第四章曲轴设计.ppt

第四章 曲轴设计 §4—1 曲轴工作条件与设计要求,一、单位曲柄上的作用力,1、保证具有足够的弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度； 2、保证曲轴具有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度； 3、轴承具有足够大的承压面积，轴颈耐磨； 4、尽量采用普通材料；工艺性好，质量小 三、材料与结构型式 1、材料：中小功率内燃机用球墨铸铁、可锻铸铁、锻钢（45号钢，40Cr），大型柴油机用合金钢、铸钢、球墨铸铁（强载度不高的中高速柴油机）二、曲轴设计要求,2、结构型式： ① 整体式、套合式、 焊接式、圆盘式,整体锻造曲轴,套合式曲轴：用于大型低速机，可以消除大件锻造的困难 焊接式曲轴：用于超长行程十字头式柴油机，可以消除大件锻造困难，而且可以降低曲轴质量，使连杆长度得以缩短,芬兰 Wartsila公司大型舰船柴油机曲轴,,圆盘式曲轴：用于某些要求结构紧凑的高速柴油机（6135Q，12V135Q）轴向尺寸紧凑的同时，曲柄销长度可以设计的较长；扭转刚度和弯曲刚度较大，疲劳强度提高，但质量大，制造成本较高,,② 全支承、非全支承,,,③ 平衡重连接方式：铸造曲轴平衡重一般与曲柄臂铸成一个整体，有利于提高工作可靠性锻造曲轴由于结构、锻压设备的限制，都作成分开式，平衡重的联结方式有：,§4—2 曲轴结构设计,,,一、曲柄销 1、D2：S/D上升，为保证曲轴刚性，要求D2增大，但D2增大，连杆 大头增大，摩檫损失大，惯性力大，不利于轴承的可靠工作。

通常 ，V型机D2较小 2、L2：轴承比压 ，通常 3、圆角： 二、主轴颈 1、D1：从轴承载荷方面考虑，D1可以比D2小，但考虑到： ① D1大可增加重叠度Δ，可提高曲轴的抗弯强度； ② D1大可使主轴承承压面积大，从而可以减小轴向尺寸，为增加曲臂厚度h留余地； ③ D1大对曲轴的转动惯量影响不大，不会降低曲轴的自振频率，相反会使曲轴刚性增大，自振频率上升 故D1一般取得比D2大：D1=0.65—0.75DD1过大会增大线速度，使摩檫损失上升，轴承温度升高；而且L1/D1过小对主轴承工作不利 2、L1要与D1联系确定，一般比L2小，但L1/D1≮0.3,三、曲柄臂 从强度的观点看，整体式曲轴的最薄弱环节即为曲臂，曲轴上应力集中最严重处就在曲柄臂与曲柄销、主轴颈相邻的过渡圆角处；从圆角处开始而横断的曲臂弯曲疲劳断裂破坏也最为常见 在曲柄平面内，曲柄的抗弯断面模数W=bh2/6，有关试验表明： h↑10%，W应↑20%,实际W↑40%； b↑10%，W应↑10%,实际W↑5%； 故为提高曲柄的抗弯断面模数W，增加h比增加宽度b有效L0的确定：,曲柄臂形状：现代高速内燃机大多采用椭圆形。

试验表明，椭圆形曲柄具有最好的弯曲和扭转刚度；因去掉了受力小或不受力部分，质量小，应力分布均匀四、曲轴轻量化 1、曲柄销作成空心结构 优点：可减小离心惯性力，做成鼓状效果更好，可以提高扭转疲劳强度，减小曲轴转动惯量，还可减轻主轴颈过渡圆角处应力集中 如将0.5d圆柱孔改成中部0.7d的鼓形孔时，扭转疲劳强度与弯曲疲劳强度都提高30%2、主轴颈做成空心机构 优点：可显著缓解曲柄销过渡圆角处的应力集中现象如设置卸载穴，则效果更好,,,3、曲柄臂斜削：在采用中空曲柄销时注意不要形成应力集中,五、油道布置 要求：有利于润滑油流动、对曲轴强度影响小 两种方案：单线斜油道和多线直角油道 1、单线斜油道：,,,,斜油孔简单，多用于实心曲轴；用于空心轴颈曲轴时，为避免漏油要采取密封措施,,,2、多线直角油道 多线直油道对曲轴圆角部位的强度影响较小，但加工复杂，需用堵头§4—3 曲轴疲劳强度计算 曲轴的破坏大多为疲劳破坏，而且最小的安全系数都出现在曲柄销的过度圆角处为此要求出：σaσmτaτm 一、弯曲应力（σaσm）计算 有两种计算方法：简支梁法（分段法）、连续梁法这里介绍简支梁法（该法是连续梁法的基础） 考虑切断下来的一个曲柄，对于对称曲拐，按曲拐尺寸及作用力求出曲柄平面内的支反力： 式中：PBW — 平衡重离心惯性力 据此作弯矩图，得到作用于曲柄中央 截面处的弯矩：,,式中：la — 曲拐支承点至曲臂中心距离 弯曲名义应力 根据动力计算的结果，将法向力最大值、最小值分别代入，即可求出最大弯曲名义应力和最小名义应力：,由此得到曲柄圆角处的应力幅和平均应力：,二、扭转应力（τaτm）计算 根据动力计算，可确定一个工作循环中的扭矩Mk的最大值（Mk）max和最小值(Mk)min，从而可求得曲柄销圆角处的名义应力 的最大值τnmax和最小值τnmin，从而可得平均扭转应力和扭转应力幅： 最后可根据σaσmτaτm，并考虑曲柄销圆角形状系数、应力集中系数、材料的弯曲和扭转疲劳极限值分别得出受弯安全系数和受扭转时的安全系数以及总安全系数。