《柴油機曲軸設計》PPT課件
曲軸設計,一.曲軸設計概論 二. 曲軸結構設計 三. 曲軸疲勞強度校核 四. 提高曲軸疲勞強度的措施,一. 曲軸設計概論,曲軸的成本大約占整機成本的十分之一,為內(nèi)燃機中最貴的零件。 曲軸最常見的損壞原因是彎曲疲勞,所以保證曲軸有足夠的彎曲疲勞強度是曲軸設計的首要問題。 曲軸各軸頸的尺寸還應滿足軸承承壓能力和潤滑條件的要求。 中小功率高速內(nèi)燃機幾乎都用整體曲軸、全支承、帶有平衡塊(無論整體是否平衡)。,1.曲軸工作條件,1、受周期變化力和力矩作用,重點是彎曲交變載荷(80是彎曲疲勞破壞); 2、曲軸形狀復雜,應力集中嚴重; 3、曲軸軸頸比壓大,摩擦磨損嚴重;,2.設計要求,1、有足夠的疲勞強度; 2、有足夠的承壓面積,軸頸表面要耐磨; 3、盡量減少應力集中; 4、剛度好,變形小。,3.常用材料,1、中碳鋼:如45,絕大多數(shù)采用模段制造;鍛造后進行正火或調(diào)質(zhì)處理,然后在各軸頸表面實施感應加熱表面淬火。鋼曲軸也可以進行滲氮處理,以提高疲勞強度。 2、合金鋼:在強化程度較高的發(fā)動機中采用; 3、球墨鑄鐵:在強度和剛度要求一定是,使用球墨鑄鐵材料能減少制造成本,且其阻尼特性能減小扭轉振動的幅值。 在曲軸設計中,曲軸的結構、材料、工藝三因素各自有獨立規(guī)律,且相互影響。,二. 曲軸結構設計,一、曲軸結構形式 1、整體式曲軸:具有工作可靠、重量輕、剛度、強度較高、加工表面較少的特點,中小型發(fā)動機中廣泛采用。一般配合滑動軸承(有的單缸機采用滾動軸承)。 2、組合式曲軸:當曲軸尺寸較大,曲拐數(shù)較多時,采用整體式結構將導致加工非常困難,可采用組合式結構。小型單缸發(fā)動機也有采用。,整體式曲軸和組合式曲軸,曲軸支承,(a)全支承曲軸: 優(yōu)點是曲軸剛性好,不易彎曲,缺點是缸心距加大,機體加長,制造成本增加。柴油機多用全支承曲軸。. (b)非全支承曲軸: 多用于中小功率的汽油機,曲軸全支承與非全支承,曲軸主要尺寸參數(shù),dcp:曲柄銷直徑; lcp:曲柄銷長度; hcw:曲柄臂厚度;bcw:曲柄臂寬度 dcj:主軸頸直徑; lcj:主軸頸長度;,氣缸中心距,L= lcp + lcj +2 hcw 它們存在一個合理分配的問題。 過渡圓角半徑R對應力集中影響巨大。 各尺寸參數(shù)的統(tǒng)計值見下表:,油道設計及油孔位置,曲軸前端與后端,(1)作用: 曲軸前端用來安裝正時齒輪、皮帶輪、扭振減振器及起動爪等;后端有飛輪結合盤(凸緣盤),用來安裝飛輪。 (2)前后端的密封: 曲軸前后端都伸出曲軸箱,為了防止?jié)櫥脱剌S頸流出,在曲軸前后端都設有防漏裝置。,常用的防漏裝置有擋油盤、填料油封、自緊油封、回油螺紋等。,曲軸的軸向定位,(1)結構: 止推片:在某一道主軸承的兩側裝止推片。止推片由低碳鋼背和減磨層組成。 翻邊軸瓦: (2)安裝注意:止推片有減磨層的一面朝向轉動件(有油槽一面)。當曲軸向前竄動時,后止推片承受軸向推力;向后竄動時,前止推片承受軸向推力,曲拐的布置,(1)一般規(guī)律 1)各缸的作功間隔要盡量均衡,以使發(fā)動機運轉平穩(wěn)。 2)連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠些,最好是在發(fā)動機的前半部和后半部交替進行。 3) 避免進氣重疊 4) V型發(fā)動機左右氣缸盡量交替作功。 5)曲拐布置盡可能對稱、均勻以使發(fā)動機工作平衡性好。,三. 曲軸疲勞強度校核,曲軸破壞主要是彎曲疲勞破壞 現(xiàn)在曲軸強度計算絕大部分采用有限元計算方法,且有很多現(xiàn)成的工程分析軟件,如ansys,pro/e,UG等。 有限元計算精度關鍵取決于如何處理曲軸的位移約束條件、加載方式、網(wǎng)格劃分等,這需要詳細了解曲軸的工作情況和受力狀況。 安全系數(shù)n1.5(鋼)或1.8(球墨鑄鐵),四. 提高曲軸疲勞強度的措施,在載荷不變的條件下,要提高曲軸抗彎強度就應設法降低應力集中;適當減小單拐中間部分的彎曲剛度,使應力分布較為均勻。,結構措施,1、加大曲軸軸頸的重疊度 重疊度 A=(dcp+dcj)/2-r 重疊度系數(shù) =(dcp+dcj)/S 2、加大軸頸附近的過渡圓角 過渡圓角的尺寸、形狀、材料組織、表面加工質(zhì)量等對曲軸應力的影響十分明顯。 3、采用空心曲軸 4、采用沉割圓角和開卸載槽,工藝措施,1、圓角滾壓強化:表面產(chǎn)生剩余壓應力,抵消部分工作拉伸應力,從而提高曲軸的疲勞強度。 2、圓角淬火強化:用熱處理方法使金屬發(fā)生組織相變,體積膨脹而產(chǎn)生殘余壓應力,從而提高曲軸疲勞強度。 3、噴丸強化處理:與滾壓強化的道理一樣,屬于冷作硬化變形。 4、氮化處理:使氮氣滲入零件表面,金屬體積增大而產(chǎn)生擠壓應力。,