2100T型柴油机曲轴受力分析及强度校核设计.doc

2100T 型柴油机 设计说明书曲轴受力分析及强度校核姓名 李钊学号 3008201291 _ _专业_ 热能与动力工程_ _ 指导教师 高文志 谭从民 刘月辉一、柴油机的主要技术规格型号：2100T 型式：立式、水冷、四冲程、直接喷射式燃烧室 气缸数：二缸缸径： 100 毫米 活塞行程：120 毫米 标定功率：18.4 千瓦 标定转速 n：2000 转/分 最大扭矩：11.8 公斤·米 最大扭矩转速：1200 转/分 比油耗ge≤252g/(kW.h)压缩比：16活塞总排量；1.88 升 平均有效压力：7.03 公斤/厘米 2活塞平均速度: 6 米/秒 曲轴旋转方式：逆时针 启动方式：手起动或电起动 润滑方式：压力与飞溅复合式外形尺寸：（长×宽×高）555 × 748 ×486（毫米）二、曲轴飞轮组概述曲轴飞轮组是由曲轴、飞轮、齿圈、曲轴正时齿轮、三角皮带轮组成曲轴 主轴颈与连杆轴颈之间有润滑油孔相通2100T 型柴油机的飞轮直径Ф=440 毫米，飞轮齿圈的倒角的一面向外装配到 飞轮上面此外，飞轮可配用 8 寸离合器飞轮用6个 M14×1.5 的螺栓和一个 Ф12 的定位销固定曲轴后端的凸缘上，齿圈安装在飞轮上。

飞轮外缘刻有记号 或标有小孔，用于检查调整配气和供油正时，在凸缘上设置定位销保持飞轮与曲 轴准确的正时位置另外，飞轮内壁钻有小孔，这样可以使飞轮外的部分润滑油 通过小孔回到油底壳，以保证飞轮面与离合器更好的摩擦传动曲轴的材料采用合金球墨铸铁，制造方便，成本低曲轴由前端、曲拐、曲 轴后端及平衡重组成，主轴颈直径粗而短，以提高刚度，主轴颈为空心，曲柄销 也是空心，既可以减少重量，又可以减少离心力2100 型是枣核型空腔主轴瓦、连杆轴瓦和止推片的材料均为轧制的耐磨合金曲轴末端主轴颈作用在止推轴颈上，其余除装一般轴瓦外，在机体主轴承两侧加装两个止推片 曲轴是发动机中最重要、最昂贵的零件之一，它的尺寸参数影响着发动机整体尺寸和重量，并且在很大程度上影响着发动机的可靠性曲轴的破坏事故可能 引起发动机其它零件的严重损坏，特别是随着发动机的发展与强化，使曲轴的工 作条件愈加苛刻由于曲轴是承担由热能转换为动能的最关键部件，并且在发动 机中发动机产生的功率是由它传导而出因此在发动机的设计与改进中，曲轴占 有极其重要的地位在工作中曲轴承受着由缸内燃气作用力、往复惯性力及旋转惯性力引起的周 期性变化的交变载荷,并对外输出转矩。

这种交变载荷会引起曲轴的疲劳失效; 曲轴的疲劳破坏通常从应力集中处开始,因此在最大载荷不变的前提下,要降低 最大应力,提高曲轴的疲劳强度就应设法降低轴颈过渡圆角处的应力集中效应通常采用增大曲轴的重叠度、加大连杆轴颈主轴颈的过渡圆角、开卸载槽、适当增加危险截面处的曲柄宽度等结构措施来提高曲轴的疲劳强度三、曲轴受力分析及计算计算曲轴支反力常用分段法或连续梁法，这里按照分段法进行计算 该法以通过主轴颈中点并垂直于曲轴中心线的平面将曲轴分为若干个曲柄，每个曲柄视为简支梁进行计算计算模型如下图所示这里我们取第二个曲柄计算，作用于此曲柄的力和力矩有： Pr：气体力和活塞连杆组往复惯性力所产生的径向力； Pt：气体力和活塞连杆组往复惯性力所产生的切向力； Pc：连杆旋转质量的离心惯性力； Pp：曲柄销的离心惯性力；Pa：曲柄臂的离心惯性力； Pb：平衡块的离心惯性力； Mt：作用于主轴颈上的扭矩；为了简化计算，我们利用 Pro-engineer 建模并得到了各部分的质量、转动 惯量等参数经过此步骤可以求得：最大径向力：568.4kgf； 连杆旋转质量离心惯性力：149.4kgf； 曲柄臂离心惯性力：30.1kgf； 平衡块离心惯性力：105.0kgf.曲轴支反力由下式确定：1Rγ ＝ L [(Pγ - Pp - Pc)l2 + Pb1(L - α1 - b1) + Pb2(α- Pα2α2]+ b2) - Pα2(L - α1)R ＝ l1 Pt L t根据曲柄左右对称，上面两个公式可以简化为：1Rγ ＝ 2 (Pγ - Pp - Pc) + Pb - PαRγ左 ＝ Rγ支反力对曲柄臂计算截面重心的弯矩：Mb ＝ Rγ α1 ＝ 676.7kgf · cm曲柄销油孔承受弯矩：在曲柄平面内 在曲柄垂直平面内Mbγ ＝ Rγ l1 Mbt ＝ Rt l1取上止点位置时，可以求出Mbγ ＝ 1571.25kgf · cm四、曲轴圆角疲劳强度计算曲柄销圆角和主轴颈圆角是曲轴应力集中严重的部位。

由下图可见，曲轴圆 角处应力较其他部位明显增加，这种应力的局部提高经常导致曲轴圆角发生疲劳 破坏曲轴结构各个参数为：曲柄臂计算截面的宽度 b=204mm； 曲柄臂计算截面的厚度 h=26mm； 和所计算的圆角相连接轴颈的外径 d=75mm； 和所计算的圆角相连接轴颈的内径 d1=44mm； 减重孔缩口部分直径 d2=32mm；减重孔偏心距 e=3mm；轴颈重叠度∆＝ 0.5(dp + dj )- R；与所计算圆角相连接的曲柄臂中减重孔边缘至轴颈的距离 l=8mm； 圆角曲率半径 r=4mm. 由于该曲轴采用枣核型空心轴颈，因而采用列金法计算曲轴圆角形状系数 1）圆角弯曲形状系数 在曲柄平面受纯弯曲时，其圆角弯曲形状系数ασ为圆角表面最大主应力σmax与圆角名义弯曲应力ση之比，即ασ ＝σmαx σηMb2ση ＝ bh6式中Mb为对曲柄臂计算截面重心的弯矩 圆角弯曲形状系数ασ按照下式计算σ 1 2 3 4 5 6 7ασ ＝ α’ f f f f f f fσ式中 α’ ——标准曲轴圆角弯曲形状系数，取 3；f1 ——轴颈重叠度影响系数，取 0.93；f2 ——曲柄臂宽度影响系数,取 1.4；f3 ——减重孔直径影响系数，取 1.03； f4——减重孔偏心距影响系数，取 0.97； f5——与所计算圆角相连接的曲柄臂中减重孔边缘至轴颈的距离的影响系数，取 1.03；f6——与所计算圆角相邻的轴颈外径的影响系数，取 1；f7——曲柄臂削斜影响系数，取 1. 根据上述几个数据，可以求得σmαx ＝ 328.7MPα，符合强度要求。

2）圆角拉压形状系数 拉压曲柄臂时，圆角拉压形状系数ασt为圆角表面最大主应力σtmαx与圆角拉压名义应力αηt之比：ασt ＝σtmαxαηt Pγαηt ＝ F式中 F——曲柄臂计算截面面积，F=bh；Pγ ——曲柄臂所受径向力 圆角拉压形状系数按照下式计算：ασt ＝ (1.2~1.4)ασ经计算可求得σtmαx ＝ 56.0Mpα五、改进方案为了达到内燃机减重的目的，我们可以采取以下四种方案中的一种或几种：（1） 飞轮端减重，主要涉及到发动机起动和运转稳定性的影响，这两 个方面分别由刘建赟同学和叶文基同学设计计算；（2） 增大曲轴枣核型空腔的大小，达到减重的目的，这个方面主要由 封博明同学利用 Patran/Nastran 软件设计计算；（3） 减小或去掉平衡重；（4） 改变曲轴的材料，提高强度，减轻重量六、参考文献[1] 内燃机学/周龙保主编 . ——2 版 .——北京：机械工业出版社，2005.1[2] 汽车发动机构造/张俊红 . ——天津：天津大学出版社，2006.4 [3] 内燃机设计 万欣 主编 1989.9 第二版[4] 2100 型柴油机 使用说明书.锦州柴油机厂[5] 柴油机设计手册.史绍熙等 主编.中国农业机械出版社,1984.1 第一版[6] 内燃机课程设计.高文志 主编.中国水利水电出版社,2010.8 第一版。