内燃机曲轴结构设计的方法

　　摘　要：本文通过对内燃机曲轴疲劳破坏形式及其主要原因的分析，得出弯曲和扭转疲劳断裂是内燃机曲轴的主要破坏形式。内燃机曲轴部分的结构形状和主要尺寸，对内燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有主要影响，因而强调在内燃机曲轴设计时，必须对内燃机曲轴的结构强度问题予以充分重视。
　　关键词：内燃机曲轴；结构；设计；方法
　　0　前言
　　内燃机是一种往复式动力机械，内燃机曲轴是一种常见的把柴油燃烧产生的热能转换成机械能的传动部件。内燃机曲轴的横断面沿着轴线方向急剧变化，因而应力分布极不均匀，很难准确计算出应力，给出强度判据。尤其在曲柄臂和轴颈的过渡圆角部分、油孔附近会产生严重的应力集中。在循环应力作用下，其应力集中区便可能产生疲劳破坏。实践证明，弯曲和扭转疲劳断裂是内燃机曲轴的主要破坏形式。内燃机曲轴部分的结构形状和主要尺寸，对内燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有主要影响，因而在内燃机曲轴设计时，必须对内燃机曲轴的结构强度问题予以充分重视。
　　1　内燃机曲轴疲劳破坏形式及其主要原因（见下表） 　　2　内燃机曲轴结构设计的基本要求
　　内燃机曲轴部分的结构形状和主要尺寸，对内燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有主要影响，因而内燃机曲轴设计须满足以下要求：
　　2.1足够的强度
　　主要是曲柄部分的弯曲疲劳强度、扭转疲劳强度以及功率输出端的静强度。
　　2.2足够的刚度
　　减少曲轴挠曲变形，以保证活塞连杆组和曲轴各轴承可靠工作，同时提高曲轴的自振频率，尽量避免在工作转速范围内发生共振。
　　2.3轴颈—轴承副具有足够的承压面积和较高的耐磨性，油孔布置合理。
　　2.4合理的曲柄排列，使其工作时运转平稳，扭矩均匀，并改善轴系的扭振情况。
　　2.5合理配置平衡块，减轻主轴承负荷和振动。
　　上述各项设计要求相互关联，又相互制约，应根据各种内燃机的不同特点，结合总体设计综合考虑。
　　3　内燃机曲轴结构设计的方法
　　由于影响内燃机曲轴结构的因素很多，且结构形式又要随具体情况不同而异，所以内燃机曲轴没有标准的结构形式。设计时应针对不同情况进行具体分析，但是不论何种具体情况，内燃机曲轴在结构上都应满足：曲轴和装在曲轴上的零件要有准确的工艺位置；曲轴要有良好的制造工艺性；曲轴应力尽可能做到均匀分布，满足疲劳强度要求；考虑曲轴加工制造的经济性等。在设计内燃机曲轴时，应根据内燃机曲轴的工作条件，选择不同的结构设计方案。
　　内燃机曲轴结构设计方法大致如下：
　　3.1选择确定结构形式
　　3.1.1整体锻造曲轴
　　整体锻造曲轴尺寸紧凑，重量较轻，强度高，但对于复杂的形状加工困难，平衡块也不易与曲轴做成一体。整体锻造曲轴一般采用模缎和连续纤维挤压锻造。只有小量生产的曲轴，主要是曲柄半径在800mm以下的大中型曲轴才采用自由锻。
　　3.1.2整体铸造曲轴
　　整体铸造曲轴的加工性能好，金属切削量少，成本低。铸造曲轴可以获得较合理的结构形状，如椭圆形曲柄臂，桶形空心轴颈和卸载槽等，从而使应力分布均匀，对提高曲铀的疲劳强度有显著效果。
　　3.1.3组合曲轴
　　大型曲轴由于整体毛坯的制造能力受到限制，以及部分损坏时须更换整根曲轴很不经济，故采用组合曲轴。在一些有特殊要求的情况下，中小曲轴也可以做成组合式。而用得Z多的是套合曲轴。
　　套合曲轴分为全套合和半套合两种。主轴颈、曲柄销、曲柄臂全部分开或部分分开制造（后者通常曲柄销与曲柄臂铸成一体），然后再用“热套”或液压压入等方法联接起来，即为全套合或半套合曲轴。
　　套合曲轴一般用于曲柄半径大于400～450mm的大型低速十字头柴油机曲轴，以及曲柄销上采用滚针轴承的小型曲轴。
　　大型套合曲轴全套合时t_o≥1/3d，t近于to，半套合时t亦接近于1/3d。在200～250℃以下“热套”时，曲柄臂材料的屈服极限应不小于220MPa，配合过盈量为1.4/1000～1.6/1000d，压入量为0.4～0.45d（d为配合处的轴颈直径）。
　　3.2确定润滑油道
　　曲轴主轴颈和曲柄销一般采用压力润滑。润滑油由主油道（或主油管）送到各主轴承，再经曲轴内润滑油道进入连杆轴承。当主轴承为滚动轴承时，润滑可从“假轴承”进入曲轴内腔，再分配到各有关轴承。
　　在决定主轴颈和曲柄销上的油孔位置时，主要应考虑保证供油压力和油孔对曲轴强度的影响程度。因此一般希望把主轴颈油孔开在Z大轴颈压力作用线的垂直方向，曲柄销油孔开在轴承负荷较低的地方。从强度考虑曲柄销油孔应位于曲轴的垂直平面内，因为在该平面内曲轴销的表面弯曲正应力和扭转切应力都较小。此外，还应同时根据曲轴结构和钻孔工艺等因素来确定油孔位置。油孔部位应力集中较严重，疲劳裂纹可由油孔边缘产生和发展，以致造成曲轴扭转疲劳断裂，所以油孔边缘应倒角并抛光。
　　3.3确定曲轴平衡块形式
　　平衡块用来平衡曲轴的不平衡惯性力和力矩，减轻主轴承载荷，以及减小曲轴和曲轴箱（或机体）所受的内力矩。但曲轴配置平衡块后质量增加，将使曲轴系统的扭振效率有所降低。因此，应根据曲轴结构、转速、曲柄排列等因素来配置平衡块和确定平衡精度要求。平衡块可与曲轴制成一体，也可与曲轴分开制造后再行装配。
　　另外应该注意到，为提高曲轴疲劳强度，还可以通过改进曲轴的几何形状来实现。例如：增大过渡圆角（多圆弧连接圆角，圆角处作沉割），增大重叠度；采用空心轴颈及在曲柄臂上作卸载槽，尽量增大油孔边缘圆角；采用局部强化工艺，如高频淬火、圆角辊压，软氮化等措施，以提高曲轴应力集中区的疲劳强度。
　　4　内燃机曲轴的应力分析及强度校核
　　从内燃机曲轴断口分析得知，内燃机曲轴的破坏大多由于应力集中区疲劳裂纹的发生和发展引起的，因此，通常应在易于发生疲劳裂纹处进行强度校核。
　　内燃机曲轴的应力分析及强度校核可以采用传统的计算方法进行校核，凭工程技术人员的经验进行结构修改，通过校核结果来校正设计。经过多次重复计算，达到Z终设计要求。另外也可以采用工程上广泛应用的CAE软件—ANSYS来对内燃机曲轴进行应力分析及强度校核，即利用建立的有限元模性来进行校核。这种先进的校核方法，可以大大缩短内燃机曲轴结构设计的周期，从而减少设计成本，并有利于多种型号产品的开发。
　　参考文献
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