措施使彎曲形狀系數(shù)最大限度下降。（1）加大軸頸重疊度采用短行程是增加重疊度的有效措施，它比通過增大主軸頸來增加重疊度的作用大。為了使重疊度 A 變成無量綱參數(shù)，以便對不同發(fā)動機進行比較，引用重疊度 ?（5-1）21pjDs??（2）加大過渡圓角過渡圓角的尺寸、形狀、材料組織、表面加工質量和光潔度等對曲軸應力的影響十分明顯。前面已論述為了減小圓角部位的應力集中效應，必須增大圓角半徑 R。但隨 R 的增大軸頸有效承壓長度縮短。為解決這一矛盾，設計了曲率過渡曲線。但是這種過渡曲線要求對精磨圓角的砂輪進行專門的修整，工藝復雜。如果修整的不準，可能會弄巧成拙，所以應用不廣。為了能增大半徑 R 同時保證軸頸的有效承壓長度，可采用曲軸沉割圓角。它把過渡圓角移到曲柄上，形成組合內凹圓角，這時最大應力點移向曲柄里端，因此要注意內凹圓角不能太深，否則會過多的削弱曲柄的強度，反而使曲柄強度降低。一般 R/D=0.05-0.07，當 R 〉0.07D 時，隨 R 的增加，使應力集中減少已不明顯。由于工藝上的考慮，在任何情況下 R 的絕對值不應小于 2mm。為了使曲軸工作可靠，圓角表面光潔度不應小于 8 ，不允許存在材料組織的缺陷。（3）采用空心軸頸若以提高曲軸彎曲強度為主要目標，采用主軸頸為空心的半空心結構就行了。若同時要減輕曲軸的重量和減小曲柄銷的離心力，從而降低主軸承負荷，則宜用全空心結構，且將曲柄銷內孔向外側偏離。一般以 d/D=-0.4 左右效果最好 。此外，軸頸空心孔德縮口厚度度圓角彎曲應力有一定影響，當 T/h=0.2-0.4時，彎曲應力下降較多。3.6.3 提高曲軸疲勞強度的工藝措施工藝措施就是采用局部強化的方法來充分發(fā)揮材料強度的潛力，解決載荷與抗力這一主要矛盾，以使曲軸趨向等強度。它提供拉在曲軸結構不變的條件下，強化發(fā)動機的可能性。（1）圓角滾壓硬化曲軸圓角滾壓強化是近年來應用越來越廣的圓角強化方法。曲軸圓角滾壓能提高疲勞強度的原因 ，在于金屬表面在滾輪機械力的作用下應力超過了材料屈服極限時，產生塑性變形，產生冷作硬化，硬度提高，金屬表層直到某一深度出現(xiàn)殘余應力，在深處則產生低值的補償拉應力。去除滾輪機械力后，表層塑性變形后略有恢復，然后取得穩(wěn)定。壓縮應力由于永久變形的存在殘留了下來。表層的殘余應力抵消了部分工作拉伸應力，使零件疲勞強度大大提高。因為疲勞強度通常是由拉伸應力反復作用的結果，并始于金屬表面。所以滾壓強度實質上是一個預應力強化方法。此外，表面滾壓后可以提高圓角表面光潔度，消除顯微裂紋和針孔、氣孔等鑄造缺陷。因此，珠光體球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓效果最明顯。（2）軸頸和圓角表面同時進行淬火為了提高曲軸軸頸表面的耐磨度，一般都用高頻電流感應加熱的方法進行表面淬火。它是用熱處理的方法使金屬發(fā)生組織相變，從而使軸頸耐磨性提高。淬火層深一般為 3-7 毫米，硬度 HRC55-63。限于工藝上的原因，一般兩端圓角部分不淬硬。這樣，在軸頸表面淬硬部分因產生殘余壓縮應力而得到強化。反之，未被淬硬的圓角部分因形成回火區(qū)，出現(xiàn)殘余應力被削弱。因此，為了改善軸頸耐磨性而采用的表面淬火措施，對疲勞強度起拉反作用，因為他加強了本來比較弱的部分。為此，采用專門的工藝措施，把圓角部分一起淬硬。（3）噴丸強化它與滾壓強化一樣，亦屬于利用冷卻變形，在金屬表面上留下了拉應力，而且使表面硬度增加，從而提高曲軸疲勞強度的方法。噴丸處理時，公稱粒度0.5mm 左右的噴丸，從高速旋轉的噴射槍中以高速噴射到緩慢旋轉的曲軸表面上，使曲軸表面產生殘余壓應力，起強化作用。噴丸比滾壓優(yōu)越的地方在于使曲軸整個表面都能得到強化，甚至包括未加工的高壓力區(qū)，同時適于大批生產，軸頸摩擦表面不需噴丸。（4）氮化處理氮化處理是一種化學熱處理強化金屬表面的方法。氮化處理后，由于氮的擴散作用，在曲軸表面產生一層由氮化鐵及碳化鐵組成的化合物層，它有極高的耐磨性，而且抗膠合、耐磨蝕?；蠈觾炔繛榈臄U散層，由于氮不斷向內部擴散，使得金屬體積增大，因而產生擠壓應力。一般曲軸精磨后進行氮化，氮化后不應再進行機械加工，否則曲軸的疲勞強度又將下降。氮化處理不僅適用于鋼曲軸，也同樣適用于球鐵曲軸 。[10]第四章 飛輪設計與計算4.1 飛輪的作用由于曲軸所發(fā)出的扭矩 是個周期變化的量，當它大于有效阻力矩時，M?曲軸就加速，反之就減速，造成曲軸轉速的波動，減小這種波動的措施有兩種：一是增加汽油機的氣缸數(shù)，另一措施是在曲軸上加裝飛輪。在本次設計中，任務給定是兩缸，所以我們在曲軸上加裝了飛輪。對任何往復式汽油機，其輸出扭矩即使在穩(wěn)定工況下也是不斷周期性變化的。通常用扭短工 不均勻系數(shù) 來判斷發(fā)動機合成扭矩的均勻程度。但發(fā)動機?所帶動的聳動裝置的有效阻力矩一般是定值。因此，當曲拐在某一位置時，發(fā)動機的輸出扭矩有可能大于或小于由其所帶動的阻力矩。當發(fā)動機的輸出扭矩大于有效阻力矩時，曲軸就加速，反之則減速，造成曲軸轉速的波動。我們把曲軸轉速忽快忽慢的這種現(xiàn)象稱之為曲軸回轉不均勻性。發(fā)動機轉速波動會產生一系列不良后果。如發(fā)動機驅動件與被它帶動運轉的從動件之間產生沖擊，影響工作可靠性，降低使用壽命，產生噪音；同時使測試儀器的工作不穩(wěn)定；曲軸回轉的不均勻還會引起曲軸的振動。所以曲軸回轉的不均勻生應控制在允許范圍內。要想提高發(fā)動機的運轉的穩(wěn)定性，降低曲軸角速度 波動的措施有：?（1）增加氣缸數(shù)，點火均勻，使由于氣缸間歇性工作帶來的沖擊減少。（2）增加發(fā)動機轉動慣量，使角速度波動率減小。最有效的方法就是安裝飛輪。由于氣缸數(shù)已經確定，只能通過安裝飛輪來提高發(fā)動機的運轉穩(wěn)定。當輸出扭矩大于阻力矩時，飛輪就將多余的功吸收而使轉速略增；當阻力矩大于輸出扭矩時，飛輪則將其儲存的能量放出，此時飛輪的動能減小，而發(fā)動機轉速略減?？梢婏w輪是一種動能儲存器，它起著調節(jié)曲軸轉速變化穩(wěn)定轉速的作用。??124.2 飛輪的設計與計算在飛輪的設計中，我們先根據(jù)經驗定出其外徑 、內徑 和厚度 b，然后1D2在根據(jù)經驗公式對其進行校核。圖 4-1（《汽油機設計》 楊連生圖 5-45）尺寸的初步確定：飛輪外徑 ＝（2.5~3.5 ）S=220~308 mm 取 =260mm；2D2D輪緣厚度 h=( ) =13~26mm 取 h=15mm10~2= -2 h=230mm；?取 b=40mm；飛輪的圓周速度：v= = =68m/s60n1?D?6052.43?由于 v 50~80 m/s 因此選取的 合格 。?2??13表 4-1 不同缸數(shù) i 四沖程發(fā)動機的扭矩不均勻系數(shù) 和盈虧功系數(shù)??（《汽油機設計》 袁兆成 表 6-1）i ??1 10~20 1.1~1.82 8~15 0.5~0.83~4 5~10 0.2~0.46 1.5~3.5 0.06~0.18 0.6~1.2 0.01~0.0312 0.2~0.4 0.005~0.01由任務給定的數(shù)據(jù)，選取各種相關系數(shù)：運轉不均勻系數(shù) = ；?150飛輪轉動慣量占汽油機總轉動慣量的分數(shù) =0.85；?盈虧功系數(shù) =0.6；?飛輪的轉動慣量：