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1、曲軸設(shè)計(jì),一.曲軸設(shè)計(jì)概論 二. 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三. 曲軸疲勞強(qiáng)度校核 四. 提高曲軸疲勞強(qiáng)度的措施,一. 曲軸設(shè)計(jì)概論,曲軸的成本大約占整機(jī)成本的十分之一,為內(nèi)燃機(jī)中最貴的零件。 曲軸最常見的損壞原因是彎曲疲勞,所以保證曲軸有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度是曲軸設(shè)計(jì)的首要問題。 曲軸各軸頸的尺寸還應(yīng)滿足軸承承壓能力和潤滑條件的要求。 中小功率高速內(nèi)燃機(jī)幾乎都用整體曲軸、全支承、帶有平衡塊(無論整體是否平衡)。,1.曲軸工作條件,1、受周期變化力和力矩作用,重點(diǎn)是彎曲交變載荷(80是彎曲疲勞破壞); 2、曲軸形狀復(fù)雜,應(yīng)力集中嚴(yán)重; 3、曲軸軸頸比壓大,摩擦磨損嚴(yán)重;,2.設(shè)計(jì)要求,1、有足夠的疲勞強(qiáng)度;
2、 2、有足夠的承壓面積,軸頸表面要耐磨; 3、盡量減少應(yīng)力集中; 4、剛度好,變形小。,3.常用材料,1、中碳鋼:如45,絕大多數(shù)采用模段制造;鍛造后進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理,然后在各軸頸表面實(shí)施感應(yīng)加熱表面淬火。鋼曲軸也可以進(jìn)行滲氮處理,以提高疲勞強(qiáng)度。 2、合金鋼:在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動機(jī)中采用; 3、球墨鑄鐵:在強(qiáng)度和剛度要求一定是,使用球墨鑄鐵材料能減少制造成本,且其阻尼特性能減小扭轉(zhuǎn)振動的幅值。 在曲軸設(shè)計(jì)中,曲軸的結(jié)構(gòu)、材料、工藝三因素各自有獨(dú)立規(guī)律,且相互影響。,二. 曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一、曲軸結(jié)構(gòu)形式 1、整體式曲軸:具有工作可靠、重量輕、剛度、強(qiáng)度較高、加工表面較少的特點(diǎn),中小型發(fā)動機(jī)中
3、廣泛采用。一般配合滑動軸承(有的單缸機(jī)采用滾動軸承)。 2、組合式曲軸:當(dāng)曲軸尺寸較大,曲拐數(shù)較多時(shí),采用整體式結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致加工非常困難,可采用組合式結(jié)構(gòu)。小型單缸發(fā)動機(jī)也有采用。,整體式曲軸和組合式曲軸,曲軸支承,(a)全支承曲軸: 優(yōu)點(diǎn)是曲軸剛性好,不易彎曲,缺點(diǎn)是缸心距加大,機(jī)體加長,制造成本增加。柴油機(jī)多用全支承曲軸。... (b)非全支承曲軸: 多用于中小功率的汽油機(jī),曲軸全支承與非全支承,曲軸主要尺寸參數(shù),dcp:曲柄銷直徑; lcp:曲柄銷長度; hcw:曲柄臂厚度;bcw:曲柄臂寬度 dcj:主軸頸直徑; lcj:主軸頸長度;,氣缸中心距,L= lcp + lcj +2 hcw
4、它們存在一個(gè)合理分配的問題。 過渡圓角半徑R對應(yīng)力集中影響巨大。 各尺寸參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值見下表:,,油道設(shè)計(jì)及油孔位置,曲軸前端與后端,(1)作用: 曲軸前端用來安裝正時(shí)齒輪、皮帶輪、扭振減振器及起動爪等;后端有飛輪結(jié)合盤(凸緣盤),用來安裝飛輪。 (2)前后端的密封: 曲軸前后端都伸出曲軸箱,為了防止?jié)櫥脱剌S頸流出,在曲軸前后端都設(shè)有防漏裝置。,常用的防漏裝置有擋油盤、填料油封、自緊油封、回油螺紋等。,曲軸的軸向定位,(1)結(jié)構(gòu): 止推片:在某一道主軸承的兩側(cè)裝止推片。止推片由低碳鋼背和減磨層組成。 翻邊軸瓦: (2)安裝注意:止推片有減磨層的一面朝向轉(zhuǎn)動件(有油槽一面)。當(dāng)曲軸向前竄動時(shí),
5、后止推片承受軸向推力;向后竄動時(shí),前止推片承受軸向推力,曲拐的布置,(1)一般規(guī)律 1)各缸的作功間隔要盡量均衡,以使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 2)連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠(yuǎn)些,最好是在發(fā)動機(jī)的前半部和后半部交替進(jìn)行。 3) 避免進(jìn)氣重疊 4) V型發(fā)動機(jī)左右氣缸盡量交替作功。 5)曲拐布置盡可能對稱、均勻以使發(fā)動機(jī)工作平衡性好。,三. 曲軸疲勞強(qiáng)度校核,曲軸破壞主要是彎曲疲勞破壞 現(xiàn)在曲軸強(qiáng)度計(jì)算絕大部分采用有限元計(jì)算方法,且有很多現(xiàn)成的工程分析軟件,如ansys,pro/e,UG等。 有限元計(jì)算精度關(guān)鍵取決于如何處理曲軸的位移約束條件、加載方式、網(wǎng)格劃分等,這需要詳細(xì)了解曲軸的工作情況和受力狀況。
6、安全系數(shù)n1.5(鋼)或1.8(球墨鑄鐵),四. 提高曲軸疲勞強(qiáng)度的措施,在載荷不變的條件下,要提高曲軸抗彎強(qiáng)度就應(yīng)設(shè)法降低應(yīng)力集中;適當(dāng)減小單拐中間部分的彎曲剛度,使應(yīng)力分布較為均勻。,結(jié)構(gòu)措施,1、加大曲軸軸頸的重疊度 重疊度 A=(dcp+dcj)/2-r 重疊度系數(shù) =(dcp+dcj)/S 2、加大軸頸附近的過渡圓角 過渡圓角的尺寸、形狀、材料組織、表面加工質(zhì)量等對曲軸應(yīng)力的影響十分明顯。 3、采用空心曲軸 4、采用沉割圓角和開卸載槽,工藝措施,1、圓角滾壓強(qiáng)化:表面產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力,抵消部分工作拉伸應(yīng)力,從而提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。 2、圓角淬火強(qiáng)化:用熱處理方法使金屬發(fā)生組織相變,體積膨脹而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,從而提高曲軸疲勞強(qiáng)度。 3、噴丸強(qiáng)化處理:與滾壓強(qiáng)化的道理一樣,屬于冷作硬化變形。 4、氮化處理:使氮?dú)鉂B入零件表面,金屬體積增大而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。,