毕业设计方案曲轴飞轮.doc

2110柴油机(曲轴飞轮)设计摘 要2110柴油机是在2100柴油机基本上自行改进与开发研制新型、中档功率、节能柴油机。当前，该机型已经广泛运用于国内农用工程机械，小型发电等领域。2110柴油机与同类机型相比，具备先进动力性，经济性和可靠性，在国内农用机械顾客中具备很强优势。与2100系列柴油机相比，2110柴油机重要在发动机机体、气缸盖、活塞连杆总成、曲轴、燃油系统等方面进行了优化、强化设计，使发动机在动力性、经济性等方面有较大提高，也实现了增长其运用范畴目。本文重要简介了2110柴油机总体设计思想拟定以及曲轴飞轮组零件设计过程。内容涉及2110柴油机总体设计方案选取，动力性指标拟定，曲轴飞轮零件图绘制时参数选取，涉及曲轴构造设计，制造时所需注意加工过程以及检查产品时强度校核等内容。本文运用到了UG三维软件制图，用以解决曲轴油道与曲柄销减重孔干涉问题，同步用Ricardo计算办法解决曲轴疲劳强度问题。本文综合性对曲轴飞轮组设计问题进行了研究。核心词：柴油机，曲轴，飞轮，UGTHE DESIGN OF 2110 DIESEL ENGINE(CRANKSHAFT and FLY WHEEL)ABSTRACTOn the basis of the 385 diesel engine，2110 diesel engine improve to a new style，which is high-speed，medium-power and energy-saving diesel engine. At present，the models have been widely used in Chinas agricultural engineering machinery，small power generation. Compared with similar type diesel engine ，2110 diesel engine has advanced performance，economy and reliability in the domestic agricultural machinery，and they have millions of users. Compared with 2100 series diesel engine，2110 diesel engines are mainly improve in the engine block and cylinder head，piston connecting rod ，crankshaft，fuel system，and improve the optimization design，that improve the engine power，economy ,it also achieve the purpose that increasing its application scope.This paper mainly introduces the overall design thought of 395 diesel engine，crankshaft and flywheel the design process. Thesis includes how to selected 2110 diesel engine，the overall performance indicators identified，and the process of the design of the crankshaft flywheel will be discussed in this paper. Including the crankshaft structure design，what we must pay attention to in manufacture process.This paper uses UG 3D software to draw crankshaft，it solve the oil hole with the weight reducing hole of interference problems. And with Ricardo calculation method，it solve the crankshaft fatigue strength problems. This paper completely discuss the design of crankshaft and flywheel.KEYWORDS：Diesel engine，crankshaft，flywheel，Ricardo calculationmethod，UG 目 录第一章 前言1第二章 总体方案设计32.1 柴油机设计总体规定32.1.1 内燃机总体设计规定32.1.2 内燃机设计工作中“三化”32.2 柴油机重要设计指标42.2.1 动力性指标42.2.2 经济性指标52.2.3 可靠性和耐久性指标52.2.4 重量和外形尺寸指标62.2.5低公害指标62.3 2110型柴油机重要参数选取72.4 2110型柴油机总体布置82.5 2110型柴油机整机构造8第三章 曲轴设计103.1概述103.2曲轴设计环节123.3曲轴构造型式及其选取123.4曲轴材料选取及毛坯制造143.5 曲轴重要尺寸拟定和构造细节设计143.6润滑油道163.7曲轴平衡块183.8曲轴轴向定位183.9曲轴端部构造19第四章 飞轮设计与计算204.1飞轮作用204.2飞轮设计与计算21第五章 主轴承设计245.1主轴承工作条件245.2材料规定255.3 惯用轴承材料255.4轴瓦瓦背材料265.5轴瓦构造设计与重要尺寸拟定26第六章 结论27参照文献28致 谢29附录30第一章 前言由于2110柴油机具备许多方面长处，因此无论在国外还是在国内，其应用越来越广泛，世界诸多车用和船用内燃机都采用它，特别是农用车辆，把2110柴油机作为其首选动力。随着国民经济建设和生产发展，2110柴油机已越来越广泛地得到应用，它为国内国民经济发展作出了不可磨灭贡献。本文重要完毕了对2110型柴油机总体方案选取，曲轴飞轮组设计。专项某些曲轴飞轮组设计重要涉及了曲轴设计，飞轮设计以及飞轮平衡计算。重点放在了飞轮设计计算上。当前，国内外对曲轴设计理论重要在如下两个方面：在曲轴设计方面，采用数值计算与实验结合办法对曲轴进行优化设计，但是这种计算办法效率低，并且难以获得最优解，针对以上局限性，提出了一种曲轴构造尺寸优化新办法，即将有限元、构造优化与计算机辅助设计相集成，采用-DEAS、VC+、ISIGHT软件设计了一种曲轴构造尺寸优化软件集成系统，实现整个优化过程自动优化。在曲轴制造方面，国内曲轴生产存在整体规模小，专业化限度低，公司设备陈旧，产品设计和工艺落后，性能和可靠性差，品种杂乱和通用化限度低等问题，而在国外，曲轴生产已经很专业化，广泛采用了数控技术及自动线，生产线普通由几段独立自动化生产单元构成。在曲轴锻造方面，广泛采用CAD/CAM技术，引入管理信息系统和集成生产系统，实现了锻造生产从原材料、工艺和工艺装备最佳方案选取和整个过程控制。机加工方面采用曲轴动平衡自动线，使用计算机控制，实现自动测量和修正，采用在线自动检测和终检相结合方式，持续监控加工精度，提高生产率，保证产品质量。热解决方面以德国二段式气体软氮化法较先进，可获得单相化合物层，大大提高产品质量和性能。飞轮作用是将在作功行程中输入曲轴能量一某些贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴旋转角速度和输出扭矩尽量均匀，并使发动机也许克服短时间超负荷，此外，在构造上飞轮又往往用作汽车传动系中摩擦离合器驱动件。近几年飞轮设计重要集中在飞轮基本三维建模及有限元分析、飞轮拓扑优化设计和形状优化设计上，通过基于有限元法优化设计可以大大提高设计效率，有助于缩短设计周期，减少制导致本，在飞轮原有模型上一方面对飞轮进行拓扑优化设计，可以得到优化模型基本形状，然后在拓扑优化基本上，进一步加以形状优化，就可以基本拟定飞轮形状。第二章 总体方案设计2.1 柴油机设计总体规定2.1.1 内燃机总体设计规定内燃机总体设计是整个产品开发工作第一种阶段，按照工作顺序可分为：产品开发战略决策；产品重要技术经济指标与设计构造参数论证和选取；方案计算和总体设计图绘制等几种阶段。总体设计水平和决策对的与否，对产品水平和市场竞争力将产生决定性影响，如有失误，在大多数状况下，不易通过投产后改进加以挽回。因而，总体设计者责任重大，要有高度负责精神和使命感。产品决策阶段一方面要进行市场调研，对开发机型配套对象和各种用途市场容量发展前景，类似机型技术水平，生产成本，生产规模作出定量分析，另一方面，就公司对所开发产品投资能力，生产规模提出可行性分析报告。编制产品设计技术任务书，详细规定产品各项技术经济指标和配套规定。产品总体设计时要选取和拟定内燃机重要参数，完毕各重要工作系统如供油系统、燃烧系统、进排气系统构思，绘制机体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴方案图和整机纵横剖面图，不同缸数及典型配套机型外形布置图，编制总体设计阐明书。内燃机种类多样，使用条件各异，对总体设计也提出不同规定。2.1.2 内燃机设计工作中“三化”“三化”可以提高产品质量，减少设计成本，组织专业化生产，提高劳动生产率，便于使用、维修和配件供应。（1）产品系列化 它是指基本尺寸相似，不同排列、缸数、增压度，以满足不同需求。（2）零部件通用化 它是指同一系列重要零件可以通用，以减少开发成本。（3）零件设计原则化 它是指按照国标、行业原则或公司原则设计，提高设计图样和资料可读性和交流性，便于技术交流，同步也起到减少生产和采购成本作用。总之，柴油机设计与开发是一种相称复杂过程。一种型号产品往往要通过几年设计与开发周期才干得以完善。2.2 柴油机重要设计指标2.2.1 动力性指标动力性指标涉及有效功率（P）、转速（n）、最大扭矩和最大转矩转速。1、有效功率P=*Z*n/（30T） (2-1)为平均有效压力（）；为活塞平均速度（m/s）；为气缸工作容积（L）；Z为气缸数；n为转速（r/min）；T为冲程数。可见，有效功率受到上面各参数影响。在设计转速和构造参数基本拟定下来之后，影响有效功率重要参数就是平均有效压力。2、转速（n）柴油机由于其混合气形成速度和燃烧速度比较慢因素，转速不会太高。转速在1000r/min以上为高速，6001000r/min为中速，600r/min如下为低速。提高内燃机转速可以使功率提高，因而使单位功率体积减小、重量轻。但是转速提高会导致一系列问题，例如惯性力增长，导致机械负荷增长，平衡、振动问题突出，噪声增长；工作频率增长，导致活塞、气缸盖、气缸套、排气门等零件热负荷增长；摩擦损失增长，机械效率下降，燃油消耗率增长，磨损寿命变短；进排气系统阻力增长，充气效率下降等。表1-1 各种用途内燃机转速范畴 【单位：（r/min）】用途柴油机汽油机汽车1500500025006500工程机械与拖拉机150028003600内燃机车、发电机组900150028003600摩托车、摩托艇500010000中小型农用机械1200300030006000船舶（高速）100015002500船舶（低速）3008503、最大扭矩和最大转矩转速事实上内燃机给出转矩指标都是最大扭矩。最大扭矩相应发动机转速就是最大转矩转速。2.2.2 经济性指标柴油机经济性指标重要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时燃料消耗重量。对于固定工况使用柴油机是指标定功率时上网燃油消耗率。对变工况柴油机，则普通是指外特性曲线上最低油耗率。例如，某内燃机最低油耗率，则是指万有特性上最低油耗率。固然，万有特性上低油耗区越辽阔，则变工况使用经济性就越好。（1）燃油消耗率【（g/（*h）】减少办法重要有批示效率和机械效率。普通车用柴油机燃油消耗率为250380 g/（*h）。柴油机经济性是内燃机设计师和使用者永远追求目的。（2）机油消耗率gm【（g/（*h）】机油价格远高于燃料油，但愿使用中消耗量尽量减少，并且规定在两个保养期之间不要添加机油，普通车用柴油机机油消耗率为1.32.6g/（*h）。2.2.3 可靠性和耐久性指标一、可靠性可靠性是指在规定运转条件下，规定期间内，具备持续工作，不会由于故障而影响正常运转能力。对于可靠性内燃机应在保证期内不发生停车故障和需要更换重要或非重要零件故障。二、耐久性耐久性是指从开始使用起到大修期时间。内燃机大修期普通决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸时间（小时数），此时内燃机不能继续正常工作，使用中对外体现普通为：内燃机启动困难甚至无法启动、排气冒蓝烟、机油消耗量明显加大、动力性明显下降、内燃机工作噪声变大等。2.2.4 重量和外形尺寸指标质量、外形尺寸是评价设计紧凑性和金属运用限度指标。不同用途内燃机对质量和外形尺寸指标规定不尽相似。例如汽车发动机规定质量和外形尺寸都要小，而工程机械和拖拉机则可稍大某些。不论怎么样，设计紧凑、质量轻总是内燃机设计者追求目的。衡量内燃机质量指标是比质量（kg/）：m/。柴油机得比质量范畴为：表1-3内燃机得比质量范畴 用 途 柴 油 机 比 质 量（kg/）汽 车 用46小 型 农 用单缸1626 多缸5.516 工 程 机 械 用 47机 车3.47.5船 用13.519衡量柴油机外形尺寸紧凑性指标是体积功率（千瓦每立方米）：=/V (2-2)2.2.5低公害指标1.噪声内燃机噪声重要来自燃烧噪声、气体流动噪声和机械噪声三个方面。内燃机噪声大小用声压级（dB）来表达，普通还要对测量数据进行各种计权解决，仿照人耳听力，普通采用A计权。在噪声数据上所见到噪声单位多为或者dB(A)。燃烧噪声重要取决于缸内气压压力升高率。一切有助于缩短滞燃期和减少该期间燃油注入量办法，均有助于减少燃烧噪声，例如增压、分段喷射、推迟喷油提前和减少点火提前角等。减少压缩比也是很常用效办法，普通与增压同步采用，否则会减少柴油机动力性。气体流动噪声重要通过进排气消声器来控制。机械噪声重要是通过合理设计电扇构造参数和合理控制电扇转速来达到控制目。2.有害气体排放汽车排放，就是内燃机排放，说到对于环境和空气污染，事实上是内燃机排放污染。当前全世界对汽车污染问题都十分注重。在设计柴油机时，特别是车用柴油机时，一定要依照本地实行法规制定适当设计方案。2.3 2110型柴油机重要参数选取内燃机重要参数涉及：平均有效压力Pme 、活塞平均速度Cm、缸径和缸数。这些参数反映了产品性能和设计质量，因而选取时必要紧密结合国内工业生产发展实际状况，同步还要对同类型国内外发动机参数进行分析比较和实验研究。1、平均有效压力平均有效压力是标志内燃机整个循环过程有效性及内燃机制造完善性指标之一，值不断提高是内燃机技术发展重要标志。由于它决定了发动机强化限度，反映了发动机构造与制造要达到质量，故必要慎重选取。进行产品设计时，平均有效压力应依照同类型发动机实际数据来初步选定，在本次设计中，初步选定=0.6MPa。2、活塞平均速度Cm活塞平均速度Cm也是表征活塞式内燃机强化限度（热负荷和机械负）重要参数之一。它对于内燃机性能，工作可靠性和使用寿命有很大影响。普通说来，Cm增大会使发动机功率增高，但活塞组热负荷和曲柄连杆机构惯性负荷增大，磨损加剧，寿命下降。本次设计转速为2200r/min。3、气缸直径D和气缸数Z内燃机缸径应符合系列型号规定，其尾数应当取整数，优先选用0和5。本次设计气缸直径于气缸数均由设计任务书给定，其分别为110mm，两缸。4.行程S行程增长可以提高平均有效压力但是在气缸直径不变状况下，S增长即行程缸径比S/D增长，导致活塞平均速度提高，有磨损加速、寿命减少等问题。行程缸径比：S/D0.91.26S=（0.91.26）D=99138.6 mm取S120 mm。2.4 2110型柴油机总体布置依照初步拟定内燃机重要构造参数，重要零部件构造方案和尺寸，进行内燃机总体布置。在总体布置中要拟定气缸排列，各零部件，附件构造和尺寸以及安装位置。绘制横剖面图。总体布置普通规定如下：一、布置紧凑，外形尺寸小，外观整洁，外接管路尽量少。二、经常需要保养零部件，如机油，燃油，空气滤清器和喷油器等，接近性要好。对经常检查调节气门间隙和喷油提前角等关于零部件应考虑到调节和拆装以便。三、应满足顾客对柴油机配套所提出各项合理规定。四、具备良好加工和装配工艺性。五、柴油机起吊，存储和安装以便。六、总体布置要认真贯彻执行三化原则。2.5 2110型柴油机整机构造2110型柴油机重要参数为：缸径D=110mm，活塞行程S=120mm，标定功率P=26Kw，转速n=2200r/min，平均有效压力Pme=0.6MPa，缸心距为130mm，燃油消耗率不不不大于240g/(KWh)。采用柴油直喷系统，活塞顶上有W形燃烧室，采用孔式喷油器，提高喷油压力，大大改进了喷油效果。机体由稀土灰铸铁锻造，机体采用隧道式机体，以保证机体构造刚度。湿式气缸套是由高磷合金铸铁铸成。气缸套下部有两道O形橡胶密封环圈防止漏水。活塞用共晶硅铝合金锻造，活塞上部有二道气环和一道油环。第一环为矩形环，外圆镀铬，第二环为扭曲环。在当代柴油机设计中均采用三道环，由于当代加工办法大大提高，可以加工形状复杂气环与油环，改进了密封效果，此外，减少一道气环，可以减少活塞运动中机械摩擦，提高了柴油机平均有效功率。连杆用45号钢锻造，大头采用平切口，切口分割面用三角形锯齿保证连杆盖定位。曲轴材料选取球墨铸铁锻造制成，曲柄销采用挖空构造，合理布置润滑油道。曲轴平衡采用完全平衡方案，其上安装四个平衡块。曲轴中间主轴承采用止推片起轴向定位作用。润滑系统采用压力润滑和飞溅润滑混合方式。第三章 曲轴设计3.1概述曲轴是发动机重要运动件，其性能直接影响着发动机可靠性和寿命。随着发动机强化指标不断提高，曲轴工作条件更加苛刻。由于周期性变化气体压力，往复和旋转运动引起惯性力以及它们弯扭拒共同作用，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，还要承受一定冲击载荷，轴颈表面受到磨损，曲轴重要失效形式是疲劳断裂和轴颈表面严重磨损，记录分析表白，破坏曲轴中有80%左右是由弯曲疲劳产生。因而，在设计曲轴时，必要对的选取曲轴尺寸参数、构造形式、材料与工艺，使其具备较高疲劳强度，刚度及良好动态特性。曲轴是在不断周期性变化气体压力、往复和旋转运动质量惯性力以及它们力矩（扭矩和弯矩）共同作用下工作，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。实践与理论表白，对于各种曲轴，弯曲载荷具备决定性意义，而扭转载荷仅占次要地位（不涉及因扭转振动产生扭转疲劳破坏）。曲轴破坏记录分析表白，80%左右是由弯曲疲劳产生。因而，曲轴构造强度研究重点是弯曲疲劳强度。曲轴形状复杂、应力集中现象相称严重，特别在曲柄至轴颈过渡圆角区、润滑油孔附近以及加工粗糙部位应力集中现象尤为突出。曲轴各轴颈在很高比压下，以很大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液体润滑，特别当润滑油不干净时，轴颈表面遭到强烈磨料磨损，使得曲轴实际寿命大大减少。曲轴是曲柄连杆机构中中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不够，就会大大恶化活塞、连杆、轴承等重要零件工作条件，影响它们工作可靠性和耐磨性，甚至使曲轴箱局部损坏。曲轴扭转刚度局限性则也许在工作转速范畴内产生强烈扭转振动；轻则引起噪音，加速曲轴上齿轮等传动件磨损；重则使曲轴断裂。综上所述，曲轴设计时应符合如下规定：1有足够疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。设计时应尽量减少应力集中，加强薄弱环节；2有足够刚度，使曲轴变形不致过大；3颈具备良好耐磨性。应依照轴颈比压，选用恰当轴承材料、轴颈硬度和加工精度，以保证曲轴和轴承有足够寿命；4柄排列合理，以保证柴油机工作均匀；曲轴平衡性好，以减小振动和主轴承最大负荷；5料选取恰当，以充分发挥材料强度潜力。所有这些规定，在高速内燃机条件下，都应当在轻构造重量下实现。同步，随着内燃机不断发展，各项指标强化，曲轴构造也应留有发展余地。不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧规定之间是存在矛盾。例如，为了提高曲轴刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作而言，可以减少轴承比压，但高转速下轴承圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增长，轴承温度升高，减少了轴承工作可靠性。此外，曲柄销增大，使得连杆大头以更大比例加大加重，轴承离心负荷加大。这时，也许引起采用斜切口连杆必要，而这种连杆刚性差，并且制导致本较高。曲柄销加大带来曲轴连杆系统旋转质量加大，也许使刚度对扭转带来好处得而复失。正是这些内在矛盾推动着曲轴发展，而在曲轴强度矛盾总体中，应力集中处最大应力与该力作用点材料抗力是它重要矛盾。影响这个重要矛盾重要因素有：曲轴构造、材料和加工工艺等三方面，这三种因素各自有独立作用，互相又有影响，必要辨证地进行分析，在设计曲轴时，不应只注重构造尺寸设计一种方面。由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一种能完全反映实际理论公式可供通用。因而，当前曲轴设计重要是依托经验设计，即运用许多既有曲轴构造与尺寸记录资料。借以初步拟定曲轴基本尺寸，然后进行构造细节设计、强度复核、曲轴样品实验，最后拟定曲轴构造、尺寸与加工工艺等。3.2曲轴设计环节曲轴设计在柴油机总体设计阶段就开始进行。设计环节大体如下：1依照柴油机用途，强化限度，生产批量，缸心距以及活塞行程等参数，选取恰当曲轴材料，构造形式，毛坯制造办法及必要强化工艺。2根据柴油机相似原则以及设计者经验，初步选定曲柄销，主轴颈和曲柄臂尺寸。3依照柴油机冲程数，气缸数目和排列方式，发火顺序，从保证扭矩均匀，平衡性良好，主轴承负荷不要过大等原则出发拟定曲柄排列。曲轴计算：初步选定曲轴尺寸后，需对曲轴进行平衡性计算和曲轴疲劳强度计算，以验证所设计曲轴与否满足前述各项设计规定。依照上述计算成果，决定与否需要修改设计。上述办法需重复进行，并最后拟定曲轴尺寸，平衡块大小和布置方式，润滑油道布置，完毕曲轴两端设计，绘制出曲轴零件图。3.3曲轴构造型式及其选取一、按支承方式曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴。全支承曲轴是每两个（V型发动机为两排）气缸间均设有主轴承曲轴；而非全支承曲轴是每隔两个（V型发动机为两排）气缸设有一种主轴承曲轴。由于柴油机爆发压力较高，因而普通都采用全支承曲轴；仅有个别小缸径柴油机为缩短缸心距，减少主轴承数，采用非全支承曲轴。按构造型式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。1、整体式曲轴整体式曲轴毛坯是由整根钢料锻造或用锻造办法浇铸出来。整体式曲轴构造简朴，重量轻，工作可靠，并且刚度和强度较高，加工面也比较少，在中高速柴油机上应用非常普遍。2、组合式曲轴组合式曲轴是把曲轴提成诸多便于制造单元体，然后将各某些组合装配而成。按划分单元体不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴。大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用组合式曲轴。（1）、圆盘式组合曲轴这种曲轴每个曲柄单独制造，然后用螺钉联成一根完整曲轴。圆盘式组合曲轴各曲柄相似，这使得系列产品曲轴制造十分以便。在使用中若发现某曲轴损坏，可单独更换损坏曲柄，而不需要报废整个曲轴。此外，由于这种曲轴各曲柄单独制造，因而不需要大型设备，机械加工简朴。这种曲轴由于构造复杂，加工精度高，因而仅少数机型采用。（2）、套合式曲轴（全套合或半套合）它曲柄销，主轴颈，曲柄臂均分开制造，然后用“红套”或液压压入等办法连接起来。轴和孔配合过盈量是轴颈1.4-1.8。为了减小应力集中，轴颈与曲柄臂相配合某些直径加大到轴颈直径1.051.1倍。当前，套合式曲轴重要应用于曲柄半径不不大于400500mm大型低速柴油机，其中半套合式曲轴应用较多。（3）、分段式曲轴大型曲轴由于受到加工设备限制，往往将曲轴分段制造，然后用凸缘连接起来，这种曲轴称为分段式曲轴。图3-1综上所述，本次设计采用整体式曲轴。由于本次设计是直列两缸柴油机，故选用平面（图3-1）布置，曲柄互成空间180夹角，静平衡但动不平衡，该方案不平衡系数较小，易于采用平衡办法，并且本次设计是高速柴油机，采用该布置第二阶往复惯性力较小，可以不考虑。3.4曲轴材料选取及毛坯制造惯用曲轴材料有可锻铸铁，合金铸铁，球墨铸铁，碳素钢和合金钢等，相应毛坯也分为锻造与锻造。锻造曲轴普通采用中碳钢或者合金钢制造，毛坯生产需要大型锻压设备，虽然毛坯尺寸比较精准，减少了加工余量，提高了材料运用率，此外，锻造可以使材料金属纤维成方向性排列，纤维方向和曲轴形状大体相符，这大大提高了曲轴抗拉强度和弯曲疲劳强度。但是锻造曲轴成本过高，大概是球铁曲轴3-7倍。虽然锻造曲轴重要是球铁曲轴有诸多缺陷，例如弯曲疲劳强度比较低，较容易发生断裂，相似尺寸球铁曲轴与锻造曲轴相比，刚度差。但它长处也相称明显，例如球墨铸铁曲轴经正火解决后机械性能已接近蔌超过普通中碳钢，尽管钢疲劳强度比球墨铸铁高，但曲轴构造复杂，钢曲轴难免会有油孔、过渡圆角和材质上留有缺陷面导致应力集中，从面减少了曲轴疲劳强度。球铁可以锻造出复杂曲轴形状，使其应力分布均匀，且球墨铸铁对缺口敏感度低、变形小，使球墨铸铁曲轴实际弯曲扭转疲劳强度与正火中碳钢相近。球铁曲轴耐磨性好，吸振能力强，有较好自润滑和抗氧化性能。综上分析，我采用球墨铸铁曲轴。3.5 曲轴重要尺寸拟定和构造细节设计在设计汽车拖拉机这一类高速内燃机曲轴时，它基本尺寸大多依照构造布置上规定来拟定，再由强度校核修正。由于曲轴与活塞连杆组件和机体有密切联系，曲轴设计不能孤立进行。各某些尺寸多以与气缸直径相对值表达，而气缸直径又是限制曲柄销直径重要因素。曲柄长度方向尺寸基本上决定于气缸中心距。表3-1 曲轴重要构造尺寸记录范畴（车辆用）(中华人民共和国内燃机工程师设计手册 朱仙鼎 主编)机型构造尺寸柴油机汽油机直列直列直列直列主轴径/D0.700.800.750.850.750.850.850.950.650.700.600.70/D0.300.360.240.300.300.350.250.30连杆轴径/D0.600.700.670.720.630.720.600.650.550.62/D0.320.370.230.280.310.350.450.60曲柄臂h/D0.220.280.200.250.180.250.180.22b/D1.051.31.01.30.751.20.751.2过渡圆角r/0.030.050.030.05平衡重/S0.80.90.91.00.80.91.01.11、曲柄销直径和长度在考虑曲轴轴颈粗细时，一方面是拟定曲柄销直径。在当代发动机设计中，普通趋向于采用较大值，以减少曲柄销比压，提高连杆轴承工作可靠性，提高曲轴刚度。但是，曲柄销加粗随着着连杆大头加大，使不平衡旋转质量离心力增大，对曲轴及轴承工作带来不利。由于随曲柄销直径增大带来轴系自振频率增长，会被旋转质量增长引起自振频率下降所抵消，也许增长扭转振动危害。此外，曲柄销直径增大也会增长轴承摩擦功率损失，导致轴承温度升高，增长润滑油热负荷。为此，曲柄销直径不应获得较大。曲柄销长度是再选定基本上考虑。依照表3-1，初步选用曲柄销直径=（0.600.70）D=6677mm，取=70mm;曲柄销长度=（0.350.45）D=38.549.6mm，取=42mm。2、主轴颈直径和长度：从轴承负荷出发，主轴颈可以比曲柄销细些，由于主轴承最大负荷不大于连杆轴承。但是为了最大限度地增长曲轴刚度，加粗主轴径是有很大好处。由于第一，加粗主轴径不同于加粗曲柄销那样有诸多副作用，加粗主轴颈能增长曲柄轴颈重叠度，从而提高曲轴刚度，但几乎不增长曲轴转动惯量，故可提高自振频率，减轻扭振危害；第二，加粗主轴颈后可以相对缩短其长度，从而给加厚曲柄臂，提高其强度提供也许。依照表3-1，初步选用主轴颈直径=（0.700.80）D=7788mm取=80mm;主轴颈长度=（0.350.50）D=38.555mm 取=40mm。3、曲柄臂：曲柄臂是曲轴中最薄弱某些之一，它在曲柄平面内抗弯刚度和强度都较差。实践表白：由交变弯曲应力导致曲柄臂断裂是曲轴重要损坏型式。曲柄臂应选取恰当厚度，宽度，以使曲轴有足够刚度和强度。曲柄形状应合理，以改进应力分布。当代高速内燃机曲柄形状大多采用椭圆形和圆形。实验证明：椭圆形曲柄具备最佳弯曲和扭转刚度。其长处是尽量去掉了受力小或不受力某些，其重量减轻，应力分布均匀。但加工办法较复杂，采用模锻或锻造办法可以直接成型。依照表3-1，初步选用曲柄臂厚度h=（0.210.28）D=23.330.8mm 取h=24mm；曲柄臂宽度b=（1.051.30）D=115.5143.5mm 取b=120mm。4、曲轴圆角：曲轴主轴颈和曲柄臂连接圆角称为主轴颈圆角，曲柄销和曲柄臂连接圆角称为曲柄销圆角。由于曲柄销圆角和主轴颈圆角是曲轴应力最大部位，且应力沿圆角轮廓分布也极不均匀，故圆角轮廓设计十分重要。曲轴圆角半径r应足够大，依照表3-1，r/=0.030.05=2.14.0mm，圆角半径过小会使应力集中严重。为了增大曲轴圆角半径，且不缩短轴颈有效工作长度，可采用沉割圆角，设计沉割圆角时应当保证曲柄臂有足够厚度。曲轴圆角也可由半径不同二圆弧和三圆弧构成。当各段圆弧半径选取恰当时可提高曲轴疲劳强度，增长轴颈有效承载长度。本次设计遵循以上原则，选用圆角半径 r=4mm。3.6润滑油道轴承工作能力在很大限度上取决于润滑条件。曲轴主轴颈和曲柄销普通采用压力润滑。曲轴上油道与油孔设计，对于曲轴轴承润滑及曲轴强度均有重要影响，因而必要十分慎重地选取油道方案和拟定油孔位置。润滑油普通先进入主轴承再进入连杆轴承。将机油输送到曲轴轴承中去供油办法有两种：图3-21、分路供油 多数柴油机采用这种供油办法。润滑油由主油道直接送到各主轴承。2、集中供油 主轴承采用滚动轴承时需采用集中供油。集中供油多采用所谓假轴承构造。假轴承上也浇有一层轴承合金。润滑油从假轴承通过轴颈上油孔进入曲轴内腔。拟定主轴颈和曲柄销上油孔定位时，既要考虑到润滑和轴瓦冷却，又要对轴颈强度削弱最小。从保证润滑考虑，但愿主轴颈油孔开在最大轴颈压力作用线方向。曲柄销油孔开在压力最小地方，以保证连杆轴承供油充分。曲柄销最小负荷普通位于曲柄销平面以曲柄销轴心为中心向着曲轴旋转方向导前角地方，角可由轴心轨迹图求出。从强度观点考虑，油孔不应位于曲柄平面内而应在曲柄垂直平面内。由于在曲柄垂直平面内，曲柄销表面弯曲应力和扭转切应力都比较小。因而应兼顾上述两项规定来拟定油孔位置，同步还应考虑曲轴构造和钻孔工艺性。为了减小应力集中，油孔出口应到角，抛光。3.油孔直径：d=(0.070.10)D=5.68mm 取d=6 mm。图3-2所示为本次润滑油道布置方案。3.7曲轴平衡块曲轴平衡块作用是用来平衡曲轴不平衡旋转惯性力和旋转惯性力矩，有时也可以平衡往复惯性力及其力矩，并可以减速小主轴承负荷。随着柴油机转速提高，多数离心惯性力和离心惯性力矩已自行平衡曲轴也配备平衡块，这重要是为了减轻主轴承最大负荷，保证轴承有良好润滑条件，减小曲轴和曲轴箱所受离心惯性力矩。但曲轴配备平衡块后，重量增长，制造工艺复杂，曲轴系统扭转振动自振频率减少。因而，应依照转速，曲轴构造，曲柄排列，轴承负荷以及对平衡规定等因素综合考虑与否配备平衡块。普通低速柴油机不需要配备平衡块，高度柴油机则需要配备平衡块。平衡方案选取，平衡块重量计算与布置，应当仔细考虑。平衡块重心应尽量远离曲轴中心线，以提高平衡效果。但平衡块普通不超过曲轴旋转所扫过范畴。平衡块厚度普通与曲柄臂相似。3.8曲轴轴向定位图3-34为防止曲轴轴向定位，保证工作正常，曲轴需设有轴向定位。中高速柴油机曲轴通惯用止推片或止推轴瓦做止推轴承。大多数柴油机把止推轴承设在输出端，这样当曲轴受热伸长时离合器间隙可保持不变。但装在曲轴自由端正时齿轮会产生某些位移。在某些柴油机中由于中央主轴承负荷大而增长其长度，并用它作止推轴承。当轴向力不是很大，又不是经常作用时，止推轴承多采用翻边轴瓦，或采用止推片。翻边轴瓦制造比较困难，因此普通内燃机中多用止推片构造。在轴向经常作用或数值较大状况下，多采用止推滚动轴承。本次设计采用止推片止推方式，并且安装在中央主轴承上。3.9曲轴端部构造曲轴两端分别为自由端和输出端。大多数柴油机机油泵，水泵等辅助装置驱动齿轮以及曲轴扭转减振器均安装在自由端。飞轮装于输出端，柴油机产生功率经输出端输出，但在某些工程机械或农用柴油机上，曲轴自由端也可输出某些乃至所有功率。驱动配气机构和喷油泵曲轴正时齿轮布置于自由端或输出端。当曲轴正时齿轮布置在输出端时，可将正时齿轮直接制造在曲轴上。曲轴输出端普通借法兰通过定位销和螺栓来安装飞轮。为提高曲轴扭转刚度，最后一道主轴承至曲轴法兰轴段应尽量短粗，甚至其直径和曲轴法兰相似，这样也便于套装油封。曲轴法兰大小应依照主轴承直径及油封装置来决定。飞轮紧固螺栓分布圆周直径，最佳使螺栓孔位于主轴颈外，并能让开主轴颈到法兰过度圆角。第四章 飞轮设计与计算4.1飞轮作用由于曲轴所发出扭矩是个周期变化量，当它不不大于有效阻力矩时，曲轴就加速，反之就减速，导致曲轴转速波动，减小这种波动办法有两种：一是增长内燃机气缸数，另一办法是在曲轴上加装飞轮。在本次设计中，任务给定是两缸，因此咱们在曲轴上加装了飞轮。对任何往复式内燃机，其输出扭矩虽然在稳定工况下也是不断周期性变化。通惯用扭短工 不均匀系数来判断发动机合成扭矩均匀限度。但发动机所带动耸动装置有效阻力矩普通是定值。因而，当曲拐在某一位置时，发动机输出扭矩有也许不不大于或不大于由其所带动阻力矩。当发动机输出扭矩不不大于有效阻力矩时，曲轴就加速，反之则减速，导致曲轴转速波动。咱们把曲轴转速忽快忽慢这种现象称之为曲轴回转不均匀性。发动机转速波动会产生一系列不良后果