【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ==。 曲柄臂曲柄臂在曲柄平面內(nèi)的抗彎曲剛度和強(qiáng)度都較差，往往因受交變彎曲應(yīng)力而引起斷裂。因此曲柄臂是整體曲軸上最薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)?shù)膶挾群秃穸?，并選擇合理的形狀，以改善應(yīng)力的分布狀況。增大曲柄臂的厚度和寬度都可以增大曲柄臂的強(qiáng)度，而從提高曲柄臂的抗彎強(qiáng)度來說，增加厚度比增加寬度效果要好得多【31】。由《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）》表91可知：曲柄臂厚度與氣缸直徑之比/=～，即=～，取=.曲柄臂寬度與氣缸直徑之比/=～，即=～，取=。曲柄臂應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸取挾龋允骨S有足夠的剛度和強(qiáng)度。曲柄臂在曲拐平面內(nèi)的抗彎能力以其矩形斷面的抗彎模數(shù)來衡量： ()（）計(jì)算得彎模數(shù)=3000。隨著內(nèi)燃機(jī)沖程缸徑比/值的減小及曲軸軸頸的增大，使曲柄銷和主軸頸產(chǎn)生了重疊，此時(shí)，有一部分力可以直接傳遞到主軸頸，因而改善了曲柄臂的受力狀態(tài)，通常用重疊度△來表示其重疊程度的大小,則有△=(mm)（）式中：曲軸半徑，=/2,為內(nèi)燃機(jī)沖程，且=145mm，則有=。由此計(jì)算式2，得重疊度△=。 曲軸圓角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。這些過渡圓角能夠減小應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度，其半徑的增大與其表面光潔程度的提高，是增加曲軸疲勞強(qiáng)度的有效措施【32】。曲軸圓角半徑應(yīng)足夠大，但是圓角半徑過小會(huì)使應(yīng)力集中嚴(yán)，而圓角半徑的增大會(huì)使軸頸承壓的有效長(zhǎng)度減小，因而也會(huì)減小軸承承壓面積。為增大曲軸圓角半徑，且不縮短軸頸的有效工作長(zhǎng)度，可采用沉割圓角，但設(shè)計(jì)沉割圓角時(shí)應(yīng)注意保證曲柄臂有足夠厚度。曲軸圓角也可由半徑不同的二圓弧和三圓弧組成，當(dāng)各段圓弧半徑選擇適當(dāng)時(shí)可提高曲軸疲勞強(qiáng)度。由于沉割圓角和二圓弧以及三圓弧設(shè)計(jì)工藝十分的復(fù)雜，設(shè)計(jì)要求較高，以我們現(xiàn)階段的水平難以得出準(zhǔn)確結(jié)果，故而本設(shè)計(jì)采用等圓弧圓角。由《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）》可知：/。故取曲軸圓角半徑=。 潤(rùn)滑油道軸承的工作能力在很大程度上決定于摩擦表面的額潤(rùn)滑品質(zhì)。因此，為了保證軸承的可靠性，主軸頸和曲柄銷通常都采用壓力潤(rùn)滑。曲軸上油道和油孔的設(shè)計(jì)，對(duì)于曲軸軸承的潤(rùn)滑及曲軸強(qiáng)度都有重要的影響，因此必須十分慎重的選擇油道方案和確定油孔的位置。將潤(rùn)滑油輸送到曲軸油道中去的供油方式有兩種：一種是集中供油，即將曲軸內(nèi)部做成中空的連續(xù)孔道，作為內(nèi)燃機(jī)的主油道，機(jī)油從曲軸的一端輸入曲軸，然后經(jīng)曲軸內(nèi)孔串聯(lián)流向各軸承；另一種是分路供油，即機(jī)油從曲軸箱上的主油道并聯(lián)進(jìn)入各個(gè)主軸承，然后通過曲軸的油道再進(jìn)入相應(yīng)的連桿軸承。采用集中供油時(shí)，因?yàn)闄C(jī)油從一端進(jìn)入曲軸后需要克服很大的離心力和流動(dòng)阻力，才能供到另一端的軸承，壓力損失較大。為了保持最后潤(rùn)滑的軸承仍有一定的油壓，進(jìn)入軸承的油壓必須很高，這使得曲軸油腔的密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因而多數(shù)內(nèi)燃機(jī)采用分路供油，且本設(shè)計(jì)也采用分路供油。油道布置主要根據(jù)潤(rùn)滑供油充分和對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響來決定，主軸頸上的油孔入口應(yīng)保證像曲柄銷供油充分；曲柄銷上的油孔出口應(yīng)設(shè)在較低負(fù)荷區(qū)，以提高軸瓦的供油能力，油孔的位置應(yīng)參考軸承負(fù)荷圖和軸心軌跡圖來確定。油道的取向?qū)εまD(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度的影響很顯著。曲軸中油道的布置有很多方式，其中斜線油道在結(jié)構(gòu)上是最簡(jiǎn)單的。但其缺點(diǎn)是曲柄臂與軸頸過渡處被削弱，降低了曲軸的強(qiáng)度，油道與軸頸的表面交線呈橢圓形，斜角愈大橢圓度愈大，油孔邊緣處的應(yīng)力集中就愈嚴(yán)重，斜線油孔加工工藝復(fù)雜，為避免上述缺點(diǎn)，可從曲柄臂肩部鉆一斜孔，貫通曲柄銷和主軸頸，再在此兩個(gè)軸頸上鉆直油孔接通，最后將曲柄臂肩部孔堵死。，油孔由曲柄臂鉆入到主軸頸，再由曲柄臂和主軸頸表面垂直鉆通，這樣的油道布置，工藝較為復(fù)雜，但能夠有效的提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。由于本設(shè)計(jì)曲軸的軸頸及曲柄臂直徑都比較粗，重疊度也比較大，再考慮到油道加工的工藝性，因而本設(shè)計(jì)油道的布置方式選擇斜線油道油道加工的工藝性。 平衡重平衡塊是用來平衡曲軸不平衡的離心慣性力和離心慣性力矩。設(shè)計(jì)平衡重時(shí)，平衡重應(yīng)盡可能使其重心遠(yuǎn)離曲軸旋轉(zhuǎn)中心，即用較輕的重量達(dá)到較好的效果，以便盡可能減輕曲軸重量，并且應(yīng)盡量不增加內(nèi)燃機(jī)的尺寸，在滿足動(dòng)平衡的條件下，還能使曲軸的制造比較方便。曲軸上是否需要安裝平衡重和怎樣決定平衡重的數(shù)目，大小及位置等問題，都要根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的用途，曲軸形狀，常用工況的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，結(jié)構(gòu)和工藝上的簡(jiǎn)便程度等因素來定。曲軸的平衡重可以與與曲軸鑄成一體，這樣可使加工較簡(jiǎn)單，并且工作可靠。平衡中亦可單獨(dú)制造，通過螺栓連接在曲軸的曲柄臂上。本設(shè)計(jì)平衡重采用單獨(dú)制造的方法，這樣的設(shè)計(jì)過程較為簡(jiǎn)單，且可以根據(jù)實(shí)際需求改動(dòng)平衡重的設(shè)置【33】。 曲軸兩端和軸向止推曲軸上帶動(dòng)輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)鏈輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。如果止推軸承設(shè)在后端，傳動(dòng)齒輪裝在前端，并且又是用斜齒時(shí)，這樣當(dāng)曲軸因受離合器的作用力、斜齒的軸向力和熱膨脹而產(chǎn)生軸向外移時(shí)，將影響配氣和供油定時(shí)，從這個(gè)觀點(diǎn)看，傳動(dòng)齒輪應(yīng)裝在后端較為合適。從曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來看，前端的振幅較大，這對(duì)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不利。多缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于曲軸較長(zhǎng)，往往把傳動(dòng)齒輪裝在曲軸后端。本設(shè)計(jì)的曲軸為多缸柴油機(jī)曲軸，因此也把傳動(dòng)齒輪裝在曲軸后端。減振器應(yīng)裝在振幅最大曲軸前端，用以消除扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。中小型高速內(nèi)燃機(jī)上的驅(qū)動(dòng)齒輪如裝在前端一般采用鍵連接，如裝在后端則視曲軸輸出端的結(jié)構(gòu)而定。曲軸后端設(shè)有法蘭或加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。定位銷用來保證重裝飛輪時(shí)保持飛輪與曲軸的裝配位置，故定位銷的布置是不對(duì)稱的或只有一個(gè)。曲軸受熱膨脹而伸長(zhǎng)，或受斜齒輪及離合器等的軸向力會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，為防止曲軸的軸向移動(dòng)，在曲軸與機(jī)體之間設(shè)置止推軸承。止推軸承只能設(shè)置一個(gè)，以便使曲軸相對(duì)于機(jī)體能自由地沿軸向作熱膨脹【34】。從減小軸向移動(dòng)對(duì)配氣定時(shí)和供油定時(shí)的影響出發(fā)，希望把止推軸承設(shè)在前端；止推軸承設(shè)在后端則可以避免曲軸各曲拐承受功率消耗者的軸向推力的作用；從降低曲軸和機(jī)體加工尺寸鏈精度要求出發(fā)，也可設(shè)在曲軸中央。 曲軸的強(qiáng)化除了設(shè)計(jì)措施外，還可以利用特殊加工方法、熱處理方法或化學(xué)方法強(qiáng)化曲軸表面，提高曲軸疲勞強(qiáng)度。常見的表面強(qiáng)化方法有：圓角高頻感應(yīng)淬火、圓角滾壓以及氮化與軟氮化。軸頸表面圓角感應(yīng)淬火是提高軸頸耐磨性的一種簡(jiǎn)便有效的表面硬化法，適用于大量生產(chǎn)。這種方法是先用高頻電流加熱軸頸表面，隨即噴水冷卻，然后回火以消除殘余應(yīng)力。但這種方法易引起曲軸變形，工藝也較復(fù)雜，必須嚴(yán)格控制圓角淬火前殘余應(yīng)力，并用特殊淬火劑控制感應(yīng)電流頻率，以減小變形。圓角滾壓可以大幅度提高曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度，且工藝簡(jiǎn)單、工藝周期短、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，且滾壓后表面光潔無裂紋。滾壓硬化層的深度和最大殘余應(yīng)力主要取決于滾壓負(fù)荷、滾輪形狀及尺寸等因素。圓角滾壓時(shí)應(yīng)注意減少曲軸變形，必要使主軸頸擺差超過容許范圍。氮化通常是指氣體氮化，即把曲軸放在加熱至一定溫度的爐內(nèi)，通入氨氣，并保持一段時(shí)間，使氨氣熱分解所產(chǎn)生的活性氮離子滲入曲軸表面，從而得到一種含氨組織。這是一種化學(xué)熱處理方法。氮化可以使曲軸軸頸表面形成一層具有壓縮應(yīng)力的表面，從而提高曲軸的疲勞強(qiáng)度、表面硬度及耐磨性。而軟氮化則是一種鹽浴氮化方法同樣可以大幅度的提高曲軸疲勞強(qiáng)度，且氮化過程短。采用任何一種表面強(qiáng)化法都要防止曲軸變形過大，變形量大了，則必然要用壓力機(jī)進(jìn)行校直，而校直時(shí)難免在圓弧過渡處形成拉伸應(yīng)力集中，從而嚴(yán)重地削弱曲軸的疲勞強(qiáng)度。根據(jù)上述三種提高曲軸疲勞強(qiáng)度的工藝措施的比較，本設(shè)計(jì)采用最為常用的氮化處理來提高曲軸的疲勞強(qiáng)度【35】。 曲軸的強(qiáng)度校核曲軸在工作中承受的是交變載荷，因此它常因疲勞而損壞，另一方面曲軸的結(jié)構(gòu)形狀有很復(fù)雜，這使曲軸存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中促進(jìn)了曲軸的疲勞損壞，因此在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)曲軸進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度計(jì)算是必不可少的一環(huán)。計(jì)算曲軸的彎曲應(yīng)力一般有兩種方法：一種是分段法（斷開梁法）；另一種是連續(xù)梁法。分段法計(jì)算簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大；連續(xù)梁法近年來正逐步受到人們的重視，因?yàn)樗紤]了支承的彈性安裝不同心度以及支座彎矩等因素對(duì)曲軸應(yīng)力的影響，使計(jì)算較為全面。但這種方法在分析時(shí)仍忽略了一些難以控制、然而又非常重要的影響因素，如軸頸與軸承間的工作間隙、主軸頸的偏心、錐度、橢圓度、作用力的形態(tài)等因素對(duì)曲軸應(yīng)力的影響，使得計(jì)算結(jié)果仍不能令人滿意，這種方法也有待進(jìn)一步完善。連續(xù)梁法與實(shí)際接近程度，取決于曲軸和支撐的剛度比，它的正確值只能通過試驗(yàn)才能找到。因此，僅在進(jìn)行已有結(jié)構(gòu)的校核時(shí)，利用連續(xù)梁法才更為精確。計(jì)算結(jié)果表明，分段法所得的應(yīng)力幅值，一般都比運(yùn)轉(zhuǎn)中的實(shí)際值為高，僅在某些機(jī)型中有些微小偏差。若將分段法與連續(xù)梁法進(jìn)行比較，則前者比后者計(jì)算所得的曲軸危險(xiǎn)截面應(yīng)力約高15～20%，因此用分段法計(jì)算偏于安全。而多缸機(jī)曲軸是靜不定的多支承空間連續(xù)梁，曲軸的應(yīng)力狀態(tài)，與支座彎矩有關(guān)，并受支座彈性和軸承孔的不同心度影響。因此用連續(xù)梁法計(jì)算曲軸強(qiáng)度較為合理【36】。為使設(shè)計(jì)出的曲軸更安全，并限于現(xiàn)有的知識(shí)及所給的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用分段法進(jìn)行計(jì)算。 曲柄銷應(yīng)力曲柄銷所受彎矩隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化，求出它的最