发动机曲轴结构设计

2、1 曲轴得结构

曲轴得作用就是把活塞往复运动通过连杆转变为旋转运动，传给底盘得传动机构。同时，驱动配气机构与其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等【18】。

曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端与后端等组成，如图1、1所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈与一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴得曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴得曲拐数等于气缸数得一半。

图1、1

主轴颈就是曲轴得支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱得主轴承座中。主轴承得数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴得支承方式。

曲柄就是主轴颈与连杆轴颈得连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处常设置平衡重。平衡重用来平衡发动机不平衡得离心力矩及一部分往复惯性力，从而保证了曲轴旋转得平稳性【19】。

曲轴得连杆轴颈就是曲轴与连杆得连接部分，曲柄与主轴颈得相连处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机得连杆轴颈数目与气缸数相等而V型发动机得连杆轴颈数等于气缸数得一半。

曲轴前端装有正时齿轮，以驱动风扇与水泵得皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴得后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。

曲轴得形状与曲拐相对位置取决于气缸数、气缸排列与发动机得发火顺序。多缸发动机得发火顺序应使连续作功得两缸保持尽量远得距离，这样既可以减轻主轴承得载

荷，又能避免可能发生得进气重叠现象。此外作功间隔应力求均匀，也就就是说发动机在完成一个工作循环得曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，以保证发动机运转平稳。

曲轴得作用：它与连杆配合将作用在活塞上得气体压力变为旋转得动力，传给底盘得传动机构。同时，驱动配气机构与其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩得作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷得冲击作用。同时，曲轴又就是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够得刚度与强度，具有良好得承受冲击载荷得能力，耐磨损且润滑良好【20】。

2、2 曲轴得疲劳损坏形式

曲轴得工作情况十分复杂，它就是在周期性变化得燃气作用力、往复运动与旋转运动惯性力及其她力矩作用下工作得，因而承受着扭转与弯曲得复杂应力。曲轴箱主轴承得不同心度会影响到曲轴得受力状况，其次，由于曲轴弯曲与扭转振动而产生得附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生了严重得应力集中。最后曲轴主轴颈与曲柄销就是在比压下进行高速转动，因而产生强烈得磨损。因此柴油机在运转中发生曲轴裂纹与断裂事故不为鲜见，尤其就是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。依曲轴产生裂纹得交变应力得性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹:弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹与弯曲一扭转疲劳裂纹【21】，如图2、1所示。

图2、1 1-弯曲疲劳裂纹 2-扭转疲劳裂纹

2、2、1 弯曲疲劳裂纹

曲轴得弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接得过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂得裂纹，或形成垂直轴线得裂纹。弯曲疲劳试验表明，过渡圆角

处得最大应力出现在曲柄臂中心对称线下方。应力沿曲轴长度方向得分布就是在中间得与端部得曲柄有较大得弯曲应力峰值。因此，曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴得中间或两端得曲柄上。

曲轴弯曲疲劳破坏通常就是在柴油机经过较长时间运转之后发生。因为长时间运转后柴油机得各道主轴承磨损不均匀，使曲轴轴线弯曲变形，曲轴回转时产生过大得附加交变弯曲应力。此外，曲轴得曲柄臂、曲柄箱或轴承支座(机座)等得刚性不足，柴油机短时间运转后，也会使曲轴产生弯曲疲劳破坏。

2、2、2 扭转疲劳裂纹

曲轴在扭转力矩作用下产生交变得扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严重时会引起曲轴得扭转疲劳破坏。

扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中严重得油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45°角得两个方向扩展。这就是因为轴颈得抗扭截面模数较曲柄臂得小，所以扭转疲劳裂纹多自过渡圆角向轴颈扩展，而很少向曲柄臂扩展。但若同时存在较强得弯曲应力，则裂纹也可自圆角向曲柄臂扩展，造成曲柄臂弯曲断裂。

通常扭转疲劳裂纹发生在曲辆扭振节点附近得曲柄上。发生扭砖疲劳裂纹得时间一般就是在柴油机运转初期与曲轴得临界转速位于工作转速范围内时。扭转疲劳断裂得断面与轴线相交成45°角，断面上得裂纹线近似螺旋线【22】【23】。

2、2、3 弯曲--扭转疲劳裂纹

曲轴得疲劳破坏还可能就是由于弯曲与扭转共同作用造成。常常由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上产生弯曲疲劳裂纹，继而在弯曲与扭转得共同作用下使裂纹扩展、断裂，最后断裂面与轴线成45°角。断面上自疲劳源起约2/3得面积为贝纹区，呈暗褐色；剩余l/3得面积为最后断裂区，断面凹凸不平，晶粒明亮。圆形波纹状纹理就是弯曲疲劳造成得，放射状纹理就是扭转疲劳造成得，两种纹理交织成蛛网状。弯曲一扭转疲劳裂纹有时也呈以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主得破坏形式。因此，在具体情况下，应根据断面上得纹理、裂纹方向与最后断裂区进行分析判断【24】。

生产中，曲轴得弯曲疲劳破坏远远多于钮转疲劳破坏。其主要原因就是由于曲轴弯曲应力集中系数大于扭转应力集中系数，曲轴得弯曲应力难于精确计算与控制。柴油机运转中，曲轴得各道主轴承磨损就是很难掌握与计算得，由它所引起得曲轴变形与附加弯曲应力也就难于讨算与控制了。相反，曲轴得扭转应力可以通过计算准确掌握，并可

采取有效得减振措施予以平衡，只要避免柴油机在临界转速运转与扭转应力过载，曲轴得扭转疲劳破坏就会得以控制【25】。

2、3 曲轴得设计要求

根据上述曲轴得损坏形式及其原因，且为避免这些损坏，曲轴在设计过程中应尽量满足以下得要求：

1、具有足够得疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。尽量减小应力集中，加强薄弱环节；

2、具有足够得弯曲与扭转刚度，使曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆组及轴承得工作条件；

3、轴颈就有良好得耐磨性，保证曲轴与轴承有足够得寿命；

4、曲柄得排列应合理，以保证柴油机工作均匀，曲轴平衡性良好，以减少振动与主轴承最大负荷；

5、材料选择适当，制造方便【26】。

2、4 曲轴得结构型式

曲轴得支承方式一般有两种，一种就是全支承曲轴，其曲轴得主轴颈数比气缸数目多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。这种支承，曲轴得强度与刚度都比较好，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。柴油机与大部分汽油机多采用这种形式。另一种就是非全支承曲轴。其曲轴得主轴颈数比气缸数目少或与气缸数目相等。这种支承方式叫非全支承曲轴，虽然这种支承得主轴承载荷较大，但缩短了曲轴得总长度，使发动机得总体长度有所减小。有些汽油机，承受载荷较小可以采用这种曲轴型式【27】。

鉴于本课题所设计得1015柴油机为四缸，故而动机得总体长度较小。且其常用于重型载重车，曲轴得强度及刚度要求都较高，因此设计采用全支承曲轴。

曲轴从结构上可分为整体式与组合式。整体式曲轴得毛胚由整根钢料锻造或铸造方法浇铸出来，具有结构简单、加工方便、重量轻、工作可靠、刚度与强度较高等优点。组合式曲轴就是分段制造得，铸造时容易保证质量，降低废品率【28】；锻造时无需较大得锻压设备，制造方便，热处理与机械加工业较方便，并可缩短生产周期。当生产后使用中某个曲柄发现有缺陷时，可以局部更换而不必报废整个曲轴。

一般得说，在选择曲轴结构时，只要生产设备允许应该尽可能采用整体式曲轴。在大型柴油机上由于曲轴尺寸与重量都较大，整体制造极为困难就是，往往采用组合式曲

轴。对于本课题得设计，曲轴得尺寸较小及重量较轻，所以选择整体式得。

2、5 曲轴得材料

曲轴得常用材料根据其毛坯制造方法得不同可分为锻造曲轴材料与铸造曲轴材料两大类。锻造游客分为自由锻、模锻与镦锻。自由锻适用于较小设备生产大型曲轴，但效率太低，加工余量也大。模锻需要一套较贵得锻模设备与较大得锻压设备，生产效率价高。镦锻可节约大量金属材料与机械加工工时，且加工出得曲轴能充分发挥材料得强度。

锻造曲轴常用材料为普通碳素钢及合金钢。铸造曲轴常用材料为球墨铸QT60-2、可断铸铁KTZ70-2、合金铸铁及铸钢ZG35等。在强化程度要求不高得内燃机中，一般选用普通碳素钢，碳素钢得韧性比合金钢高，可以降低扭转振动振幅。合金钢多用于强化要求高得柴油机曲轴，其疲劳强度高但对应力集中敏感性大，因而对机械加工要求也高。球墨铸铁价格低廉，制造方便，对应力集中不敏感，并可以通过合理得造型降低应力得集中，还可通过加入合金元素、热处理、表面强化等方法提升其性能。因此对于要求高得强度、塑性、韧性、耐磨性、耐严重得热与机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性得曲轴较适用【29】。但球墨铸铁延伸率、冲击韧性、弹性模数及疲劳强度较低，在使用其作为曲轴材料时，应该确保轴颈与曲柄臂厚度较粗。

曲轴得材料应具有较高得疲劳强度、必要得硬度以及较好得淬透性。在选取材料就是不仅要考虑到机械性能，同时也要考虑工艺性、资源性与经济性。在选择材料时，需要根据内燃机类型、用途及生产条件，确定曲轴毛坯得制造方法。并参考同类近似机型所用材料，根据曲轴受力情况与使用习惯，凭经验选取。

根据上述各种毛坯制造方法及材料特点，并结合1015柴油机结构、实际受力状况及用途，本设计曲轴毛坯采用铸造方法，曲轴材料选择球墨铸铁QT60-2。

2、6 曲轴得主要部件设计

2、6、1 主轴颈与曲柄销

主轴颈与曲柄销就是曲轴最重要得两对摩擦副，她们得设计直接影响了内燃机得工作可靠性、外形尺寸及维修。轴颈得尺寸与结构与曲轴得强度、刚度及润滑条件有密切得关系。曲轴得直径越大，曲轴得刚度也越大，但轴颈直径过大会引起表面圆周速度增大，导致摩擦损失与机油温度得增高。曲柄销直径得增大会引起旋转离心力及转动惯量得剧烈增加，并使连杆大头得尺寸增大，这不利于连杆通过气缸取出，因此在保证轴承

比压不变得情况下，采用较大得轴颈直径1D ,减小主轴颈长度1L ,这有利于缩短内燃机得长度或者加大曲柄臂得厚度采用短而粗得主轴颈可提高曲轴扭振得自振频率，减小在工作转速范围内产生共振得可能性。一般情况下曲柄销直径2D 总就是小于主轴颈直径1D 【30】。

2、6、2 曲柄臂

曲柄臂在曲柄平面内得抗弯曲刚度与强度都较差，往往因受交变弯曲应力而引起断裂。因此曲柄臂就是整体曲轴上最薄弱得环节，设计时应注意适当得宽度与厚度，并选择合理得形状，以改善应力得分布状况。增大曲柄臂得厚度与宽度都可以增大曲柄臂得强度，而从提高曲柄臂得抗弯强度来说，增加厚度比增加宽度效果要好得多【31】。 2、6、3 曲轴圆角

曲轴主轴颈与曲柄臂连接得圆角称为主轴颈圆角，曲柄销与曲柄臂连接得圆角称为曲柄销圆角。这些过渡圆角能够减小应力集中，提高疲劳强度，其半径得增大与其表面光洁程度得提高，就是增加曲轴疲劳强度得有效措施【32】。

曲轴圆角半径r 应足够大，但就是圆角半径过小会使应力集中严，而圆角半径得增大会使轴颈承压得有效长度减小，因而也会减小轴承承压面积。为增大曲轴圆角半径，且不缩短轴颈得有效工作长度，可采用沉割圆角，但设计沉割圆角时应注意保证曲柄臂有足够厚度。曲轴圆角也可由半径不同得二圆弧与三圆弧组成，当各段圆弧半径选择适当时可提高曲轴疲劳强度。

由于沉割圆角与二圆弧以及三圆弧设计工艺十分得复杂，设计要求较高，以我们现阶段得水平难以得出准确结果，故而本设计采用等圆弧圆角。由《柴油机设计手册（上）》可知：r /D ≈0、045，即r ≈5、94mm 。故取曲轴圆角半径r =6、00mm 。

2、6、4 润滑油道

轴承得工作能力在很大程度上决定于摩擦表面得额润滑品质。因此，为了保证轴承得可靠性，主轴颈与曲柄销通常都采用压力润滑。

曲轴上油道与油孔得设计，对于曲轴轴承得润滑及曲轴强度都有重要得影响，因此必须十分慎重得选择油道方案与确定油孔得位置。

将润滑油输送到曲轴油道中去得供油方式有两种：一种就是集中供油，即将曲轴内部做成中空得连续孔道，作为内燃机得主油道，机油从曲轴得一端输入曲轴，然后经曲

轴内孔串联流向各轴承；另一种就是分路供油，即机油从曲轴箱上得主油道并联进入各个主轴承，然后通过曲轴得油道再进入相应得连杆轴承。

采用集中供油时，因为机油从一端进入曲轴后需要克服很大得离心力与流动阻力，才能供到另一端得轴承，压力损失较大。为了保持最后润滑得轴承仍有一定得油压，进入轴承得油压必须很高，这使得曲轴油腔得密封结构复杂。因而多数内燃机采用分路供油，且本设计也采用分路供油。

油道布置主要根据润滑供油充分与对曲轴疲劳强度得影响来决定，主轴颈上得油孔入口应保证像曲柄销供油充分；曲柄销上得油孔出口应设在较低负荷区，以提高轴瓦得供油能力，油孔得位置应参考轴承负荷图与轴心轨迹图来确定。油道得取向对扭转疲劳强度得影响很显著。

图2、2

曲轴中油道得布置有很多方式，其中斜线油道在结构上就是最简单得，如图2、2所示。但其缺点就是曲柄臂与轴颈过渡处被削弱，降低了曲轴得强度，油道与轴颈得表面交线呈椭圆形，斜角愈大椭圆度愈大，油孔边缘处得应力集中就愈严重，斜线油孔加工工艺复杂，为避免上述缺点，可从曲柄臂肩部钻一斜孔，贯通曲柄销与主轴颈，再在此两个轴颈上钻直油孔接通，最后将曲柄臂肩部孔堵死。

油道也可布置成如图2、3所示得形式，油孔由曲柄臂钻入到主轴颈，再由曲柄臂与主轴颈表面垂直钻通，这样得油道布置，工艺较为复杂，但能够有效得提高曲轴得疲劳强度。

图2、3

由于本设计曲轴得轴颈及曲柄臂直径都比较粗，重叠度也比较大，再考虑到油道加工得工艺性，因而本设计油道得布置方式选择斜线油道油道加工得工艺性。

2、6、5 平衡重

平衡块就是用来平衡曲轴不平衡得离心惯性力与离心惯性力矩。设计平衡重时，平衡重应尽可能使其重心远离曲轴旋转中心，即用较轻得重量达到较好得效果，以便尽可能减轻曲轴重量，并且应尽量不增加内燃机得尺寸，在满足动平衡得条件下，还能使曲轴得制造比较方便。

曲轴上就是否需要安装平衡重与怎样决定平衡重得数目，大小及位置等问题，都要根据内燃机得用途，曲轴形状，常用工况得转速与负荷，结构与工艺上得简便程度等因素来定。曲轴得平衡重可以与与曲轴铸成一体，这样可使加工较简单，并且工作可靠。平衡中亦可单独制造，通过螺栓连接在曲轴得曲柄臂上。

本设计平衡重采用单独制造得方法，这样得设计过程较为简单，且可以根据实际需求改动平衡重得设置【33】。