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1、 第五章 曲轴飞轮组设计 1 曲轴的工作条件和设计要求曲轴的破坏主要发生在哪些部位 答工作条件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矩( 扭矩和弯矩) 共同作用下工作的使曲轴既扭转又弯曲产生疲劳应力状态。 设计要求要使曲轴具有足够的疲劳强度设法强化应力集中部位缓和应力集中现象用局部强化的方法解决曲轴强度不足的矛盾要使曲轴各摩擦表面耐磨各轴颈具有足够的承压面积同时给 予 尽 可 能 好 的 工 作 条 件 应 保 证 曲 轴 有 尽 可 能 高 的 弯 曲 刚 度 和 扭 转 刚 度 曲 轴 应 有 轻 的 结 构 质量注重材料和加工工艺 哪些部位疲劳裂纹发生于
2、应力集中最严重的过渡圆角和油孔处弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到轴颈上基本上成 4 5 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 4 5 剪断曲柄销磨料磨损发生在轴颈表面 2 曲轴的主要结构尺寸及设计要求 答曲柄销的直径 D2 和长度 l 2 一般趋向于采用较大的 D2 值以降低曲柄销比压提高连杆轴承工作可靠性和曲轴刚度但 D2 过大使不平衡离心力增大对曲轴工作不力。汽油机 D2/ D 比柴油机小V 型发动机的 D2/ D 较小曲柄销的长度 l 2 是在选定 D2 的基础上考虑的。在薄油膜的条件下l 2/ D2= 0 . 4 左右有最大的承载能力为提高曲轴的刚度l 2
3、/ D2 也有下降的趋势最后由 F2= 0 . 0 1 D2l 2和 F= D / 4 0 0 之比来校核。主轴颈的直径 D1 和长度 l 1为了最大限度地加强曲轴的刚度加粗主轴颈是有好处的但不可过粗建议取 D1= ( 1 . 0 5 1 . 2 5 ) D2 。主轴颈的长度一般比曲柄销的长度短但不能过短滑动轴承最小宽度不能小于 0 . 3 倍轴颈。曲柄曲柄应选择适当的厚度 h 、宽度 b 以使曲轴有足够的刚度和强度抗弯断面模数 W= b h / 6 为提高曲柄的抗弯能力增加曲柄的厚度 h要比增加曲柄的宽度要好得多增加 h 要以缩短轴颈长度为代价可见 h 的增加受到限制。平衡重设计平衡重时应尽
4、可能使平衡重的重心远离曲轴旋转中心。油孔的位置和尺寸最大应力值还与油道倾斜角 有关当 3 0 时最大应力增加很快因此 应小于 3 0 其次可把油孔从主轴颈钻至曲轴销中部然后在以直孔接通。曲柄销油孔多数选择在曲轴平面运转前方 = 4 5 9 0 的范围内当油孔在 = 9 0 的水平位置时具有很多优点切应力最小加工方便。曲轴两端的结构曲轴上带动辅助系统的驱动齿轮和皮革轮一般装在曲轴的前端。减振器应装在曲轴前端曲轴后端设有法兰或加粗的轴颈飞轮与后端用螺栓和定位销连接。曲轴的止推在曲轴与机体之间设置治推轴承止推轴承只能设置一个曲轴轴向间隙应保持 a= 0 . 0 5 0 . 2 毫米。曲轴的油封装置反
5、油螺栓与机体的间隙为 0 . 2 5 0 . 3 0 毫米。 3 圆角形状系数定义及其对曲轴工作的影响 答形状系数表示圆角半径上最大实测应力与根据曲轴结构尺寸和载荷计算的名义应力之比。 ( 一) 圆角弯曲形状系数在曲轴平面内受纯弯矩时其圆角弯曲形状系数 等于圆角表面最大主应力 max 与圆角名义应力之比=max/ n = 0f 1f 2f 3f 4f 5 其对曲轴工作的影响 0标准曲轴的弯曲形状系数增大圆角半径 R 可使圆角处局部应力峰值下降较大的圆角半径使曲轴的强度提高又由 W= b h / 6 可知当曲柄的厚度 h 增大时其 W 成平方关系增长从而大大提高曲柄的抗弯能力使圆角处应力分布趋于
6、平均。 f 1轴颈重叠度影响系数A= ( D1+ D2) / 2 - r = 0 . 5 ( D1+ D2- S ) 毫米当 A 0 时由于曲柄实际厚度增加使抗弯断面系数大于无重叠时的断面系数曲柄刚度亦相应增加截面变化比较缓和改善了应力集中现象。 f 2曲柄宽度影响系数W= b h / 6 随曲柄加宽曲柄抗弯断面系数 W 相应增加曲柄越宽增加强度效果越小。随着 b 、h 的增大可以不同程度地缓和应力集中现象圆角最大应力有所下降。 f 3曲柄销空心度影响系数当主轴颈采用空心结构后随空心度的增加曲柄销圆角最大弯曲应力下降但空心度过大对改善应力集中现象并无好处 f 4轴颈减重孔偏心距 e 的影响系数
7、当轴颈的空心度 d / D 较大时偏心距 e 的影响较大。 f 5与圆角链接的曲柄销中减重孔至主轴颈的距离 L 的影响系数对于一定重叠度的曲轴存在 一最佳的边距 L * 当 L = L * 时使 2max 有最小值。 ( 二) 圆角扭转形状系数曲轴圆角扭转形状系数 等于圆角表面最大切应力 max 与轴颈名义应力 n之比= max/ n = 012345 其对曲轴工作的影响 0轴线对称之阶梯轴的扭转形状系数该阶梯轴的 R/ d d / d 与所求曲轴相同相连轴段直径比D/ d = 2 。以下各参数对 的影响大致与 相同1曲柄宽度影响系数2曲柄厚度影响系数3轴颈重叠度影响系数4轴颈空心偏心距 e
8、的影响系数5轴颈中鼓形减重孔影响系数。 影响由于形状系数 是在静载荷作用下的应力测定实验中求得的它只反映了曲轴结构参数对曲轴在静载作用下产生的圆角最大应力的影响。曲轴这种应力局部增高的现象通常用形状系数来描述。形状系数表示圆角半径上最大实测应力与根据曲轴结构尺寸和载荷计算的名义应力之比。因此求取形状系数的目的就是为了计算出曲轴的最大工作应力。 4 提高曲轴强度的结构措施及工艺措施 答结构措施加大轴颈重叠度。采用短行程是增加重叠度的有效方法它比通过加大主轴颈来增加重叠度的作用大。轴颈重叠系数 = ( D1+ D2) / S 。加大过渡圆角。为了能增加半径 R 同时保证轴颈的有效承压长度可采用曲轴
9、沉割圆角。一般 R/ D= 0 . 0 5 0 . 0 7 当 R 0 . 0 7 D 时随 R 的增加使应力集中减少已不明显。采用空心轴颈。若以提高曲轴弯曲强度为主要目标采用主轴颈为空心的半空心结构就行了。若要同时减轻曲轴的重量和减小曲柄销的离心力从而降低主轴承负荷则宜采用全空心结构。一般空心度 d / D= 0 . 4 左右效果最好。卸载槽。适当地选择槽的形状边距 L 、槽深 1 、圆角 R 及张角 在相同载荷条件下可使曲柄销圆角最大应力 2max 值有所降低如把空心和卸载结合起来就能得到较佳曲拐结构。 工艺措施圆角滚压强化。圆角滚压强化能提高疲劳强度采用曲轴全部轴颈滚压的方法可减少曲轴变
10、形使曲轴主轴颈的摆差在滚压后保证在允许范围内。轴颈和圆角表面同时进行淬火。为了提高曲轴颈表面的耐磨性一般都用高周波电流感应加热的方法进行表面淬火。采用专门的工艺措施把圆角部分也一起淬硬不仅提高耐磨性而且使曲轴疲劳强度提高 3 0 5 0 % 。喷丸强化。它与滚压强化方法一样亦属于利用冷作变形在金属表面上留下压应力而且使表面硬度提高从而提高曲轴疲劳强度的方法。氮化处理。氮化处理是一种化学热处理强化金属表面的方法。氮化处理后由于氮的扩散作用在曲轴表面形成一层由氮化铁及碳化铁组成的化合层它有极高的耐磨性并且抗咬合、耐腐蚀。 5 设置飞轮的必要性扭转不均匀系数发动机运转不均匀系数 必要性在气缸数目已定
11、的情况下要减小曲轴回转不均匀性就必须加大转动惯量这就是装置飞轮的主要目的。当输出扭矩大于阻力矩时飞轮就将多余的功吸收而使转速略增当阻力矩大于输出扭矩时飞轮则将其储存的能量放出此时飞轮的动能减小而发动机转速略减。可见飞轮是一种动能储存器它起着调节曲轴转速变化稳定转速的作用。 用扭矩不均匀系数 来判断发动机合成扭矩的均匀程度 = ( Mmax- Mmi n) / ( M) m式中 Mmax 为输出扭矩曲线的最大值Mmi n 为输出扭矩曲线的最小值( M) m 为输出扭矩曲线的平均值。 = ( max- mi n) / m 2 ( max- mi n) / ( max+ mi n) 称为发动机的运转
12、不均匀系数或称变速率。m 为平均角速度max 与 mi n 为最大和最小曲轴角速度。 第六章 连杆组设计 1 连杆的工作条件和设计要求大小头载荷的构成分布及危险截面 答 工作条件连杆小头与活塞销一起作往复运动连杆大头和曲轴一起作旋转运动。连杆体既有上下运动还有左右摆动作复杂的平面运动。连杆的基本载荷是拉伸和压缩。最大拉伸载荷出现在进气冲程开始的上止点附近最大压缩载荷出现在膨胀冲程开始的上止点附近。由于细长杆件附加有弯曲应力和弯矩。 设计要求连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷因此在设计中首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构刚度。对强化程度不高的发动机来说刚度比强度更重要 。为了在尽
13、可 能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度必须选用高强度的材料合理的结构形状和尺寸采取提高强度的工艺措施等。 小头载荷构成分布 ( a ) 衬套过盈装配及温升产生的小头应力外表面 ao= 2 p d / ( D1 - d ) 内表面 i o= p ( D1 + d ) / ( D1 - d ) 。 ( b ) 由拉伸载荷所引起的小头应力拉伸载荷 Pj 在小头上半圆周产生的均布径向载荷 p = Pj / 2 B1r mB1、r m 各为小头宽度及平均半径。应力分布与 角大小有关但大致趋向不变。内表面应力 i 最大值一般出现在 = 9 0 处外表面应力 a 的最大值一般出现在 = 处 增大的同时最大应
14、力值增长。 ( c ) 由压缩载荷所引起的小头应力压缩载荷中的大部分直接压在杆身上并不在小头中引起应力只有一小部分载荷使小头变形。 危险截面固定角断面 m- n 是连杆小头强度最薄弱处而且多数情况下外侧纤维上的 m 点的应力变化幅值最大因而也最危险。但有时是内侧纤维上的 n 点最危险。 大头载荷构成与分布 大头的重量产生的离心力使连杆轴承主轴承负荷增大、磨损加剧。有时为此而不得不增大平衡重。H3 过小时连杆螺栓头或螺帽的支撑面过渡圆角处易成为薄弱环节会因应力集中而成为疲劳裂纹的 发 源 地 。 斜 切 口 连 杆 当 承 受 惯 性 力 拉 伸 时 沿 连 杆 体 与 连 杆 盖 结 合 面
15、方 向 作 用 着 很 大 的 横 向 力Pt = Ps i n 使连杆螺栓承受较大剪力。平切口和斜切口的危险截面都是取在过连杆轴线的截面上。 2 连杆各部分疲劳强度安全系数计算方法 答连杆小头的疲劳强度安全系数 固定角断面 m- n 是连杆小头强度最薄弱处危险点的极限应力m 点max= ao+ aj mi n= ao+ ac n 点 max= i o+ i c mi n= i o+ i j ( 当 ij 0 ) 。 应 力 幅 a= ( max+ mi n) / 2 平 均 应 力m=( max- mi n) / 2 安全系数 n = -1z/ ( a/ + m) 其中角系数 =( 2 -1- 0) / 0。 连杆杆身的疲劳安全系数 两个平面内的安全
