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摘要
曲軸是汽車發(fā)動機中最重要的部件之一,是發(fā)動機的脊柱,是承受沖擊載荷、傳遞動力的關鍵零件。曲軸的性能除與曲軸本身、強化工藝有關外，還與軸承的工作情況、整個曲軸系的扭轉振動的情況都有密切的關系,因此曲軸的設計不是一個單純曲軸本身的問題,如何即保證設計功能,又同時兼顧軸承、扭轉振動性能、前后端連接的強度，在曲軸設計時缺一不可。任何分析、計算的缺失，都有可能造成曲軸系統(tǒng)的可靠性和整機性能出現問題。本文結合詳細闡述了發(fā)動機曲軸的整個設計過程，并對其疲勞強度進行了校核。
本畢業(yè)設計課題的研究與實施，應用和加深了本科學習期間的大部分理論知識，還獲得了很多新的理論知識，更重要的是將理論與工程設計緊密結合，增強了分析問題和解決問題的能力，對知識的綜合運用和解決工程中的實際問題，在能力上獲得了很大的提高，并得到了全面的鍛煉。
關鍵詞：汽車發(fā)動機，曲軸，校核
Abstract
???? ?The crankshaft is one of the most important components in the automobile engine is the engine of the spine is exposed to impact load, the transmission of power key parts. In addition to the crankshaft itself, strengthen the process related, the performance of the crankshaft and the bearing, the torsional vibration of the crankshaft system have a close relationship, therefore crankshaft design is not a simple crankshaft itself is the problem, how that is guaranteed by design function, but also taking into account the bearing, torsional vibration performance, the strength of the front-end and back-end connections, are indispensable in the design of the crankshaft. Any analysis to calculate missing, may have resulted in the crankshaft system reliability and performance of the whole problem. In this paper, elaborated throughout the design process of the engine crankshaft, check and fatigue strength.
The study and implementation of the graduation project, application and deepened during most of the theoretical knowledge of undergraduate study, also received a lot of theoretical knowledge, more importantly, in close connection with the theory and engineering design, and enhance the analysis of the problem and solve the problemcapabilities, integrated use of knowledge, and solve practical problems in engineering, the ability to obtain greatly improved, and get a full workout.
Key words: Automotive engine，Crankshaft，Checking
II
上海師范大學天華學院 2010 屆
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課題名稱
車用直噴柴油機的曲軸設計
學生姓名
學 號
專業(yè)、班級
系 部
指導教師姓名
1. 設計（或研究）的依據與意義
柴油機具有良好的經濟性、動力性及較高的熱效率等顯著優(yōu)點, 在汽車節(jié)能等方面有較大的潛力。經過多年的研究和新技術的應用，現代柴油機的現狀已與往日不可同日而語。隨著電控噴射、高壓共軌、渦輪增壓、中冷等先進技術的應用，柴油機在重量、噪音、煙度等方面已取得了重大的突破。我國小缸徑多缸增壓柴油機已取得了較快的發(fā)展，但整個市場的需求還在增長。2000年，中國3缸以上、缸徑小于100mm的多缸機年產量約63.9W臺，主要用于農用運輸車、輕型車、面包車、輪式拖拉機、中小型工程機械、小型船舶主輔機等。由此可見，小缸徑多缸柴油機的市場前景還是很客觀的。
隨著人們對柴油機認識的逐步轉變，柴油機的應用領域也在不斷地擴大。柴油機熱效率高，能量利用率高，節(jié)能等特點也得到認可。柴油機的供油系統(tǒng)相對簡單，柴油機的可靠性也比汽油機好。在相同的功率情況下，柴油機的低速扭矩性較好，功率大，完全符合農用機械的使用要求。
隨著電噴、高壓共軌、增壓中冷等先進技術的應用，柴油機的燃燒不斷得到改善，在節(jié)能和有害物的排放方面的優(yōu)勢已逐漸顯現出來。現代柴油機隨著強化程度的提高，柴油機單位功率的比重也明顯降低，輕量化、高速化、低油耗、低噪音和低排放成為現代柴油機的發(fā)展方向
曲軸是發(fā)動機中最重要的零件之一，發(fā)動機的全部功率都是通過它輸出的。而且曲軸是在不斷周期性變化的力、力矩（包括扭矩和彎矩）的共同作用下工作的，極易產生疲勞破壞。曲軸形狀復雜，應力集中嚴重，因此設計中必須使曲軸有足夠的疲勞強度，以保證正常工作。
曲軸是柴油發(fā)動機的重要零件。它可以是有若干個相互錯開一定角度的曲柄（或曲拐）加上功率輸出端和自由端構成的。每個曲柄又是由主軸頸、曲柄銷及曲柄臂組成。曲軸的作用是把活塞的往復直線運動變成旋轉運動，將作用在活塞的氣體壓力變成扭矩，用來驅動工作機械和柴油機發(fā)動機各輔助系統(tǒng)進行工作，曲軸在工作時承受著不斷變化的力，慣性力和它們的力矩作用，受力情況十分復雜。其精度要求非常高，它的加工質量對內燃機的工作性能，對裝配勞動量都有很大影響。因此，各要素的尺寸精度，位置精度和表面質量要求相當高。曲軸中幾個主要加工表面，連桿表面，軸承軸頸及錐面鍵槽的精度要求都較高，連桿軸頸需經過拋光。所以研究曲軸加工工藝對曲軸的生產具有一定的實際意義。
2. 國內外同類設計（或同類研究）的概況綜述
近些年來，我國的發(fā)動機曲軸生產行業(yè)得到較大的發(fā)展，總量已具有相當的規(guī)模，無論是設計水平，還是產品種類、質量、生產規(guī)模、生產方式都有很大的發(fā)展。曲軸是發(fā)動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，在發(fā)動機五大件最難以保證加工質量的零件之一。由于曲軸工作條件惡劣，因此，對曲軸材質以及毛坯加工技術、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等，要求都十分嚴格。因此，發(fā)達國家十分重視曲軸生產，不斷改進其材質及加工工藝，以提高其性能水平，滿足發(fā)動機行業(yè)發(fā)展的需要。近幾年來，我國不斷引進國外先進的技術，加以研究改進，使得國內曲軸加工技術發(fā)展十分迅速。隨著改進后的加工工藝的逐漸應用，國內的曲軸加工水平正逐步提高。
曲軸是柴油機中關鍵零件之一，其材質大體分為兩類：一是鋼鍛曲軸，二是球墨鑄鐵曲軸。由于采用鑄造方法可獲得較為理想的結構形狀，從而減輕質量，且機加工余量隨鑄造工藝水平的提高而減小。球鐵的切削性能良好，并和鋼制曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理，來提高曲軸的抗疲勞強度和耐磨性。而且球鐵中的內摩擦所耗功比剛大，減小了工作時的扭轉振動的振幅和應力，應力集中也沒有鋼制曲軸的敏感。所以球磨鑄鐵曲軸在國內外得到廣泛采用。
從目前整體水平來看，毛坯的鑄造工藝存在生產效率低，工藝裝備落后，毛坯機械性能還不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題。從熔煉、球化處理、孕育處理、合金化、造型工藝、澆注冷卻工藝等工藝環(huán)節(jié)采取措施對提高曲軸質量具有普遍意義。
目前，國內大部分專業(yè)廠家普遍采用普通機床和專用組合機床組成的流水線生產，生產效率、自動化程序較低。而國外廣泛采用數控技術和全自動控制生產線，具有較高的靈活性和適應性，使曲軸的加工精度、效率、整體質量顯著提高。
球鐵曲軸具有諸多優(yōu)點，國內外廣泛采用。但整體水平與國外還有相當差距，近年來，我國內燃機曲軸專業(yè)生產廠家通過引進技術消化吸收和自行開發(fā)，總體水平有了較大的提高，但是我國距世界先進水平仍相差很遠，甚至于還滿足不了我國內燃機工業(yè)技術發(fā)展的要求。我國曲軸專業(yè)生產廠家不是很多，且整體規(guī)模小、專業(yè)化程度低、企業(yè)設備陳舊、產品設計和工藝落后、性能壽命和可靠性差、品種雜亂和“ 三化”程度低，這些都影響了整機適應國內及國際市場的能力。內燃機零部件行業(yè)將面臨更加激烈的市場競爭，也將迎來新的發(fā)展機遇。我們只有充分了解國內外內燃機曲軸技術水平，才能制造出具有世界一流水平的內燃機曲軸，以實力參與市場競爭。
3. 課題設計（或研究）的內容：
1）查閱相關資料，確定總體設計方案；
2）完成曲軸部件設計；
3）撰寫設計說明書（12000字）；
4）翻譯外文技術資料（10000字符）。
曲軸圖用計算機繪制。
指導教師評語：（建議填寫內容：對學生提出的方案給出評語，明確是否同意開題，提出學生完成上述任務的建議、注意事項等）
指導教師 _____________（簽名）
日期：2010年 1月26日
注：1. 本開題報告，須雙面打印。由學生填寫并經指導老師審核、評價；
2. 本開題報告一式兩份，一份須與學生的畢業(yè)設計（論文）一并存檔，一份作系部存檔用。
第一章 前 言
1.1柴油機曲軸設計的背景
柴油機具有良好的經濟性、動力性及較高的熱效率等顯著優(yōu)點, 在汽車節(jié)能等方面有較大的潛力。經過多年的研究和新技術的應用，現代柴油機的現狀已與往日不可同日而語。隨著電控噴射、高壓共軌、渦輪增壓、中冷等先進技術的應用，柴油機在重量、噪音、煙度等方面已取得了重大的突破。我國小缸徑多缸增壓柴油機已取得了較快的發(fā)展，但整個市場的需求還在增長。2000年，中國4缸以上、缸徑小于100mm的多缸機年產量約63.9W臺，主要用于農用運輸車、輕型車、面包車、輪式拖拉機、中小型工程機械、小型船舶主輔機等。由此可見，小缸徑多缸柴油機的市場前景還是很客觀的。
四缸柴油機主要應用于中型輪式拖拉機、中型聯合收割機、中型工程機械、輕型汽車等的配套。隨著人們對柴油機認識的逐步轉變，柴油機的應用領域也在不斷地擴大。柴油機熱效率高，能量利用率高，節(jié)能等特點也得到認可。柴油機的供油系統(tǒng)相對簡單，柴油機的可靠性也比汽油機好。在相同的功率情況下，柴油機的低速扭矩性較好，功率大，完全符合農用機械的使用要求。
隨著電噴、高壓共軌、增壓中冷等先進技術的應用，柴油機的燃燒不斷得到改善，在節(jié)能和有害物的排放方面的優(yōu)勢已逐漸顯現出來?，F代柴油機隨著強化程度的提高，柴油機單位功率的比重也明顯降低，輕量化、高速化、低油耗、低噪音和低排放成為現代柴油機的發(fā)展方向
曲軸是發(fā)動機中最重要的零件之一，發(fā)動機的全部功率都是通過它輸出的。而且曲軸是在不斷周期性變化的力、力矩（包括扭矩和彎矩）的共同作用下工作的，極易產生疲勞破壞。曲軸形狀復雜，應力集中嚴重，因此設計中必須使曲軸有足夠的疲勞強度，以保證正常工作。
曲軸是柴油發(fā)動機的重要零件。它可以是有若干個相互錯開一定角度的曲柄（或曲拐）加上功率輸出端和自由端構成的。每個曲柄又是由主軸頸、曲柄銷及曲柄臂組成。曲軸的作用是把活塞的往復直線運動變成旋轉運動，將作用在活塞的氣體壓力變成扭矩，用來驅動工作機械和柴油機發(fā)動機各輔助系統(tǒng)進行工作，曲軸在工作時承受著不斷變化的力，慣性力和它們的力矩作用，受力情況十分復雜。其精度要求非常高，它的加工質量對內燃機的工作性能，對裝配勞動量都有很大影響。因此，各要素的尺寸精度，位置精度和表面質量要求相當高。曲軸中幾個主要加工表面，連桿表面，軸承軸頸及錐面鍵槽的精度要求都較高，連桿軸頸需經過拋光。所以研究曲軸加工工藝對曲軸的生產具有一定的實際意義。
此設計的題目是曲軸飛輪組。曲軸是內燃機最主要的部件之一。它的尺寸參數在很大程度上決定并影響著內燃機的整體尺寸和重量，內燃機的可靠性和壽命也在很大程度上取決于曲軸的強度。因此，設計新型內燃機或老產品進行改造時必須對曲軸強度進行嚴格的安全校核。近年來隨著發(fā)動機動力性和可靠性要求援不斷提高，曲軸的工作條件越來越不好，曲軸的強度問題也越來越復雜。對曲軸強調確定的方法有兩種：試驗研究和分析計算。此外，曲軸的平衡也是曲軸設計時的一個重要問題，既要滿足平衡又要減小平衡重質量。
飛輪主要有以下作用：1、儲存動能，使曲軸轉速均勻；2、驅動輔助裝置；3、正時調整角度用。飛輪的設計原則是，質量盡可能小的前提下具有足夠的轉動慣量，因而輪緣常做的寬厚。在進行曲軸飛輪組設計時曲軸的強度、平衡、飛輪的平衡都是需要注意的問題，其中曲軸的強度是較困難的，需發(fā)在低成本的情況下，用普通材料合理進行設計結構和工藝，使曲軸滿足強度要求。曲軸飛輪組是發(fā)動機正常工作的保證，對其進行研究，進行合理地設計，可以滿足現代發(fā)動機的要求。
1.2國內外同類設計的概況綜述
近些年來，我國的發(fā)動機曲軸生產行業(yè)得到較大的發(fā)展，總量已具有相當的規(guī)模，無論是設計水平，還是產品種類、質量、生產規(guī)模、生產方式都有很大的發(fā)展。曲軸是發(fā)動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，是發(fā)動機五大件中最難以保證加工質量的零件之一。由于曲軸工作條件惡劣，因此，對曲軸材質以及毛坯加工技術、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等，要求都十分嚴格。因此，發(fā)達國家十分重視曲軸生產，不斷改進其材質及加工工藝，以提高其性能水平，滿足發(fā)動機行業(yè)發(fā)展的需要。近幾年來，我國不斷引進國外先進的技術，加以研究改進，使得國內曲軸加工技術發(fā)展十分迅速。隨著改進后的加工工藝的逐漸應用，國內的曲軸加工水平正逐步提高。
曲軸是柴油機中關鍵零件之一，其材質大體分為兩類：一是鋼鍛曲軸，二是球墨鑄鐵曲軸。由于采用鑄造方法可獲得較為理想的結構形狀，從而減輕質量，且機加工余量隨鑄造工藝水平的提高而減小。球鐵的切削性能良好，并和鋼制曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理，來提高曲軸的抗疲勞強度和耐磨性。而且球鐵中的內摩擦所耗功比剛大，減小了工作時的扭轉振動的振幅和應力，應力集中也沒有鋼制曲軸的敏感。所以球磨鑄鐵曲軸在國內外得到廣泛采用。
從目前整體水平來看，毛坯的鑄造工藝存在生產效率低，工藝裝備落后，毛坯機械性能還不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題。從熔煉、球化處理、孕育處理、合金化、造型工藝、澆注冷卻工藝等工藝環(huán)節(jié)采取措施對提高曲軸質量具有普遍意義。
目前，國內大部分專業(yè)廠家普遍采用普通機床和專用組合機床組成的流水線生產，生產效率、自動化程序較低。而國外廣泛采用數控技術和全自動控制生產線，具有較高的靈活性和適應性，使曲軸的加工精度、效率、整體質量顯著提高。
球鐵曲軸具有諸多優(yōu)點，國內外廣泛采用。但整體水平與國外還有相當差距，近年來，我國內燃機曲軸專業(yè)生產廠家通過引進技術消化吸收和自行開發(fā)，總體水平有了較大的提高，但是我國距世界先進水平仍相差很遠，甚至于還滿足不了我國內燃機工業(yè)技術發(fā)展的要求。我國曲軸專業(yè)生產廠家不是很多，且整體規(guī)模小、專業(yè)化程度低、企業(yè)設備陳舊、產品設計和工藝落后、性能壽命和可靠性差、品種雜亂和“三化”程度低，這些都影響了整機適應國內及國際市場的能力。內燃機零部件行業(yè)將面臨更加激烈的市場競爭，也將迎來新的發(fā)展機遇。我們只有充分了解國內外內燃機曲軸技術水平，才能制造出具有世界一流水平的內燃機曲軸，以實力參與市場競爭。
第二章 總體設計方案
2.1內燃機設計要求
內燃機設計是一項復雜的工作，它的許多零件是在經受高溫，高應力和劇烈磨擦的苛刻條件下工作的。這就使設計人員必須掌握相當寬廣的有關理論與技術知識才能正確的進行設計。我們設計的目的是為了應用于實際，因此，我們在設計的時候，首先要根據實際需要來確定設計的目的和要求。
1．功率和轉速
作為動力機械，使用者對內燃機第一位的要求是應該能夠在規(guī)定轉速下發(fā)出所要求的功率。轉速和功率的具體數值是根據用途來確定的，它在設計中一般會給出，要求設計者能夠按要求設計產品。
2．內燃機的經濟性
內燃機的經濟性包括：內燃機的使用價值應該盡量大，而為使用內燃機所必須付出的代價應盡量小。這是設計人員應該爭取的重要目標之一。
3.高的工作可靠性和足夠的使用壽命
現代內燃機壽命指標較先進的的大致為：運輸用汽車內燃機 30-60萬公里；拖拉機及農用內燃機6000-10000小時；工程機械用內燃機10000-28000小時。
4．內燃機外廓尺寸的緊湊和質量
在許多動力裝置中，為了能有更多的有用空間，希望內燃機本身占用的空間縮至最小，即要求內燃機的設計緊湊，空間占用小，內燃機的質量就小，質量小是我們追求的目標。質量小在某種程度上表明所耗用的金屬質量少。
5．內燃機設計的三化問題
所謂三化，指產品系列化，零部件的通用化和設計的標準化。
6．內燃機的可靠性及其它
工作可靠是內燃機應該具有的起碼性能，否則其它性能將無從談起。
2.2內燃機的主要參數
一、氣缸數與缸徑
壓縮點火式內燃機，由于燃燒過程的特點，汽缸直徑不能過小，一般以不小于85mm為宜。內燃機的缸徑應符合系列型譜的規(guī)定，其尾數應該取整數，優(yōu)先選用0和5。
二、活塞平均速度
活塞平均速度Cm表征柴油機高速性和強化程度的一項主要指標，對柴油機總體設計和主要零件結構形式影響很大?；钊骄俣扔嬎愎剑骸Ｔ诠β式o定以后，若平均有效壓力、活塞行程的缸數維持不變，提高活塞平均速度可使氣缸直徑減小，柴油機體積小、重量輕。但是提高活塞平均速度受到以下列因素的限制：
1）提高活塞平均速度后，使運動件的慣性力增大，同時活塞，缸套和氣缸蓋的熱負荷也相應增加。
2）提高活塞平均速度使柴油機零件的磨損加快，縮短了柴油機大修期。
3）活塞平均速度的提高，使摩擦功率損失增加，機械效率降低，燃油消耗率升高。
4）進排氣阻力隨活塞平均速度的提高而增加，使充氣效率降低。隨著活塞平均速度的提高，柴油機的平衡、振動和噪聲等問題突出出來。一般柴油機總哭聲強度約與轉速的三次方成正比。
三、平均有效壓力
平均有效壓力是表征柴油機強化程度的重要指標之一,可由下式求得：
式中為平均有效壓力。
為有效功（曲軸輸出端的）
為氣缸工作容積（活塞排量）
為平均指示壓力
為機械效率
提高值可使功率增加比重量下降。然而機械負荷和熱負荷也隨之提高，影響柴油機的可靠性和壽命。同時，對排氣的有害成分、噪聲、振動等都有不利影響。提高充氣系數，改善工作過程，減少機械損失與熱損失，是提高值的主要措施，但是非增壓柴油機值的提高是有限的。最有效的措施是采用增壓或增壓加中冷系統(tǒng)。在選定柴油機的的值時一定要慎重。在進行設計是，它應根據同類型發(fā)動機的實際數據來初步選定。
四、行程及其與缸徑的比值
行程與缸徑比S/D是對柴油機結構和性能有重大影響的參數，在氣缸直徑和活塞平均速度確定之后，就可以合理的選擇S/D。并考慮以下因素：
1）選用較小的S/D，可減小柴油機的高度寬度和質量。
2）小的S/D可以縮小行程S，加大曲軸的連桿軸頸和主軸頸重疊度，提高曲軸的彎曲和扭轉剛度，以及疲勞強度。
3）當S/D減小時,柴油機的轉速可增加,提高了柴油機的升功率,但增加了運動件的慣性力和柴油機的噪聲。
4) S/D比值過小，特別是直噴式燃燒室的柴油機，為保持一定的壓縮比ε以及燃燒室容積與壓縮容積之比值（Vh/Va）,必將使活塞與氣缸蓋之間需要更小的間隙，這就增加制造上的困難如間隙不能保證，將使發(fā)動機各項性能指標難以達到。
5）選擇風冷柴油機的S/D時，應考慮缸套的散熱睡布置。
五、氣缸中心距及其與缸徑的比值
氣缸中心距及其與缸徑的比值，是表征柴油機長度的緊湊性和重量指標的重要參數，它與柴油機的強化程度、氣缸排列和機體的剛度有關。缸心距的大小主要取決于氣缸蓋型式（整體式、塊狀式或單體式）、氣缸套型式（干式或濕式）、直列式還是V型、水冷還是風冷、以曲軸的結構型式和尺寸分配。
六、壓縮比
壓縮比直接影響柴油機的性能、機械負荷、超支性能，以及主要零件的結構尺寸。在一定范圍內，柴油機的熱效率隨壓縮比的增加而提高。增大壓縮比也可使柴油機的起動性能獲得改善。但壓縮比的提高將使氣缸最高爆發(fā)壓力相應上升，機械負荷增加對柴油機使用壽命有影響。
2.3內燃機的設計方法和在設計中應注意的問題
內燃機是一個結構復雜，布置緊湊的機器。它有許多零件組成，各個零件之間不但必須以一定的配合關系聯系成一個整體，而且必須在作相對運動的過程中互不干涉。因此，在設計每一個零件時，必須把它看作是整個內燃機的一部分。并注意該零件與其它零件之間的關系?？紤]到這一特點，通常內燃機的技術設計要按一定的程序進行，即先從內燃機的全局出發(fā)確定出各個局部結構的輪廓尺寸，再根據給定的輪廓尺寸設計各零部件的細節(jié)，然后再將各個局部匯合在一起，從總體結構上審查各個局部的設計是否正確。通常這個設計程序分三個階段：草圖設計、工作圖設計和繪制裝配圖。
在設計內燃機的過程中需要確定出主要零件的結構，尺寸和材料。在這里考慮問題的主要出發(fā)點是保證由這些零件組成的內燃機能夠有效的實現將燃料中的熱能轉化成機械功的過程。這就必須使零件的結構，尺寸和所用材料適應工作過程的需要。除此之外，還要考慮另一方面的問題，這就是：
1．受力問題
零件在工作過程中要承受機械負荷的作用，在力的作用下零件將產生機械應力和變形。機械應力超過一定的限度時零件將發(fā)生斷裂性的破壞，變形超過一定的限度時零件之間的相互配合關系將被破壞。所有這些都使零件失去工作能力。因此，在設計每一個零件時都要充分了解該零件在工作過程中所受力的大小和力的作用情況。在本次設計中，充分的考慮了這個問題，在必要時進行了力的校核計算。
2．磨損問題
內燃機的許多零件在力的作用下相互摩擦運動，如活塞與汽缸壁，軸頸與軸承等。本次設計中比較注意零件的磨損問題，對受到磨損的部位注意正確地供給潤滑油和采取其它措施來延長零件的使用壽命。
3．熱負荷問題
內燃機的許多零件，如活塞，汽缸和汽缸蓋等在工作中要與高溫氣體相接觸，在此情況下零件被破壞。本次設計為水冷柴油機，在必要處都布置有冷卻水道或利用潤滑油進行冷卻散熱。
上面這三個問題是在內燃機的過程中經常遇到并必須注意解決的問題,總括起來說就是：零件必須有足夠的強度和剛度，以便能夠隨力的作用必須注意減小零件的磨損和提高耐磨性，以便延長零件的使用壽命；必須注意零件的熱強度、熱變形與熱應力的問題以便使零件能夠在高溫條件下可靠工作。
第三章 曲軸零件的設計
曲軸是發(fā)動機最重要的機件之一。它的尺寸參數在很大程度上不僅影響著發(fā)動機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動機其它零件的嚴重損壞，在發(fā)動機的結構改進中，曲軸的改進也占有重要地位。隨著發(fā)動機的發(fā)展與強化，使曲軸的工作條件愈加苛刻，因此，曲軸的強度和剛度問題就變的更加嚴重，在設計曲軸時必須正確的選擇曲軸的尺寸參數、結構形式、材料與工藝，以求獲得最經濟最合理的效果。
3.1柴油機的結構參數
1. 初始條件
額定功率：P＝60KW
平均有效壓力：
活塞平均速度：m＜18 m∕s
2. 發(fā)動機類型
依據題意沖程數選擇為直列式四沖程，即τ=4
3. 基本參數
1） 行程缸徑比S∕D的選擇
根據參考文獻【內燃機學】得相應柴油機的行程缸徑比在1.0至1.3之間。初步選擇行程缸徑比為1.1，即S/D=1.1。同時初選平均有效壓力。
2） 氣缸工作容積，缸徑D的選擇
根據內燃機學的基本計算公式：
其中 ——為發(fā)動機的有效功率，依題為60kw
——為發(fā)動機的平均有效壓力，依題為0.9Mpa
——為汽缸的工作容積，=1.0L
——為發(fā)動機的汽缸數目，依題為4
——為發(fā)動機的轉速
——為活塞的平均速度，依題為 18m/s
——為發(fā)動機活塞的行程
——為發(fā)動機汽缸直徑
——為發(fā)動機的行程數，依題為4
根據參考文獻【內燃機學】參照我國近年生產的部分內燃機產品的性能參數表得非增壓4缸四沖程柴油機的升功率一般為15至25之間，同時為了便于設計過程的進行，初步確定單缸氣缸工作容積為1L。由，以及S/D=1.1，可得D=105mm，所以S=1.1，D=115.5mm。再根據以上的條件代入以上公式得：
D=105mm ，S=115.5mm，=7.7m∕s，=0.9MPa，n=2000 r/min
由于=7.7m∕s介于6-9之間，則按分類得該柴油機為中速柴油機。由單位活塞面積功率得PF=0.231Kw/cm2>0.2Kw/cm2，所以需要向活塞內壁噴油冷卻，一般通過固定在機體內壁上的噴嘴噴機油。
3.2熱力學計算
通常根據內燃機所用的燃料，混合氣形成方式，缸內燃燒過程（加熱方式）等特點，把活塞式內燃機的理想循環(huán)分為三類，即混合加熱循環(huán)理想循環(huán)（薩巴德循環(huán)）、定壓加熱理想循環(huán)（狄賽爾循環(huán)）、定容加熱理想循環(huán)（奧托循環(huán)）。柴油機實際循環(huán)近似看成混合加熱循環(huán)理想循環(huán)。柴油機的工作過程包括進氣、壓縮、做功和排氣四個過程。在本設計過程中，先確定熱力循環(huán)基本參數然后重點針對壓縮和膨脹過程進行計算，繪制P-V圖并校核。為建立內燃機理論循環(huán)，需對內燃機的實際循環(huán)中大量存在的湍流耗散以及溫度壓力分布不均勻等一系列不可逆損失作必要地簡化和假設，歸納起來有以下幾點：
假設工質是理想氣體，其物理常數與標準狀態(tài)下的空氣物理常數相同。忽略發(fā)動機進排氣過程，將實際的開口循環(huán)簡化為閉口循環(huán)。
假設工質的壓縮及膨脹是可逆變過程。
假設燃燒過程為等容、等壓、混合加熱過程，工質放熱為定容放熱。
3.2.1熱力循環(huán)基本參數的確定
根據參考文獻【內燃機原理】非增壓活塞冷卻柴油機
壓縮過程絕熱指數=1.35～1.40，初步取=1.37；
膨脹過程絕熱指數=1.25～1.30，初步取=1.30；
根據參考文獻【內燃機原理】非增壓中速柴油機壓縮比=14～15，初取幾何壓縮比=14；有效壓縮比=12.8。
根據參考文獻【發(fā)動機設計】取λ=1.4；
確定其他參數如下：環(huán)境壓力Po=0.1013Mpa;環(huán)境溫度To=293K；燃燒過量空氣系數α=1.27；殘余廢氣系數γ=0.04; 殘余廢氣溫度Tr=650K；壓縮始點壓力Pa=0.95Po=0.096235Mpa;最大燃燒壓力Pz=4.43Mpa;Z點熱利用率系數ξz=0.7；B點熱利用率系數ξb=0.85；燃燒室掃氣系數φs=1.05；燃料質量分數C=0.87，H=0.126，O=0.004；燃料低熱值Hu=42286.68KJ/Kg。
3.2.2各過程的熱力學計算
根據參考文獻【內燃機原理】P66頁例題，對各參數作如下計算：
（1）壓縮始點溫度
；
（2）壓縮始點壓力 Pa=0.95*Po=0.096235Mpa；
（3）充氣系數 ；
（4）平均多變壓縮指數 由上述得n1=1.37；
（5）壓縮終點溫度
；
（6）壓縮終點壓力
（7）燃料燃燒所需理論空氣量Lo=0.495 kmol（空氣）/kg（燃料）；
（8）燃料燃燒所需實際空氣量L=αLo =1.27Lo=0.62865kmol（空氣）/kg（燃料）；
（9） 理論分子變化系數βo=1+0.0639/α= 1.05457；
（10）實際分子變化系數得β=1.0524；
（11）z點燒去的燃料質量分數；
（12）z點處分子變化系數=1.0432；
(13) z 點燃燒產物的平均摩爾比定容熱容
；
（14）b點燃燒產物的平均摩爾比定容熱容
；
（15）z 點燃燒產物的平均摩爾比定壓熱容
；
（16）燃料發(fā)熱量
；
（17）壓力升高比 ；
（18）cyz段的燃料燃燒公式，求最大燃燒溫度Tz：
聯立求解得：Tz=2047K；
(19)初膨脹比 ；
（20）后膨脹比 ；
（21）多變膨脹指數由上述得n2=1.30；
（22）膨脹終點溫度：
；
（23）膨脹終點壓力：；
（24）理論平均指示壓力（以有效行程為準）
=1.2928Mpa；
（25）實際平均指示壓力（以全行程為準）
（26）指示油耗 ；
指示效率 ；
（27）柴油機總機械效率 ；
柴油機平均有效壓力
；
柴油機的有效油耗 ；
柴油機有效效率
；
（28）柴油機氣缸基本尺寸圓整：D=105mm S=116mm S/D=1.105 =7.733m/s.
3.2.3 P-V圖的繪制
通常情況下，壓縮始點的壓強在=（0.8～0.9）Po（Po為當地大氣壓力值），假定外界Po=0.1013Mpa，選定=0.096235MPa，將壓縮過程近似看作可逆多變過程，由上一步，并利用PVn=const，利用前面計算所得單缸容積，可以在excel中繪出壓縮過程線?；旌蠚怏w在氣缸中壓縮后，先經等容加熱，利用值可得最大爆發(fā)壓力值，然后進行等壓加熱，利用初期膨脹比可以確定該過程的終點氣缸工作容積。膨脹過程類似于壓縮過程，n2由上一步取得1.30，繪出膨脹線。最后連接膨脹終點和壓縮始點。得出理論的P-V圖。
PaVa1.37=PcVc1.37, Pa=0.096235MPa, Va=1.06666L, Vc= Va∕(-1)=0.06666L,得Pc=4.2957MPa; Pz=λ* Pc=6.014MPa, = Pz=6.014MPa，=Vz*ρ=0.12941L ,1.3=PbVb1.3，Pb=0.3875MPa。
繪圖采用描點繪圖法，以壓縮過程為例。壓縮線上的點滿足，，所以，以為變量,取值范圍為V c-V a (0.06666L-1.06666L),最后以V為橫坐標，對應的P為縱坐標，繪制曲線，其他曲線的繪制可以類似繪制，相關數據記錄于附表1中圖形如下：
3.2.4 P-V圖的調整
實際的P-V圖和利用多變過程狀態(tài)方程繪制的P-V圖還存在一些差別，在發(fā)動機中，為了使其動力性、經濟性達到最優(yōu)。采取了點火提前，排氣提前。從《內燃機》、《汽車構造》中可知主要是點火提前角和配氣相位的原因。對上圖作以下調整：
點火提前角：常使用的范圍是（10～15°），考慮實際過程與理論過程的差異，實際過程中的最大爆 發(fā)壓力達不到理論值。還有就是最大爆發(fā)壓力不發(fā)生在上止點，而應該在上止點之后 10°～15°，取在上止點后 12°。綜合考慮以上因素后，將上面的P-V作
調整后的P-V圖如下：
3.2.5有效功及有效壓力的求解
由熱力學計算所繪制的示功圖為理論循環(huán)的示功圖，其圍成的面積表示的是汽油機所做的指示功數值由對示功圖積分后求得的面積來表示：
其中：Pz=6.014Mpa； Pa=0.096235Mpa；Pb=0.38145Mpa；
Vz’=0.12941L； Vz=0.06666L； Vb= Va =1.06666L；
將上述數值代入得：
=1.21641+0.387376-0.4968486=1.1073Kw；
所以，’=Wi*ηm/Vs=1.1073*0.8/1.0=0.88584Mpa；其中ηm——為汽油機的機械效率，；ηm=0.85,則誤差為(-’)/ *100%=1.6% 同時得Pe’=59.1KW.
與前面計算的結果大致一樣，在±2%以內，故上面選取的參數和以后的相關計算在滿足制造的同時能夠前后一致。
3.2.6 P-V圖向Pg-a圖的轉化
V=Vr+Vx,其中Vr為燃燒室容積，Vx為氣缸容積，Vx=。知道活塞位移x和曲軸轉角α的關系（見下面對應內容），則可以在 EXCEL 表格中，求取出相應轉角α時對應的氣缸容積 V。由 2.3 和 2.4 的內 容，綜合應用，每隔 5°求（p，V）。做出pg-α圖如圖3所示，數據記錄于附表2中。
第四章 曲軸零件的結構的設計
4.1曲軸的工作條件，結構形式和材料的選擇
4.1.1曲軸的工作條件和設計要求
曲軸是在不斷周期性的氣體壓力、往復和旋轉運動質量的慣性力以及它們的力矩（扭轉和彎曲）共同作用下工作的，使曲軸既扭轉又彎曲，產生疲勞應力狀態(tài)。對于各種曲軸，彎曲載荷具有決定性意義，而扭轉載荷僅占次要地位，曲軸破壞統(tǒng)計表明，80％左右是由彎曲疲勞產生的。因此，曲軸結構強度研究的重點是彎曲疲勞強度。設計曲軸時，應保證它有盡可能高的彎曲強度和扭轉剛度。要使它具有足夠的疲勞強度，特別要注意強化應立集中部位，設法緩和應力集中現象，也就是采用局部強化的方法來解決曲軸強度不足的矛盾。
曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動摩擦。這些軸承在實際變工況運轉條件下并不總能保證液體摩擦，尤其當潤滑不潔凈時，軸頸表面遭到強烈的磨料磨損，使得曲軸的實際使用壽命大大降低。所以設計曲軸時，要使其各摩擦表面耐磨，各軸頸應具有足夠的承壓面積同時給于盡可能好的工作條件。
4.1.2曲軸的結構形式
曲軸從整體結構上看可以分為整體式和組合式，隨著復雜結構鑄造和鍛造技術的進步，現代內燃機幾乎全部都用整體式曲軸。從支承方式看，曲軸有全支承結構和浮動支承結構，為了提高曲軸的彎曲強度和剛度，現代多缸內燃機的曲軸都采用全支承結構。
4.1.3曲軸的材料
曲軸的材料應具有較高的疲勞強度、必要的硬度以及較好的淬透性。曲軸常用材料根據其毛坯制造方法的不同可以分為兩類：鍛造曲軸材料和鑄造曲軸材料。本次課程設計中選用鑄造曲軸材料。曲軸材料一般使用45，40Cr，35Mn2等中碳鋼和中碳合金鋼以及球墨鑄鐵QT60-2、可鍛鑄鐵KTZ70-2、合金鑄鐵及鑄通ZG35等。鋼制曲軸采用鑄造很少，絕大多數是鍛造的。本次設計的發(fā)動機的升功率僅為15kW/L,故強化度不高。軸頸表面經高頻淬火或氮化處理，最后進行精加工。目前球磨鑄鐵由于性能優(yōu)良，加工方便，價格便宜廣泛的用于曲軸材料。本設計采用QT800.
4.2曲軸主要尺寸的確定和結構設計細節(jié)
4.2.1主要尺寸
綜合以上考慮，確定主要尺寸如下：
主軸頸直徑：D1=（0.65-0.80）D=70mm 長度：L1=（0.4-0.45）D=42mm
曲柄銷直徑：D2=（0.55-0.7）D=60mm 長度：L2=（0.35-0.45）D=38mm
曲柄臂厚度：h=（0.2-0.3）D=23mm 寬度 b=（1.0-1.3）D=118mm
根據主軸頸長度和曲柄銷長度以及曲柄臂的厚度，確定缸心距L=2h+L1+L2=126mm
4.2.2一些細節(jié)設計
1. 油道布置
在確定主軸頸上油道入口和曲柄銷上油道出口的位置時，既要考慮到有利于供油又要考慮到油孔對軸頸強度的影響最小。一般油孔只要安排在曲拐平面旋轉前40°～90°的低負荷區(qū)都是合理的，油道不能離軸頸過渡圓角太近。油孔直徑一般不大于0.1d，但最小不得小于5mm?？卓诓粦屑饨卿J邊，而應有不小于0.04 d的圓角以減緩應力集中。
2. 曲軸兩端的結構
曲軸前端一般裝有扭轉減震器，發(fā)動機的各種輔助裝置如機油泵，冷卻水泵等，由安裝在前端的齒輪或皮帶輪驅動，配氣正時齒輪也安裝在曲軸前端。
曲軸末端裝有飛輪，用于輸出總轉矩，因此末端要做的粗一些。
3. 曲軸的止推
為了防止曲軸產生軸向位移，在曲軸機體之間需要設置一個止推軸承，承受斜齒輪的軸向分力和踩離合器產生的軸向推力。一般將止推軸承設置在中央軸承的兩側或后主軸承的兩側。止推軸承間隙多為0.05-0.2mm。
4. 過渡圓角
主軸頸到曲柄臂的國度圓角半徑R對于曲軸彎曲疲勞強度影響很大，增加圓角對于提高曲軸疲勞強度非常有利，但對于表面耐磨性有不利影響，在保證耐磨條件下取最大圓角。一般R不應小于2mm，否則無法加工。
第五章 曲軸強度的校核
5.1靜強度計算
由前面動力學計算得強度校核要用到的基本數據如下：
徑向力=Plcos(α+β)=P ，由上述的圖及相關數據得：
切向力=Pl sin(α+β)=P ，由上述圖及相關數據得：
主軸頸中心到曲柄銷中心的距離La=（42+38）/2+23=63mm
主軸頸中心到曲柄臂中心的距離Lb=(42+23)/2=32.5mm
主軸頸的徑向反力=-1*
主軸頸的切向反力=-1.657142857Pt/2 ，
5.1.1連桿軸頸的計算
在曲拐平面內的彎曲應力
其中W為抗彎截面模量，對圓截面而言有W=d/32= 2.12058*0.00001m3.
在垂直于曲拐平面的彎曲應力
(3) 彎曲總應力
(4)扭轉應力
其中Wp為抗彎截面模量，對圓截面而言有W=d/16=0.0000424115m3.
(5)彎扭總應力
小于該材料所許可的最大應力[]＝800MPa，所以在允許范圍內。
5.1.2 曲柄臂計算
壓縮應力：
彎曲應力：
曲拐平面：
其中Wx為抗彎截面模量，對矩形截面而言有W=h*b2/6=0.0000698625m3.
垂直曲拐平面：
其中Wy為抗彎截面模量，對矩形截面而言有W=b*h2/6=0.000071415m3.
（3）扭矩Mk引起的彎曲應力
其中Wy為抗彎截面模量，對矩形截面而言有W=b*h2/6=0.000071415m3.
（4）扭矩易引起的扭轉應力
(5)
小于該材料所許可的最大應力[σ]＝800MPa，所以在允許范圍內。
5.2曲軸疲勞強度校核
由于曲軸工作時承受交變載荷，它的破壞往往都由疲勞產生。因此，對內燃機各種曲軸均須進行疲勞校驗。曲柄的疲勞強度驗算的目的是曲軸不但在運轉中安全可靠，而且能充分利用材料的疲勞強度。為此，要求能夠較精確的確定曲軸的疲勞強度和曲軸運轉時的實際應力。＝738.75761Nm ；＝0；
5.2.1主軸頸的計算
其中＝0.7，＝0.9*0.74=0.66，＝280N/mm2，
（2）扭轉疲勞強度
扭轉系數nT
5.2.2 曲柄臂計算
（1） 彎曲應力：
(2) 扭轉應力：
大于極限安全系數[n]＝（2.5-3.0），曲軸機構強度是安全的。
第六章 結 論
本次設計是一次綜合性較強的設計，練習到了我在大學四年里所學的所有課程，使我對內燃機設計工作有了一個全新的認識。
通過本次設計，我明確了發(fā)動機產品的的設計過程，加深了我對所學專業(yè)知識的理解，鍛煉了自己制圖和識圖的能力，特別是鍛煉了自己用計算機繪圖的能力，培養(yǎng)了自己和同學間協作的精神，這是自己走向工作崗位前的一筆寶貴的財富。
本次課程設計是在指導老師范錢旺老師的悉心指導下完成的。在設計的過程中，老師的諄諄教導使我受益匪淺。范老師淵博的學識，嚴謹的治學風范，誨人不倦的育人態(tài)度，令我難以忘懷。謹此向范老師表示衷心感謝！
此外，在設計的過程中，得到了各位同學熱心的幫助，積極討論，共同研究，順利地完成了本次畢業(yè)設計。
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