曲轴设计说明书Word版

武汉理工大学毕业设计本科毕业设计（论文）

题目 186F曲轴的设计与

校核计算

姓名

专业

学号

指导教师

**学院车辆与交通工程系

二○一四年五月

目录

摘要................................................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................................ I I 1 绪论. (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 国内外的研究现状与发展趋势 (1)

1.2.1 曲轴结构设计的发展 (2)

1.2.2 曲轴强度计算发展 (2)

1.3 零件分析 (3)

1.4 零件的作用 (3)

1.5 186F柴油机曲轴的设计目的 (3)

1.5.1 毕业设计的目的 (3)

1.5.2 186F柴油机的基本参数 (4)

2 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择 (5)

2.1 曲轴的工作条件和设计要求 (5)

2.2 曲轴的材料 (6)

2.3 曲轴结构型式的选择 (6)

2.4 曲轴强化的方法 (6)

3 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计 (8)

3.1 曲轴 (8)

3.1.1 曲轴简述 (8)

3.1.2 曲轴设计 (9)

3.2 曲柄 (12)

3.2.1 曲柄简述 (12)

3.2.2 曲柄设计 (13)

3.3 飞轮 (13)

3.3.1飞轮的简述 (13)

3.3.2飞轮的设计 (14)

4 柴油机曲轴的校核计算 (15)

4.1 曲轴的校核 (15)

4.2 曲轴的疲劳强度的计算 (15)

总结 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

186F曲轴的设计与校核计算

摘要

曲轴是柴油发动机的重要零件。它的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和柴油发动机各辅助系统进行工作。曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工尺寸精确，且润滑可靠。

本文主要分为四个部分：第一部分为本文的开篇，即绪论部分，主要介绍柴油机、曲轴，对国内外研究现状进行综述和评价。第二部分主要介绍了柴油机曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择。第三部分是柴油机主要部件的设计。第四部分以186F柴油机为例，通过查阅内燃机设计手册，对内燃机的曲轴运动部件做了校核。最后，为本次毕业设计的总结，优缺点等。

本设计是根据被加工曲轴的技术要求，进行机械零件设计，然后根据内燃机设计的基本原理和方法，拟定曲轴设计方案，完成结构设计。主要工作有：绘制产品零件图，了解零件的结构特点和技术要求；绘制装配总图和主要零件图。

关键词：内燃机；发动机；曲轴；设计

（此毕业设计获得

2013届优秀毕业设计荣誉，有完整的零件图，装配图

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186F DESIGNAND CHECKING

CALCULATION OF CRANKSHAFT

Abstract

The crankshaft is one of the important parts of diesel engine. Its role is to put the piston reciprocating linear motion into rotary motion and the effect on piston gas pressure become torque, used to drive machinery and diesel engines each auxiliary system to work. Crankshaft under changing pressure at work, the inertial force and their moment, therefore requires the crankshaft has high strength, stiffness big, wearability, shaft neck surface processing size accurate, reliable and lubrication.

This paper is divided into four main parts: the first part of this article, namely the introduction part, mainly introduces the diesel engine, the crankshaft, the research status at home and abroad were reviewed and summarized and evaluated. The second part mainly introduces the working conditions of the diesel engine crankshaft, structural type and material selection. The third part is the design of main parts of a diesel engine. The fourth part with 186 f diesel engine as an example, through the consult internal combustion engine design manual, the internal combustion engine crankshaft did check the moving parts. As the summary of this graduation design, advantages and disadvantages, etc.

This design is according to the technical requirements of the processing of the crankshaft, the mechanical parts design, and then according to the basic principle and method of internal combustion engine

design, proposed design of crankshaft, complete structure design. Main work includes: map parts, understand the components of the structure features and technical requirements; Mapping the general layout and main assembly parts.

Keywerds: internal combustion engine;engine;crankshaft;design

1 绪论

1.1 研究背景

柴油机与汽油机相比其燃料、可燃混合气的形成以及点火方式都不相同，而柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度，因此柴油机的功率更大、经济性能更好，这也导致柴油机工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度。

曲轴是发动机中最重要的零件之一。它的尺寸参数不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。因为曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件越来越恶劣了。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重了。在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得经济最合理的效果。

1.2 国内外的研究现状与发展趋势

伴随着汽车工业的发展，我国发动机的曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。曲轴在发动机中是承受载荷传递动力的重要零部件，也是发动机五大零部件中最难以保证加工质量的零部件，其性能、水平直接影响整机的性能水平及可靠性。因此，各工业发达国家十分重视曲轴的生产，不断改进其材质及加工手段，以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。近几年来，国内曲轴加工发展十分迅速。尤其是大功率柴油机曲轴。先进的加工工艺加工出的曲轴质量好、效率高且稳定，伴随着汽车工业的发展，我国的发动机曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。

近年来，我国专业生产内燃机曲轴的厂家通过引进外来技术和自行开发新技术，总体水平有了很大的提高，但是我国的技术水平距世界先进水平还是相差很远，甚至还无法满足我们国内燃机工业技术发展的需要。随着现在发动机的高功率、高扭矩、高转速化的设计，人们对曲轴的性能指标的要求也越来越

高，要求其

能在高速运行的环境条件下仍然能够平稳、可靠地工作，所以对曲轴的设计有了更高的要求。目前曲轴的设计种类很多，常见的有曲轴的工作条件和材料的选择、曲轴主要尺寸的确定和机构细节设计、曲轴的疲劳强度校核等。曲轴的结构尺寸、材料及强化工艺的确定是曲轴设计的核心，曲轴的校核计算是对曲轴设计的最初验证及优化设计的重要方法之一。对曲轴的校核计算是对曲轴设计的又一次仿真实验，同时也是检验曲轴设计成败的一个重要环节。曲轴在实际整机中的耐久性试验是对曲轴设计的一份最终答卷。

1.2.1 曲轴结构设计的发展

曲轴结构设计在过去的几十年中得到了飞速的发展。在曲轴设计的前期一般是按照现有的经验公式计算或对现有的曲轴进行类比设计。再有了初步的设计之后造出曲轴样品然后进行试验，通过试验数据对曲轴的设计进行适当的改进。曲轴的设计计算发展到现在已经有了很大的进步。随着现代内燃机正向高可靠、高紧凑性、高经济性的方向不断的发展，传统的以经验、试凑、定性为主要设计内容的设计方法已经不能满足现代科技发展的需要，伴随着高科技技术的不断发展，内燃机及其零部件的设计的发展非常速速，现已经发展到了采用包括有限元法、优化设计、动态设计等现代先进设计技术在内的计算机分析、预测和模拟的阶段。由于曲轴工作时所受载荷及约束均十分复杂，因此对整根曲轴进行有限元计算不易获得成功。较合理的模型是用较小的有代表性的一部分来代表整根曲轴，例如用二分之一或四分之一的曲柄来建立计算模型。其前提是在适当的计算时间内获得足够的精度，同时也使力边界条件和约束边界条件尽量简化。

随着现代计算机技术的飞速发展以及应用软件的开发这些在原来看来是不可能的事情在现在已经成为现实。

1.2.2 曲轴强度计算发展

六十年代以前很长的一段的时间内，人们主要使用实验的手段来研究曲轴的强度。随着科学技术的飞速发展，最近几十年来曲轴计算方法的应用分析精度有了很大的提高，目前可以相当精确地确定曲轴在任一工况下任一部位的应力，因而对也可以作比较精确的评估曲轴的整体强度。六十年代到七十年代，

出现了整体曲轴计算的连续梁模型和空间钢架模型。在六十年代末期，美国的Poter提出了曲柄刚度的一种经验算法，由于计算方法比较繁琐，并且缺乏试验和实践的验证。随后，又有人提出了一种算法曲柄刚度的斜截面法，在计算精度较有了新的提高，由于不能考虑到削去的肩部和中心油孔等因素的影响，刚度的计算仍然比实测值大。

现在的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步一是应力计算，求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力；二是在此基础上进行疲劳强度计算。常用的应力计算的方法有三种：传统法、有限元法和边界元法。

1.3 零件分析

曲轴的主要技术要求分析：

（1）主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级为IT6，表面粗糙度Ra值为1.25～0.63μm。一般轴颈长度公差等级为IT9～IT10。轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之内。

（3）位置精度，位置精度包括有主轴颈和连杆轴颈的平行度：一般在100mm 之内不能大于0.02mm；曲轴的各主轴颈的同轴度：对于小型高速曲轴的为0.025mm，对于中大型低速曲轴为0.03～0.08mm。

（3）曲轴的各连杆轴颈的位置度应不大于±20′。

1.4 零件的作用

曲轴是柴油发动机的重要零件。它的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞上的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和柴油发动机各辅助系统进行工作。

曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工尺寸精确。

1.5 186F柴油机曲轴的设计目的

1.5.1 毕业设计的目的

毕业设计是在校期间的最后一份作业；是对我们学生的综合素质与实践能力培养效果的一个全面检测。毕业设计的目的是培养学生的综合应用所学基础

课

程、技术基础课程、专业课基础知识和相应的技能，和解决内燃机零部件设计问题的综合能力和创新能力，提高学生的综合素质以及分析问题和解决问题的能力。通过本次毕业设计能让学生更加熟练的运用所学的知识独立完成设计任务。

通过大学期间理论知识的学习，结合曲轴生产的实际问题，运用内燃机设计的基本理论和计算方法，独立地完成186F曲轴的设计与校核计算，达到综合运用内燃机学的知识解决曲轴设计的实际问题。

1.5.2 186F柴油机的基本参数

表1.1：186F柴油机的技术参数

2 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择

2.1 曲轴的工作条件和设计要求

曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩共同作用下工作的，从而使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态；对内不平衡的发动机曲轴还承受内弯矩和剪力；未采取扭转振动减振措施使曲轴还可能作用着幅值较大的扭转振动弹性力矩。这些载荷都是交变性的，可能引起曲轴疲劳失效。实践表明，弯曲载荷具有决定性作用，弯曲疲劳失效是主要破坏形式。因此曲轴结构强度的研究重点是弯曲疲劳强度，曲轴设计上要致力于提高曲轴的疲劳强度。

曲轴形状复杂，应力集中现象相当严重，特别在连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处和润滑油孔出口附近的应力集中尤为突出。通常的曲轴断裂、疲劳裂纹都始于过渡圆角和油孔处。图2.1表明了曲轴弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏的情况。弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45o 折断曲柄；扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的

油孔边缘开始，约成45o 剪断曲柄销。所以，

在设计曲轴时，要特别注意设法缓和应力集中

现象，强化应力集中部位。

曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相

对速度在轴承中发生滑动摩擦。这些轴承在实

际变工况运转条件下并不总能保证为液体摩擦，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以，设计时，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好适当材料的轴瓦。

曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度要求非常严格。如果曲轴弯曲刚度不足，则很可能发生较剧烈的弯曲振动，大大恶化整个连杆和轴承的工作条件，同时会影响零件工作的可靠性和耐久性，曲轴箱的局部也可能会因为应力过大而开裂。如果曲轴的扭转刚度不足，在工作转速范围内可能会引起产生强烈的扭转振动。轻则引起噪音，加快曲柄上齿轮等传动件的磨损；重则使曲

轴断裂。所以，曲轴设计时应保证它有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度。

a ） 弯曲疲劳破坏

b ）扭转疲劳破坏 图2.1 曲轴的疲劳破坏

2.2 曲轴的材料

在曲轴的结构设计和加工工艺都正确合理的情况下，同时曲轴的材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。因此，需要根据内燃机零部件的用途及强化强度，以选择正确的曲轴材料，同时，在保证曲轴能够承担足够的强度的前提下，曲轴的材料尽可能选用一般的材料。如以铸代锻，以铁代钢。选择曲轴的材料时，除了应具有较好的机械性能外，还需要要求具有高度的耐磨性，耐疲劳性和冲击韧性。同时还要考虑曲轴的加工工艺简便和造价低。

发动机曲轴通常用高强度、冲击韧性好的中碳钢或中炭合金钢，经模锻和调质处理，对轴颈表面通过高频率淬火和氮化处理，经精加工而成。本设计中采用45钢模锻曲轴。

2.3 曲轴结构型式的选择

曲轴的结构型式与其制造方法有直接关系，在进行曲轴设计时必须同时考虑。曲轴有整体式曲轴和组合式曲轴两大型式。而发动机常采用组合式曲轴，这是因为其加工简单，不需要大型模锻设备，它由曲轴左半部、曲轴右半部及曲轴销组成。通过液压压入的方法将其接合起来。本设计中采用滚动轴承作主轴承。这是因为使用它具有以下优点：

1）可以采用隧道式曲轴，保证曲轴箱有较高的刚度和强度；

2）可以减少摩擦损失，提高机械效率，因而使燃料消耗下降；

3）发动机起动较为容易，尤其在气温较低的时候；

4）采用滚动轴承后，对主轴的润滑较易实现。

2.4 曲轴强化的方法

提高曲轴的疲劳强度是设计人员必须努力解决的问题。为了提高曲轴的疲劳强度，可以采用一系列结构设计和工艺设计措施。

在结构设计方面，可以采用以下措施：

（1）加大轴颈的重叠度。

（2）采用较大的圆角半径可以使圆角弯曲形状系数下降，从而提高弯曲强度。

（3）轴颈上设计卸载槽使应力分布更加均匀，而且沿轴颈和曲柄臂宽度的

最大应力较小，还可能使轴颈到曲柄臂过渡圆角的半径增大。

（4）曲柄销的内卸载孔相对其几何轴线远离曲柄半径中心呈偏心布置使圆角处的弯曲应力降低，提高疲劳强度。

（5）增大曲柄臂的厚度和宽度。

除了设计措施外，工艺方面利用特殊的机械加工方法、热处理或化学处理方法强化表面，以提高曲轴的疲劳强度。常用的表面强化工艺有以下几种：1）圆角高频感应淬火；

2）圆角滚压强化；

3）氮化处理；

4）喷丸强化。

此曲轴的设计采用氮化处理工艺。

3

曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计

在选定曲轴材料、毛坯制造及其基本结构型式后，便从单位曲拐（包括主轴颈、曲柄销和曲柄等主要部分）着手确定主要尺寸和结构细节。

曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴的设计不能孤立地进行。曲轴长度方向的尺寸基本上取决于缸心距。所以，曲轴的基本尺寸大多根据发动机的总体布置来考虑。

3.1 曲轴

3.1.1 曲轴简述

（一）曲轴

曲轴是由曲柄，加上功率输出端和自由端组成。每个曲柄有曲柄臂、曲柄销和主轴颈三部分组成。曲轴的功用是把活塞的往复运动通过连杆变成旋转运动，以输送柴油机所产生的功率，并驱动柴油机的配气机构、喷油泵、机油泵、水泵以及其他附件工作。

（二）曲轴的工作条件

曲轴在工作中要承受扭转力矩的作用。除此之外，施加在连杆轴颈上的径向力还要使曲轴承受弯曲作用。因此，曲轴是在同时承受扭转力矩和弯曲力矩的复杂应力情况下工作的。

（三）曲轴的设计要求

曲轴的设计应符合下述要求：

（1）具有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。设计时应尽量减小应力集中，加强薄弱环节。

（2）具有足够的刚度，是曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆组及轴承

图3.1 186F曲轴实物

的工作条件；同时应避免在工作转速范围内出现共振，以防产生过大的扭矩、横向和轴向震动的附加应力。

（3）轴颈具有良好的耐磨性。应根据轴颈比压，选取适当的轴承材料、轴颈硬度和加工精度，以保证曲轴和轴承有足够的寿命。

（4）曲柄排列应合理，以保证汽油机工作均匀；曲轴平衡性良好，以减小震动和主轴承最大负荷。

（5）材料选择适当，以充分发挥材料强度潜力。

（四）曲轴的结构形式

按结构形式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。

整体曲轴结构简单、重量轻、工作可靠、使用广泛，尤其在中高速汽油机上应用更为普遍。

3.1.2 曲轴设计

图3.1所示为186F柴油机的曲轴实物图，它是发动机的主要旋转部件，一般用钢锻制。曲轴所有支撑表面都经过仔细的机械加工和精密的研磨。平衡块用来平衡与曲轴销相连的连杆重量。因为铸造或锻造的连杆，重量不同，所以常常在平衡块上钻许多孔，以平衡曲轴和防止振动。

图3.2 曲轴主视图

图3.3 曲轴的左右平衡块剖视图