曲軸飛輪畢業(yè)設計說明書

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 前 言1</p><p>　　第二章 總體設計方案2</p><p>　　2.1內燃機設計要求2</p><p>　　2.2內燃機的主要參數3</p><p>　　2.3內燃機的設計方法和在設計中應注意的問題5

2、</p><p>　　第三章 曲軸零件的設計7</p><p>　　3.1曲軸的設計步驟7</p><p>　　3.2曲軸的結構形式及其參數的選擇8</p><p>　　3.3潤滑油道10</p><p>　　3.4曲軸平衡塊12</p><p>　　3.5曲軸的軸向定位12<

3、;/p><p>　　3.6曲軸的端部結構12</p><p>　　第四章 曲軸的平衡分析14</p><p>　　4.1曲軸的平衡性分析14</p><p>　　4.2曲軸平衡重的布置方式17</p><p>　　第五章 曲軸疲勞強度校核18</p><p>　　5.1曲軸疲勞強度總述

4、18</p><p>　　5.2提高曲軸疲勞強度的結構措施20</p><p>　　5.3提高曲軸疲勞強度的工藝措施21</p><p>　　5.4疲勞強度計算22</p><p>　　第六章 飛輪零件設計與計算29</p><p>　　第七章 結 論31</p><p><

5、;b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　目 錄33</b></p><p><b>　　第一章 前 言</b></p><p>　　此設計的機器是392柴油機，這種柴油機多用于農用車和輕型轎車。此機為直列四沖程，水冷直噴柴油機，吸氣方式為自然吸氣，12小時標定功率為22KW（24

6、00r/min），燃油消耗率須低于242g/(kw *h)。從目前的輕型轎車和農用車市場看，柴油機是一個發(fā)展趨勢，由于用戶對汽車動力性的可靠性及排放法規(guī)的限制，柴油機在市場上的地位在不斷護大，三缸柴油機是農用車和輕型轎車的首選，功率足，體積小，可以滿足用戶的需求。從研究角度來說，三缸柴油機既有多缸機的結構復雜特點，又有單缸機的結構緊湊特點，研究三缸機的題既可以解決多缸機上的一些問題也可以解決單缸機的問題。從多方面講三缸柴油機是很有研究和

7、設計價值的。</p><p>　　我設計的題目是曲軸飛輪組。曲軸是內燃機最主要的部件之一。它的尺寸參數在很大程度上決定并影響著內燃機的整體尺寸和重量，內燃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，設計新型內燃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[1]。近年來隨著發(fā)動機動力性和可靠性要求援不斷提高，曲軸的工作條件越來越不好，曲軸的強度問題也越來越復雜。對曲軸強調確定的方法有兩種：試驗研究

8、和分析計算[2]。此外，曲軸的平衡也是曲軸設計時的一個重要問題，既要滿足平衡又要減小平衡重質量。</p><p>　　飛輪主要有以下作用：1、儲存動能,使曲軸轉速均勻;2、驅動輔助裝置;3、正時調整角度用。飛輪的設計原則是，的質量盡可能小的前提下具有足夠的轉動慣量，因而輪緣常做的寬厚。在進行曲軸飛輪組設計時曲軸的強度、平衡、飛輪的平衡都是需要注意的問題，其中曲軸的強度是較困難的，需發(fā)在低成本的情況下，用普通材料合

9、理進設計結構和工藝，使曲軸滿足強度要求。曲軸飛輪組是發(fā)動機正常工作的保證，對其進行研究，進行合理地設計，可以滿足現代發(fā)動機的要求。</p><p>　　第二章 總體設計方案</p><p>　　2.1內燃機設計要求</p><p>　　內燃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。這就使設計人員必須掌握相當寬廣的有關理論

10、與技術知識才能正確的進行設計。我們設計的目的是為了應用于實際，因此，我們在設計的時候，首先要根據實際需要來確定設計的目的和要求。</p><p>　　1．功率和轉速 作為動力機械，使用者對內燃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值是根據用途來確定的，它在設計中一般會給出，要求設計者能夠按要求設計產品。在本次設計中，給定的功率為12小時功率20kw，轉速為2400r/min。&

11、lt;/p><p>　　2．內燃機的經濟性 內燃機的經濟性包括：內燃機的使用價值應該盡量大，而為使用內燃機所必須付出的代價應盡量小。這是設計人員應該爭取的重要目標之一。給定的燃油耗率不大于242g/(kW*h)。</p><p>　　3.高的工作可靠性和足夠的使用壽命?，F代內燃機壽命指標較先進的的大致為：運輸用汽車內燃機 30—60萬公里；</p><p>　　拖拉機

12、及農用內燃機 6000---10000小時</p><p>　　工程機械用內燃機 10000—28000小時</p><p>　　4．內燃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，希望內燃機本身占用的空間縮至最小，即要求內燃機的設計緊湊，空間占用小，內燃機的質量就小，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。</p>&l

13、t;p>　　5．內燃機設計的三化問題 所謂三化，指產品系列化，零部件的通用化和設計的標準化。</p><p>　　6．內燃機的可靠性及其它 工作可靠是內燃機應該具有的起碼性能，否則其它性能將無從談起。</p><p>　　2.2內燃機的主要參數</p><p><b>　　一、氣缸數與缸徑</b></p><p&g

14、t;　　壓縮點火式內燃機，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。內燃機的缸徑應符合系列型譜的規(guī)定，其尾數應該取整數，優(yōu)先選用0和5。給定設計項目為392柴油機設計，則氣缸數為3，缸徑為92。</p><p><b>　　二、活塞平均速度</b></p><p>　　活塞平均速度Cm表征柴油機高速性和強化程度的一項主要指標，對柴油機總體設計和主

15、要零件結構形式影響很大。活塞平均速度計算公式：。在功率給定以后，若平均有效壓力、活塞行程的缸數維持不變，提高活塞平均速度可使氣缸直徑減小，柴油機體積小、重量輕。但是提高活塞平均速度受到以下列因素的限制：</p><p>　　1）提高活塞平均速度后，使運動件的慣性力增大，同時活塞，缸套和氣缸蓋的熱負荷也相應增加。</p><p>　　2）提高活塞平均使柴油機零件的磨損加快，縮短了柴油機大修期

16、。</p><p>　　3）活塞平均速度的提高，使摩擦功率損失增加，機械效率降低，燃油消耗率升高。</p><p>　　4）進排氣阻力隨活塞平均速度的提高而增加，使充氣效率降低。隨著活塞平均速度的提高，柴油機的平衡、振動和噪聲等問題突出出來。一般柴油機總哭聲強度約與轉速的三次方成正比。</p><p><b>　　三、平均有效壓力</b><

17、;/p><p>　　平均有效壓力是表征柴油機強化程度的重要指標之一,可由下式求得：</p><p>　　式中Pr為平均摩擦損失壓力。</p><p>　　提高Pe值可使功率增加比重量下降。然而機械負荷和熱負荷也隨之提高，影響柴油機的可靠性和壽命。同時，對排氣的有害成分、噪聲、振動等都有不利影響。提高充氣系數，改善工作過程，減少機械損失與熱損失，是提高Pe值的主要措施，但

18、是非增壓柴油機Pe值的提高是有限的。最有效的措施是采用增壓或增壓加中冷系統(tǒng)。在選定柴油機的的Pe值時一定要慎重。在進行設計是，它應根據同類型發(fā)動機的實際數據來初步選定，在本次設計中，初步選定Pme=0.52兆帕。</p><p>　　四、行程及其與缸徑的比值</p><p>　　行程與缸徑比S/D是對柴油機結構和性能有重大影響的參數，在氣缸直徑和活塞平均速度確定之后，就合理的選擇S/D。并

19、考慮以下因素：</p><p>　　1）選用較小的S/D，可減小柴油機的高度寬度和質量。</p><p>　　2）小的S/D可以縮小行程S，加大曲軸的連桿軸頸和主軸頸重疊度，提高曲軸的彎曲和扭轉剛度，以及疲勞強度。</p><p>　　3）當S/D減小時,柴油機的轉速可增加,提高了柴油機的升功率,但增加了運動件的慣性力和柴油機的噪聲。</p><

20、p>　　4)S/D比值過小，特別是直噴式燃燒室的柴油機，為保持一定的壓縮比ε以及燃燒室容積與壓縮容積之比值（Vh/Va）,必將使活塞與氣缸蓋之間需要更小的間隙，這就增加制造上的困難如間隙不能保證，將使發(fā)動機各項性能指標難以達到。</p><p>　　5）選擇風冷柴油機的S/D時，應考慮缸套的散熱睡布置。</p><p>　　此次設計的S/D值為1.14。</p><

21、;p>　　五、氣缸中心距及其與缸徑的比值</p><p>　　氣缸中心距及其與缸徑的比值，是表征柴油機長度的緊湊性和重量指標的重要參數，它與柴油機的強化程度、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為118mm。</p><p>　　

22、六、壓縮比壓縮比直接影響柴油機的性能、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，柴油機的熱效率隨壓縮比的增加而提高。增大壓縮比也可使柴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，機械負荷增加對柴油機使用壽命有影響。此次設計中壓縮比ε初步定為18。</p><p>　　2.3內燃機的設計方法和在設計中應注意的問題</p><p>　　內燃機是一個結構復

23、雜，布置緊湊的機器。它有許多零件組成，各個零件之間不但必須以一定的配合關系聯系成一個整體，而且必須在作相對運動的過程中互不干涉。因此，在設計每一個零件時，必須把它看作是整個內燃機的一部分。并注意該零件與其它零件之間的關系。考慮到這一特點，通常內燃機的技術設計要按一定的程序進行，即先從內燃機的全局出發(fā)確定出各個局部結構的輪廓尺寸，再根據給定的輪廓尺寸設計各零部件的細節(jié)，然后再將各個局部匯合在一起，從總體結構上審查各個局部的設計是否正確。通

24、常這個設計程序分三個階段：草圖設計、工作圖設計和繪制裝配圖。</p><p>　　在設計內燃機的過程中需要確定出主要零件的結構，尺寸和材料。在這里考慮問題的主要出發(fā)點是保證由這些零件組成的內燃機能夠有效的實現將燃料中的熱能轉化成機械功的過程。這就必須使零件的結構，尺寸和所用材料適應工作過程的需要。除此之外，還要考慮另一方面的問題，這就是：</p><p><b>　　1．受力問題

25、 </b></p><p>　　零件在工作過程中要承受機械負荷的作用，在力的作用下零件將產生機械應力和變形。機械應力超過一定的限度時零件將發(fā)生斷裂性的破壞，變形超過一定的限度時零件之間的相互配合關系將被破壞。所有這些都使零件失去工作能力。因此，在設計每一個零件時都要充分了解該零件在工作過程中所受力的大小和力的作用情況。在本次設計中，充分的考慮了這個問題，在必要時進行了力的校核計算。</p>

26、<p><b>　　2．磨損問題</b></p><p>　　內燃機的許多零件在力的作用下相互摩擦運動，如活塞與汽缸壁，軸頸與軸承等。本次設計中比較注意零件的磨損問題，對受到磨損的部位注意正確地供給潤滑油和采取其它措施來延長零件的使用壽命。</p><p><b>　　3．熱負荷問題</b></p><p>

27、　　內燃機的許多零件，如活塞，汽缸和汽缸蓋等在工作中要與高溫氣體相接觸，在此情況下零件被破壞。本次設計為水冷柴油機，在必要處都布置有冷卻水道或利用潤滑油進行冷卻散熱。</p><p>　　上面這三個問題是在內燃機的過程中經常遇到并必須注意解決的問題,總括起來說就是:零件必須有足夠的強度和剛度,以便能夠隨力的作用必須注意減小零件的磨損和提高耐磨性,以便行長零件的使用壽命;必須澺零件的熱強度、熱變形與熱應力的問題以便

28、使零件能夠然高溫條件下可靠工作。</p><p>　　第三章 曲軸零件的設計</p><p>　　曲軸是發(fā)動機最重要的機件之一。它的尺寸參數在很大程度上不僅影響著發(fā)動機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動機其它零件的嚴重損壞，在發(fā)動機的結構改進中，曲軸的改進也占有重要地位。隨著發(fā)動機的發(fā)展與強化，使曲軸的工作條件愈加苛刻，因此，曲軸的

29、強度和剛度問題就變的更加嚴重，在設計曲軸時必須正確的選擇曲軸的尺寸參數、結構形式、材料與工藝，以求獲得最經濟最合理的效果。</p><p>　　3.1曲軸的設計步驟</p><p>　　1．根據柴油機的用途，強化程度，生產批量，缸心距及活塞行程等參數，選擇適當的曲軸材料，結構形式，毛坯制造方法及必要的強化工藝。</p><p>　　2．依據柴油機相似原則以及設計者的

30、經驗，初步決定曲柄銷，主軸頸和曲柄臂的尺寸。</p><p>　　3．根據柴油機沖程數，汽缸數目和排列方式，發(fā)火順序，從保證扭矩均勻，平衡性良好，主軸承負荷不要過大等原則出發(fā)確定曲柄排列。</p><p>　　曲軸計算：初步決定曲軸尺寸后，需對曲軸進行平衡性計算和曲軸疲勞強度計算，以驗證所設計曲軸是否滿足前述各項設計要求。</p><p>　　根據上述計算結果，決定

31、是否需要修改設計。上述程序反復進行后。確定曲軸的尺寸，平衡塊的大小和布置方式，潤滑油道的布置，并完成曲軸兩端的設計，繪制出曲軸零件圖。</p><p>　　3.2曲軸的結構形式及其參數的選擇</p><p>　　一、按支撐方式分為全支撐曲軸和非全支撐曲軸。全支撐曲軸是每兩個（v型發(fā)動機為兩排）汽缸均設有主軸承的曲軸；而非全支撐曲軸是每隔兩個（v型發(fā)動機為兩排）汽缸設有一個主軸承的曲軸。由于

32、柴油機的爆發(fā)壓力較高，因而一般都采用全支撐曲軸；僅有個別小缸徑柴油機為縮短缸心距，減少主軸承數，采用非全支撐曲軸。</p><p><b>　　1、整體式曲軸</b></p><p>　　整體式曲軸的結構是整體的，它的毛坯由整根鋼料鍛造或用鑄造方法澆鑄出來。整體式曲軸具有工作可靠，重量輕的特點，而且剛度和強度較高加工面也比較少， 中小型發(fā)動機曲軸廣為采用的結構形式。本

33、次設計就是采用的整體式曲軸。</p><p><b>　　2、組合式曲軸</b></p><p>　　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。大功率柴油機和小型二沖程發(fā)動機上常采用組合式曲軸。</p><p>　?。?）、圓盤式組合曲軸</p><p>　　這種曲軸的每個曲柄單獨制造，然后用

34、螺栓緊固聯成一根完整的曲軸。圓盤式組合曲軸各曲柄相同，這使得系列產品的制造十分方便。在使用中若發(fā)現某曲軸損壞，可單獨更換損壞的曲柄，而不需要報廢整個曲軸。此外，由于這種曲軸各曲柄單獨制造，因而不需要大型設備，機械加工簡單，這種曲軸由于結構復雜，加工精度高，因而僅少數機型采用。</p><p><b>　?。?）、套合式曲軸</b></p><p>　　它的曲柄銷，主軸

35、頸，曲柄臂均分開制造，然后用紅套或液壓等方法連接起來。軸和孔的配合的過盈量是軸頸的1.4‰-1.8‰為了減小應力集中，軸頸與曲柄臂相配合部分的直徑加大到軸頸直徑的1.05～1.1倍。目前，套合式曲軸主要應用于曲柄半徑大于400～500mm的大型低速柴油機，其中半套合式曲軸應用較多。</p><p><b>　　（3）、分段式曲軸</b></p><p>　　大型曲軸由

36、于受到加工設備的限制，往往將曲軸分段制造，然后用凸緣連接起來，這種曲軸稱為分段式曲軸。</p><p>　　本次設計的曲軸需要應用于三缸柴油機，這種小型機上多采用整體式曲軸。三缸機曲軸多用空間布置，曲拐夾角120度。具體的曲軸形式如圖所示</p><p>　　圖3-1三缸機曲軸的布置</p><p><b>　　二、曲軸參數的選擇</b><

37、;/p><p>　　1、曲柄銷的直徑D2和長度L2：</p><p>　　在現代發(fā)動機設計中，一般趨向于采用較大的D2值，以降低曲柄銷的比壓，提高連桿軸承工作的可靠性，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。因為隨曲柄銷直徑的增大帶來的軸系自振頻率增加，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。</

38、p><p>　　根據的柴油機曲軸設計的經驗公式[13]，選取</p><p>　　曲柄銷的直徑dp=(0.5~0.80)D 取dp=0.72D=63mm；</p><p>　　曲柄銷的長度lp=（0.35~0.45）D 取lp=0.43D=40mm；</p><p>　　2、主軸頸的直徑D1和長度L1：</p><p>

39、　　曲軸越長，從避免扭振損壞的角度，主軸頸應越粗，主軸頸過短，會使軸承副負荷能力變壞。</p><p>　　主軸頸直徑dj=（0.60~0.80）D 取dj=0.73D=73mm；</p><p>　　主軸頸長度lj=（0.34~0.45）D 取 lj=0.34D=32mm；</p><p><b>　　3、曲柄：</b></p>

40、;<p>　　曲柄應選擇適當的厚度，寬度以使曲軸有足夠的剛度和強度。曲柄形狀應合理，以改善應力的分布。</p><p>　　現代高速內燃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。</p><p>　　曲柄臂厚度h=（0.2~0.3）D 取h=0.28=23mm；</p

41、><p>　　曲柄臂寬度b=（0.9~1.3）D 取b=0.9D=83mm；</p><p><b>　　4、曲軸圓角：</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

42、極不均勻，故圓角的輪廓設計十分重要。</p><p>　　曲軸圓角半徑r應足夠大，一般r/D=0.045，圓角半徑過小會使應力集中嚴重。為了增大曲軸圓角半徑，且不軸頸有效工作長度，可采用沉割圓角。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。</p><p>　　本次設計遵循以上原則，選取圓角半徑 R=4mm</p>

43、;<p><b>　　3.3潤滑油道</b></p><p>　　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。潤滑油通常先進入主軸承再進入連桿軸承。潤滑油進入主軸承有兩種方式：</p><p>　　1、分路供油 多數柴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。</p><p>　　2

44、、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。</p><p>　　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

45、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。</p><p>　　為了減小應力集中，油孔出口應到角，拋光。由于合金鋼應力集中敏感性大，因而一些合金鋼曲軸油孔的內表面也應拋光。</p><

46、p>　　圖3-2為此次設計油道的布置方案</p><p><b>　　3.4曲軸平衡塊</b></p><p>　　平衡塊用來平衡曲軸不平衡的離心慣性力和離心慣性力矩。隨著柴油機轉速的提高，多數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，

47、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。一般低速柴油機不需要配置平衡塊，高度柴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。</p><p>　　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。</p&g

48、t;<p>　　3.5曲軸的軸向定位</p><p>　　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。中高速柴油機的曲軸通常用止推片或止推軸瓦做止推軸承。大多數柴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。在一些柴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。</p><p>　　3

49、.6曲軸的端部結構</p><p>　　曲軸的兩端分別為自由端和輸出端。大多數柴油機的機油泵，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，柴油機產生的功率經輸出端輸出，但在某些工程機械或農用柴油機上，曲軸自由端也可輸出部分乃至全部功率。</p><p>　　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

50、制造在曲軸上。</p><p>　　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。</p><p>　　曲軸法蘭的大小應根據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之外，并能讓開主軸頸到法蘭的過度圓角。</p><p>

51、;　　第四章 曲軸的平衡分析</p><p>　　4.1曲軸的平衡性分析</p><p>　　對曲曲軸軸平衡性的分析可以采用兩種方法,矢量圖法和數學分析法,此次設計中我采用的是數學分析法:</p><p><b>　　(1)分析</b></p><p><b>　　因為</b></p>

52、<p><b>　　所以</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　得即</b></p><p>　　因為和的公式形態(tài)一樣</p>

53、<p><b>　　所以</b></p><p><b>　　可知，</b></p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　得2α=30°</b></p><p><b>　　即，</b>

54、;</p><p>　　由上得知一、二級往復慣性力矩的正、反轉矢量</p><p>　　圖4-1曲軸上的力矩分布圖</p><p>　　(2)慣性力矩的平衡方法</p><p>　　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值需要與柴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

55、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。</p><p>　　4.2曲軸平衡重的布置方式</p><p>　　此次設計中曲軸的平衡塊配置如下圖所示：</p><p>　　圖4-2 平衡重布置圖</p><p>　　第五章 曲軸疲勞強度校核<

56、/p><p>　　5.1曲軸疲勞強度總述</p><p>　　強度計算是設計時預先估計所設計的零件能否可靠工作的一種手段。但是內燃機的許多主要零件，包括曲軸在內，設計時都不是由計算強度開始的，而是首先通過草圖設計確定各部分的基本結構和大致尺寸，然后再進行反復的校核計算和試驗并經必要的修改，直到達到滿意的結果予以定型為止。</p><p>　　曲軸強度廣告牌主要兇手靜強度

57、計算和疲勞強度計算。靜強度市場繁榮的目的是求出曲軸各危險部位最大工作應力；疲勞強度計算的目的是求出曲軸在承受六變工作應力下的最小強度儲備，通常以安全系數的形式表示。不論是計算靜強度還是疲勞強度都必須首先對曲拐進行正確的受分析，求得曲拐各截面上的彎矩和扭矩。</p><p>　　曲軸是由一個或多個曲拐組成的。每一個曲拐則是由曲柄臂，主軸頸和連桿頸三部分組成。</p><p>　　曲軸中用以驅

58、動其它機械旋轉的一端稱為功率輸出端（或稱后端）。通常在曲軸的功率輸出端裝有飛輪`。</p><p>　　曲軸的另一端稱為自由端。大多數內燃機上，機器本身的輔助機構，如配氣機構，機油泵，冷卻水泵和冷卻風扇等是由曲軸自由端經過傳動齒輪、鏈輪或三角帶進行驅動的。</p><p>　　上述情況說明，曲軸在工作中要承受扭轉力矩的作用。除此之外，施加在連桿軸頸上的頸向力還要使曲軸受彎曲作用。因此，曲軸

59、是在同時承受扭轉應力和彎曲應力的復雜應力情況下工作的。</p><p>　　因此，設計曲軸時必須注意解決的主要問題之一是盡量提高曲軸的疲勞強度。設計曲軸時必須注意解決的另一主要問題是保證軸頸與軸承工作可靠并且耐用。這是關系到整臺內燃機工作是否可靠和耐用的一個重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　曲軸是內燃機的脊骨，在設計時必須使曲軸具有足夠的抗彎強度。曲軸是通過主軸頸支撐在機體上的。曲軸的抗彎強

60、度不足，彎曲變形過大，不但會影響軸承和軸頸的結合，對機體的受力情況也有不利影響。</p><p>　　在曲軸的設計中，應盡可能的提高系統(tǒng)的自振頻率，以便盡可能的使危險的共振轉速高于內燃機的最高工作轉速。</p><p>　　通過大量的曲軸斷裂事故進行分析證明，大多數斷軸事故屬于疲勞破壞。疲勞破壞是由應力集中的地方開始，如曲軸的油孔邊緣和曲軸臂和軸頸相交接處。由于交變扭轉應力作用而產生的疲勞

61、破壞，裂紋一般是與軸線呈大約45。交角。因此設計曲軸時必須注意解決的問題就是保證軸頸與軸承工作可靠并且耐用。使曲軸不但在運轉中安全可靠，而且能充分利用材料的疲勞強度。為此我們需要能夠較精確的確定曲軸的疲勞強度和曲軸運轉時的實際應力。 </p><p>　　把握曲軸的許用應力和曲軸的工作應力卻相當困難。這是由于：實際的曲軸是一個支撐的靜不定系統(tǒng)，理論上應按連續(xù)梁的概念來求解支撐扭矩和支反力;曲軸是一根彎曲的彈性軸，

62、支撐它的曲軸箱和支座都是彈性體，在外載荷作用下他們將發(fā)生彈性變形；曲軸在工作時承受的負荷不但沿整個軸頸長度方向分布，而且分布規(guī)律不斷變化；曲軸各主軸頸和軸承孔均非同心，它們之間的工作間隙也不完全相同， 并隨軸頸和軸承的磨損而變化。加上曲軸的形狀復雜，所有上述因素使得曲軸應力的計算大為復雜，迄今為止， 還只能做較為近似的計算。 現有的經過簡化的計算方法主要有兩種：</p><p>　　一種是把曲軸按照單拐分成幾段，

63、每段當作簡支梁進行分析；另一種是把曲軸作為連續(xù)梁進行分析。分段法計算簡單，突出了曲拐受力的主要矛盾，所以使用普遍。不過由于它忽略了許多影響因素，甚至也沒有考慮相鄰曲拐的影響，致使計算結果與實際情況相差較大；連續(xù)梁法近年正逐步受到人們的重視，因為它考慮拉支撐的彈性安裝不同心度以及支座彎矩等因素對曲軸應力的影響，使計算較為全面。但這種方法在分析時仍忽略了一些難以控制、然而又非常重要的影響因素，如軸頸與軸承之間的工作間隙、主軸頸的偏心、錐度、

64、橢圓度、作用力的形態(tài)等因素對曲軸應力的影響，使得計算結論仍不能令人滿意，這種方法也有待進一步完善。</p><p>　　5.2提高曲軸疲勞強度的結構措施</p><p>　　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最大限度下降。</p><

65、;p><b>　　一、加大軸頸重疊度</b></p><p>　　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，以便對不同發(fā)動機進行比較，引用重疊度</p><p><b>　?。?—1）</b></p><p><b>　　二、加大過渡圓角<

66、/b></p><p>　　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。</p><p>　　為了能增大半徑R

67、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。</p>&

68、lt;p><b>　　三、采用空心軸頸</b></p><p>　　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。<

69、/p><p>　　5.3提高曲軸疲勞強度的工藝措施</p><p>　　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。</p><p><b>　　一、圓角滾壓硬化</b></p><p>　　曲軸圓角滾壓強化是近年

70、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

71、。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。</p><p>　　二、軸頸和圓角表面同時進行淬火</p><p>　　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

72、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。</p><p><b>　　三、噴丸強化</b></p>

73、<p>　　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。</p><p><

74、b>　　四、氮化處理</b></p><p>　　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，

75、也同樣適用于球鐵曲軸。</p><p><b>　　5.4疲勞強度計算</b></p><p>　　本計算采用Ricardo計算方法,該計算方法有兩點假設。</p><p>　　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</p><p>　　簡支梁的形式支撐在主軸承上。</p><

76、p>　　曲軸所受力是以點負荷的形式作用在曲軸上的。如圖5-1</p><p>　　圖5-1 曲拐受力分析圖</p><p><b>　　一、已知條件</b></p><p>　　缸徑=92,行程=105,連桿長=190,氣缸數=4,發(fā)動機轉=2400r/min,最高燃燒壓力=10.9812 ,最大平均有效壓力=0.52,活塞連桿組往復質

77、量=1.6Kg,活塞連桿組旋轉質量=3.1Kg。</p><p><b>　　二、彎曲應力計算</b></p><p><b>　　1.曲軸受力計算</b></p><p>　?。?）壓縮上止點時的曲軸作用力：</p><p><b>　　(5-2)</b></p>

78、<p>　　式中，—活塞連桿組往復質量力；—活塞連桿組旋轉質量力；</p><p><b>　?。?）燃氣作用力：</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　（3）排氣上止點時的曲軸作用力：</p><p>　　2.單個曲拐危險截面上的彎矩</p>

79、<p><b>　?。?）圓角處</b></p><p>　　（2）連桿軸頸中央油孔處</p><p>　　式中，、、、分別為曲拐危險截面的最大和最小彎矩。</p><p><b>　　3.名義彎曲應力</b></p><p><b>　　， </b><

80、;/p><p>　　式中，—為彎矩，。、為截面的最大、最小名義彎曲應力。</p><p><b>　?。?）圓角處</b></p><p>　?。?）連桿軸頸中央油孔處</p><p>　　4.名義彎曲平均應力及名義應力幅為</p><p><b>　　， </b></p

81、><p><b>　?。?）圓角處</b></p><p>　?。?）連桿軸頸中央油孔處</p><p><b>　　5.彎曲應力</b></p><p><b>　　，；</b></p><p>　　式中，—應力集中系數, </p><

82、p>　　、—為彎曲平均應力及彎曲應力幅；</p><p>　　根據理論應力集中系數由式（5-3）計算。 </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　式中， ；</b></p><p>　　式中，—連桿軸徑，—曲柄臂厚度。</p><p>

83、;　　式中，—主軸頸直徑。</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　，則。</b></p><p><b>　　= </b></p><p><b&g

84、t;　　圓角處</b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　桿軸頸中央油孔處</b></p><p>　　取連桿軸頸中央油孔處的應力集中系數，帶入（5-4）得，則 </p><p><b>　　三、切應力計算</b></p&g

85、t;<p><b>　　1.扭矩計算</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中，—為發(fā)動機平均扭矩；</p><p>　　將已知條件代入得；最大扭矩</p><p>　　式中為系數，兩缸機取=10。最小扭矩</p><p>

86、;<b>　　2.名義應力</b></p><p>　　連桿軸頸的抗彎截面系數</p><p><b>　　， =63，則</b></p><p>　　式中，，—分別為名義最大，最小切應力。</p><p>　　名義平均切應力及名義切應力幅分別為</p><p><b&

87、gt;　　3.切應力</b></p><p><b>　?。?）圓角處</b></p><p><b>　　理論應力集中系數 </b></p><p>　　式中，為圓角半徑，為重疊度，連桿軸頸直徑。將代入式（5-4）中得，，則切應力集中系數</p><p><b>　　則<

88、;/b></p><p>　　式中，、—為平均切應力及切應力幅。</p><p>　?。?）連桿軸頸中央油孔處</p><p>　　理論應力集中系數，將其代入式（5-4）中得，，</p><p>　　切應力集中系數 則</p><p>　　根據以上計算數值參考經驗數值[14]此次設計的曲軸可采用材料40

89、Cr此材料的強度完全滿足以上要求。</p><p>　　第六章 飛輪零件設計與計算</p><p>　　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，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：一是增加內燃機的氣缸數，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。</p><p>&l

90、t;b>　　飛輪的設計與計算：</b></p><p>　　在飛輪的設計中，我們先根據經驗定出其外徑、內徑和厚度b，然后在根據經驗公式對其進行校核。</p><p>　　尺寸的初步確定：=320mm；</p><p><b>　　=110mm；</b></p><p><b>　　b=75mm

91、；</b></p><p>　　由任務給定的數據，選取各種相關系數：</p><p><b>　　運轉不均勻系數=；</b></p><p>　　飛輪轉動慣量占內燃機總轉動慣量的分數=0.85；</p><p>　　盈虧功系數=0.6；</p><p><b>　　飛輪的轉動

92、慣量：</b></p><p><b>　　（6-1）</b></p><p><b>　　=40（公斤）</b></p><p>　　由初步確定的尺寸按5-2式可計算出飛輪的重量：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p&

93、gt;　　HT250的密度，取7.34</p><p>　　=37.89.0086362 （N）</p><p>　　再由式5-3可計算出假設飛輪的轉動慣量：</p><p><b>　　（6-3）</b></p><p>　　=0.40406802（公斤）</p><p>　　由經驗公

94、式知，由于，所以，此飛輪合格</p><p><b>　　第七章 結 論</b></p><p>　　本次設計是一次綜合性較強的設計，聯系到了我在大學四年里所學的所有課程，使我對內燃機設計工作有了一個全新的認識。</p><p>　　通過本次設計，我明確了發(fā)動機產品的設計過程，加深了我對所學專業(yè)知識的理解，鍛煉了自己制圖和識圖的能力，特別是鍛

95、煉了自己用計算機繪圖的能力，培養(yǎng)了自己和同學間協作的精神，這是自己走向工作崗位前的一筆寶貴的財富。</p><p>　　本次課程設計是在指導老師xx老師的悉心指導下完成的。在設計的過程中，老師的諄諄教導使我受益匪淺。xx老師淵博的學識，嚴謹的治學風范，誨人不倦的育人態(tài)度，令我難以忘懷。謹此向李老師表示衷心感謝！</p><p>　　此外，在設計的過程中，本組的各位同學互相幫助，共同合作，積

96、極討論，共同研究，順利地完成了本次畢業(yè)設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王 平,高德平.柴油機曲軸的公理化設計.機械科學與技術,2004, Vol.23(7)： 1-3</p><p>　　[2] 趙 剛.內燃機曲軸制造技術現狀與發(fā)展趨勢.內燃機學報，2004（3）：2-5</p>

97、<p>　　[3] 詹宇平.柴油機上飛輪的作用.農機能源,2006(12),20</p><p>　　[4] 石德永,鄭玉雷.飛輪設計新方法.內燃機學報,2004(6)：1-3</p><p>　　[5] 衛(wèi) 堯.《內燃機設計》.北京:機械工業(yè)出版社,1992:2-38</p><p>　　[6] 楊連聲.《內燃機設計》.吉林工業(yè)大學：中國農業(yè)機械出版社

98、,1981:188</p><p>　　[7] 史紹熙，孫永平，田廣文等.《柴油機設計手冊》(中冊).北京:中國農業(yè)出版社,1984：555-626</p><p>　　[8] 朱仙鼎，《中國內燃機工程師手冊》.上海:上?？茖W技術出版社,1988：165-184</p><p>　　[9] 呂世梅,曲貴龍.曲軸動平衡的方法和應用.計量技術,2005(2)：32-34

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