1、 47 7 曲轴设计 曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上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。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。 7.1 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择 7.1.1 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
2、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 7-1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
3、圆角处发展到曲柄上，基本上成 450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 450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。 图 7-1 曲轴的疲劳破坏 a）弯曲疲劳破坏 b）扭转疲劳破坏 48 曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不足，则可能
4、发生较剧烈的弯曲振动，使活塞连杆和轴承的工作条件大为恶化，影响这些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲轴箱局部应力过大而开裂。曲轴的扭转刚度差，则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动。轻则引起噪音，加速曲柄上齿轮等传动件的磨 损；重则使曲轴断裂。所以，设计时，应保证它有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度。 由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计时，至今还没有一个能反映客观实际的理论公式可供通用。因此，目前曲轴的设计主要是依靠经验来设计。 7.1.2 曲轴的材料 在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。因此，必须根据内燃机的用途及强化强度，正确的选用曲
5、轴材料，在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。以铸代锻，以铁代钢。作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求有高 度的耐磨性，耐疲劳性和冲击韧性。同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。 摩托车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。 7.1.3 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。而摩托车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
6、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。 7.1.4 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）提高曲柄销和曲轴主轴颈的重叠度。 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。
