曲軸設(shè)計(jì)

1結(jié)構(gòu)型式與材料

幾乎所有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)都采用全支承曲軸，其剛度比非全支承的曲軸大得多，而且由于支承跨距短，曲軸內(nèi)彎短小些，軸頸尺寸就相應(yīng)可小些，又可降低軸承摩擦損失。隨著軸瓦材料承載能力的提高，允許連桿軸頸和主軸頸長度縮短，因此采用全支承一般不會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)長度增加的問題。
　　汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸又幾乎全是整體式的，只有個(gè)別轉(zhuǎn)速較低的柴油機(jī)(如趨于淘汰的6135Q和12V135Q)采用組合式曲軸，如圖12—3。其曲柄兼作裝滾柱軸承的主軸頸，結(jié)構(gòu)緊湊剛度好，而且用同一曲拐可裝配成不同缸數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，便于產(chǎn)品系列化，也允許單獨(dú)更換其中一個(gè)損壞的曲拐而不必整根曲軸報(bào)廢。但是其加工面多，制造精度要求高，滾動(dòng)軸承貴，還限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高。所以高速汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不用這種結(jié)構(gòu)。
　　多數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用鍛鋼曲軸。汽油機(jī)和非增壓柴油機(jī)一般用45號(hào)鋼，增壓柴油機(jī)則有用合金鋼的。45號(hào)鋼曲軸至少要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以提高材料的機(jī)械性能，各軸頸表面還要進(jìn)行感應(yīng)淬火處理以提高耐磨性。淬火工藝應(yīng)仔細(xì)控制，在圖紙上應(yīng)標(biāo)明淬火區(qū)域、淬火深度和硬度，淬硬區(qū)邊緣距圓角的距離不應(yīng)小于2mm，以避免校直時(shí)在圓角區(qū)出現(xiàn)裂紋�？紤]到以后修理時(shí)的磨削余量，圖紙上應(yīng)規(guī)定淬硬層深度約為2mm，硬度為HRC50—60。近來還有對(duì)曲軸進(jìn)行氮化處理以提高疲勞極限的。所行軸頸表面和圓角、油孔邊緣都必需拋光，還可對(duì)圓角進(jìn)行滾擠壓或噴丸等工藝處理，這些都有助于提高曲軸的疲勞極限。當(dāng)曲軸采用合金鋼材料時(shí)，由于合金鋼對(duì)缺口的敏感性強(qiáng)，連曲柄臂表面也要進(jìn)行精磨。
　　也有不少汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸采用球墨鑄鐵或高強(qiáng)度可鍛鑄鐵初料。對(duì)于曲軸來說，以鑄代鍛不僅具有第八章戶講過的那些一般好處(不需要專門設(shè)備，便宜，后加工量小)，而且還有一個(gè)特殊好處，即容易把曲軸做成在應(yīng)力分布方面較為理想的形狀，如鼓形中空軸頸加卸載槽(見圖12—4)。試驗(yàn)表明，主軸頸中空可使曲柄銷過渡圓角處的應(yīng)力峰值減小，再加卸載槽，應(yīng)力分布更均勻(見圖12—5)。曲柄銷中空則可以減輕主軸頸過渡圓角處的應(yīng)力集中，并減小曲柄銷離心力和主軸頸(軸承)的離心力載荷。此外，鑄鐵曲軸的耐磨性也較好，經(jīng)正火處理的球鐵曲軸配巴氏合金軸瓦已不需要將軸頸淬硬，配鋁基軸承時(shí)軸頸表面還要淬火或氮化。鑄鐵的內(nèi)摩擦阻尼比鋼大，在同樣大的激振力矩下扭振振幅較小。

2主要尺寸比例

一個(gè)曲拐的主要尺寸示于圖12—6。在設(shè)計(jì)手冊(cè)或參考書中可以查到一些曲軸尺寸比例的統(tǒng)計(jì)數(shù)字或推薦數(shù)字，例如表12—1和圖12—7。但設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)參考同類型發(fā)動(dòng)機(jī)中的近期先進(jìn)產(chǎn)品，作一些具體的比較分析。尤其是活塞單位面積上的最大氣體壓力pZ和最大往復(fù)慣性力mjrω2(1十λ)/Ah相近的發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸尺寸比例和材料、應(yīng)力水平等更值得參考(此處Ah指活塞面積)。
　　了解以下的一些一般概念也是有益的。
　　①對(duì)非增壓直列式發(fā)動(dòng)機(jī)來說，先根據(jù)缸筒部分的設(shè)計(jì)(干缸套還是濕缸套，水冷還是風(fēng)冷)確定缸心距L，然后將L合理地分配給曲軸各分段(即L1，L2，h…)，一般不會(huì)在曲軸強(qiáng)度和軸承承載能力方向發(fā)生困難，而且還不需要采用斜切u連桿(即d2＜0.65D)。增壓柴油機(jī)和V型并列連桿發(fā)動(dòng)機(jī)則往往要由曲軸長度決定其缸心距。
　　②多缸機(jī)曲軸各曲柄銷等長，各主軸頸則不一定都等長。有些四缸機(jī)和六缸機(jī)的中央主軸頸因離心力載荷較大就做得比其它主軸頸長些，這時(shí)缸間距不等，不便于在同一生產(chǎn)線上加工同一系列的不同缸數(shù)的缸體。因此只要軸承的承裁能力允許，仍宜采用等缸間距，即中間幾個(gè)主軸頸長度要相等。第一個(gè)主軸頸和最后一個(gè)主軸頸的長度不受缸間距限制，可只根據(jù)曲軸首段和尾段的結(jié)構(gòu)需要決定其長度。安裝止推軸承的主軸頸就要長一些。們主軸頸長度相等便于采用內(nèi)銑等先進(jìn)的加工工藝。
　�、壑鬏S頸直徑d1一般都比曲柄銷直徑d2稍大一些，大約是(1.05—1.25)d2。從主軸頸應(yīng)力和主軸承負(fù)荷上看無此必要。但是d1大些可以縮短主軸頸而加厚曲柄，并略微加大軸頸重疊度，這二者可減小過渡圓角處應(yīng)力，對(duì)曲軸的疲勞強(qiáng)度和曲軸剛度都有利。
　�、軓幕瑒�(dòng)軸承形成承壓油膜的條件來說，其長徑比L′/d以0.4為最佳。此處L′是軸瓦寬度，它比軸頸的有效承壓長度(L—2P)略小一些(軸瓦兩端有倒角)。絕不允許L′/d＜0.3，同時(shí)軸承的最大條件比壓(即最大軸承負(fù)荷除以d·L′)應(yīng)符合所用軸瓦材料的許用值。
　�、葺S頸重疊度?＝1/2(d1十d2)－R(R為曲柄半
　　徑)。如果主軸頸和曲柄銷不重疊，?為負(fù)值。當(dāng)?值在﹣0.12D左右時(shí)，曲柄銷過渡圓角和主軸頸過渡圓角幾乎在曲柄臂兩邊相互正對(duì)著(見圖12—8)。這時(shí)應(yīng)力集中最嚴(yán)重。隨著軸頸重疊度的加大，應(yīng)力向曲拐平面兩側(cè)轉(zhuǎn)移而峰值減小，對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度有利，剛度也提高。不過?的大小主要決定于發(fā)動(dòng)機(jī)的行程缸徑比(S/D)，因?yàn)閺臏p輕旋轉(zhuǎn)慣性力、減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(影響曲軸固有頻率)，減小摩擦損失等多方面考慮，都要求d2盡可能小些，一般取軸承比壓所許可的下限，相應(yīng)地d1也只是在(1.05—1.25)建d2的范圍內(nèi)變化，對(duì)重疊度?的影響有限。
　�、藜哟笄鄣暮穸萮和寬度b，既可使曲柄臂的名義應(yīng)力水平降低曲柄臂名義斷面的抗彎截面模數(shù)W3＝bh2/6，又可使應(yīng)力分布較均勻，這兩者的綜合影響使過渡圓角處的應(yīng)力峰值下降，其中又以加大h的效果更為明顯。此外，加大h還使曲軸剛度提高。因此適當(dāng)加大h而縮短主軸頸是合適的，宜盡量把曲柄臂名義斷面的抗彎截面模數(shù)做得和曲柄銷一樣大。V型機(jī)因曲柄銷并列兩個(gè)連桿，h相對(duì)較小，就得用較大的軸頸重疊度和較大的圓角半徑ρ來彌補(bǔ)。多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的各曲柄臂同一厚度，但氣缸夾角為90°的V型8缸機(jī)和6缸機(jī)為布置平衡重，其第一個(gè)和最后一個(gè)曲柄臂比中間各曲柄臂厚。
　　⑦曲柄臂以凸肩接主軸頸和曲柄銷。凸肩的厚度δ根據(jù)曲軸加工工藝決定。全加工曲軸的δ只有0.5—1mm，絕大多數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是這樣的。少數(shù)小型發(fā)動(dòng)機(jī)為降***造成本不加工曲柄臂，其凸肩厚度就要取4mm左右。
　　曲柄銷和主軸頸至曲柄臂凸肩的過渡圓角對(duì)應(yīng)力集中程度影響最大，加大圓角半徑p可使圓角應(yīng)力峰值降低，故P宜取大，至少不能小于0.05d2或2.5mm。

3若干結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

(1)曲柄臂和平衡重
　　實(shí)驗(yàn)表明，橢圓形曲柄臂的應(yīng)力分布情況最有利。曲柄臂外側(cè)上端通常做出大倒角以減重，但是當(dāng)軸頸空心時(shí)倒角要控制，避免因軸頸內(nèi)孔與曲柄臂倒角相交而出現(xiàn)銳邊，引起應(yīng)力集中。
　　不少曲軸的曲柄臂上帶有平衡重。平衡重可以和曲柄臂鍛為一體或鑄為一體，也可以制成單個(gè)的平衡重用柔性螺釘固緊在曲柄上(見圖12—9，(b))。前一種結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本較低，但平衡重在厚度上受限制，有可能需要在直徑方向加大尺寸而使連桿加長，發(fā)動(dòng)機(jī)高度增加。后一種結(jié)構(gòu)則能充分利用曲柄臂與連桿之間的空間將平衡重加厚，因而不限制采用短連桿，只是必需確保連接的可靠性，其固緊螺釘在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按30％的超速來考慮。
　　曲軸和平衡重一起進(jìn)行動(dòng)平衡，二者間的定位關(guān)系不允許變動(dòng)，可用與固定螺釘同軸的定位套筒，或用止口定位。也可用圖12—9(a)中所示的燕尾槽加夾緊螺栓的方法連接。這種夾緊螺栓不受平衡重離心力作用，更加可靠。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)平衡重的切向慣性力由定位套筒、止口或燕尾槽承受。
　　為了能以盡量小的平衡重質(zhì)量獲得所需的離心力，應(yīng)使平衡重質(zhì)心盡可能離曲軸軸線遠(yuǎn)一些，因此要盡量把平衡重做成扇形圓環(huán)狀。
　　(2)軸頸過渡圓角
　　P越大對(duì)曲軸強(qiáng)度越有利。但P大則軸頸的有效承壓長度減小。換句話說，如果軸承的承載能力限定了軸頸有效長度不能減小，則P的加大就會(huì)增加曲軸長度。為解決這一問題，出現(xiàn)了內(nèi)凹圓角，如圖12—l0(a)所示。圖12—10(b)為普通圓角。這兩種過渡圓角相比，普通圓角容易加工，約便宜5％�？墒窃谙嗤妮S承載荷下，用雙圓弧內(nèi)凹圓角曲軸的柴油機(jī)長度要比用普通圓角曲軸短3％—4％。在相同的氣缸中心距的情況下，采用雙圓弧內(nèi)凹圓角的曲鈉比采用普通圓角的允許發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度更高。
　　(3)軸頸內(nèi)孔
　　不少發(fā)動(dòng)機(jī)把曲軸軸頸做成空心的，可以減輕曲軸重量，其中曲柄銷空心還可以減輕主軸承的慣性載荷，減小曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
　　主軸頸空心度d1′/d1對(duì)于過渡圓角處應(yīng)力的影響見圖12—11。隨著d1′/d1的增大，主軸頸過渡圓角處的彎曲應(yīng)力峰值σ1max增大，而曲柄銷過渡圓角處的彎曲應(yīng)力峰值σ2max則下降且出現(xiàn)應(yīng)力峰值向曲拐平面兩側(cè)轉(zhuǎn)移，但d1′/d1大過一定值以后，σ2max還會(huì)上升。曲柄銷空心度d2′/d2的影響與d1′/d1相反，其增大使σ2max上升，而σ1max下降。
　　曲柄銷中的內(nèi)孔往往做成偏心的，見圖12—12，這不僅可以增加減重效果，而且適當(dāng)?shù)钠?e＝(0.03—0.08)d2)還可使主軸頸過渡圓角處的應(yīng)力集中峰值降低。安排偏心內(nèi)孔時(shí)要注意：
　　①內(nèi)孔至曲柄銷表面的最小距離s不要小12mm。
　�、谄目字林鬏S頸的距離l1有一最佳值l′1，可根據(jù)?/d2按圖12—13確定。主軸頸中的內(nèi)孔不偏心，但也有一個(gè)至曲柄銷的最佳邊距l(xiāng)′2，也可據(jù)?/dl按此圖確定。
　　鑄鐵曲軸不難做出軸頸內(nèi)孔，包括最理想的鼓形中空孔。模鍛軸要加工成空心軸頸比較困難，尤其是中間曲拐。鑒于裝在曲軸尾端的飛輪可能產(chǎn)生振擺而使最后一個(gè)曲柄銷圓角產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，至少宜將最后一個(gè)主軸頸加工成中空的。
　　(4)曲軸中的潤滑油道
　　采用滑動(dòng)軸承的發(fā)動(dòng)機(jī)，通常是由橫貫機(jī)體的縱向主油道和各分支油道供油到各主軸承上半部，再經(jīng)過曲軸中由主軸頸到曲柄銷的油道供油給連桿軸承。在確定主軸頸上油道入口和曲柄銷上油道出口位置時(shí)，既要考慮到有利于供油，又要使油孔對(duì)軸頸強(qiáng)度的影響最小。就供油來說，曲柄銷上的油孔只要安排在曲拐平面的旋轉(zhuǎn)前方在θ＝40°—90°低負(fù)荷區(qū)范圍內(nèi)(見圖12—14)都可算是合理的。就強(qiáng)度來說，油孔開在θ＝90°處(見圖12—14，(a))最好。因?yàn)樵诖怪庇谇盏闹行拿鎯?nèi)曲柄銷的彎矩較小，油孔處名義應(yīng)力較低，也就不會(huì)有很大的應(yīng)力集中峰值。主軸頸上有時(shí)開一通孔(圖12—14，(a)，(c))，相應(yīng)地主軸承上瓦中央開有—個(gè)油槽，任何曲軸轉(zhuǎn)角位置都可向連桿軸承順暢地供油。
　　油道不能離軸頸過渡圓角太近。油孔直徑一般不大于0.1d2，但最小不得小于5mm�？卓诓粦�(yīng)有尖角銳邊，而應(yīng)有不小于0.04d2的圓角以減緩應(yīng)力集中。當(dāng)油道與軸頸傾斜相交時(shí)尤應(yīng)注意尖角處理�？卓趫A角應(yīng)拋光。
　　(5)曲軸的首段和尼段
　　曲軸第一主軸頸之前的部分是其首段，最后一道主軸頸之后是其尾段。首段的扭振振幅大，六缸以上發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸首段一般都裝有扭振減振器。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的各種輔助裝置，如機(jī)油泵(柴油機(jī))、冷卻水泵和風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)等，一般也都出安裝在曲軸首段的齒輪或皮帶輪驅(qū)動(dòng)。多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸首段還裝有驅(qū)動(dòng)配氣凸輪軸和柴油機(jī)噴油泵的正時(shí)齒輪〔或鏈輪)。
　　由于曲軸首段只受不大的附件傳動(dòng)阻力矩和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的力的作用，尾段則要輸出發(fā)動(dòng)機(jī)總轉(zhuǎn)矩，而且扭振附加應(yīng)力又是尾段最大，所以尾段比首段粗，尾段長度也要盡量縮短。把正時(shí)齒輪安排在曲軸首段的主要好處就是可采用較小直徑的正時(shí)齒輪，使整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，拆裝也方便，同時(shí)曲軸尾段短，機(jī)體結(jié)構(gòu)簡單。但是，首段扭振振幅大，容易造成齒輪損壞。因此也有一些大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)把正時(shí)齒輪裝在尾段。
　　裝飛輪的曲軸尾段凸緣的幾種結(jié)構(gòu)方案見圖12—15。當(dāng)正時(shí)齒輪在首段時(shí)，尾段凸緣可緊靠最后一道主軸頸(圖12—15，(a))，否則尾段凸緣與主軸頸間要插入一個(gè)正時(shí)齒輪。如果齒輪熱壓配合在軸上，則由于齒輪直徑不能過大，裝飛輪的凸緣直徑就得減小(圖12—15，(b))，如果這樣做不符合傳遞扭矩的要求，還可以把裝飛輪的凸緣熱壓配在曲軸上(圖12—15，(c))。
　　飛輪和曲軸一起動(dòng)平衡。為保證拆卸后恢復(fù)原裝配位置，必須用不均布的螺栓連接或用定位銷定位。無論是計(jì)算裝飛輪凸緣的熱壓連接還是飛輪螺栓都按純摩擦連接考慮，摩擦系數(shù)取為0.17，這樣做偏于安全。
　　首段和尾段上與橡膠骨架油封配合的表面必須淬硬磨光。表面線速度不要超過22m/s。
　　(6)曲軸的定位
　　為了防止曲軸產(chǎn)生軸向位移，在曲軸與機(jī)體之間需設(shè)置一個(gè)止推軸承，以承受斜齒輪的軸向分力和踩離合器所產(chǎn)生的軸向推力。多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)將止推軸承設(shè)置在中央主軸承的兩側(cè)或后主軸承的兩側(cè)，也有的發(fā)動(dòng)機(jī)用第一主軸承的兩側(cè)軸向定位。止推軸承間隙多為0.05—0.2mm。