曲轴飞轮设计毕业设计说明书

第一章前言

此设计的机器是392柴油机，这种柴油机多用于农用车和轻型轿车。此机为直列四冲程，水冷直喷柴油机，吸气方式为自然吸气，12小时标定功率为22KW（2400r/min），燃油消耗率须低于242g/(kw *h)。从目前的轻型轿车和农用车市场看，柴油机是一个发展趋势，由于用户对汽车动力性的可靠性及排放法规的限制，柴油机在市场上的地位在不断护大，三缸柴油机是农用车和轻型轿车的首选，功率足，体积小，可以满足用户的需求。从研究角度来说，三缸柴油机既有多缸机的结构复杂特点，又有单缸机的结构紧凑特点，研究三缸机的题既可以解决多缸机上的一些问题也可以解决单缸机的问题。从多方面讲三缸柴油机是很有研究和设计价值的。

我设计的题目是曲轴飞轮组。曲轴是内燃机最主要的部件之一。它的尺寸参数在很大程度上决定并影响着内燃机的整体尺寸和重量，内燃机的可靠性和寿命也在很大程度上取决于曲轴的强度。因此，设计新型内燃机或老产品进行改造时必须对曲轴强度进行严格的安全校核[1]。近年来随着发动机动力性和可靠性要求援不断提高，曲轴的工作条件越来越不好，曲轴的强度问题也越来越复杂。对曲轴强调确定的方法有两种：试验研究和分析计算[2]。此外，曲轴的平衡也是曲轴设计时的一个重要问题，既要满足平衡又要减小平衡重质量。

飞轮主要有以下作用：1、储存动能,使曲轴转速均匀;2、驱动辅助装置;3、正时调整角度用。飞轮的设计原则是，的质量尽可能小的前提下具有足够的转动惯量，因而轮缘常做的宽厚。在进行曲轴飞轮组设计时曲轴的强度、平衡、飞轮的平衡都是需要注意的问题，其中曲轴的强度是较困难的，需发在低成本的情况下，用普通材料合理进设计结构和工艺，使曲轴满足强度要求。曲轴飞轮组是发动机正常工作的保证，对其进行研究，进行合理地设计，可以满足现代发动机的要求。

第二章总体设计方案

2.1内燃机设计要求

内燃机设计是一项复杂的工作，它的许多零件是在经受高温，高应力和剧烈磨擦的苛刻条件下工作的。这就使设计人员必须掌握相当宽广的有关理论与技术知识才能正确的进行设计。我们设计的目的是为了应用于实际，因此，我们在设计的时候，首先要根据实际需要来确定设计的目的和要求。

1．功率和转速作为动力机械，使用者对内燃机第一位的要求是应该能够在规定转速下发出所要求的功率。转速和功率的具体数值是根据用途来确定的，它在设计中一般会给出，要求设计者能够按要求设计产品。在本次设计中，给定的功率为12小时功率20kw，转速为2400r/min。

2．内燃机的经济性内燃机的经济性包括：内燃机的使用价值应该尽量大，而为使用内燃机所必须付出的代价应尽量小。这是设计人员应该争取的重要目标之一。给定的燃油耗率不大于242g/(kW*h)。

3.高的工作可靠性和足够的使用寿命。现代内燃机寿命指标较先进的的大致为：运输用汽车内燃机30—60万公里；

拖拉机及农用内燃机6000---10000小时

工程机械用内燃机10000—28000小时

4．内燃机外廓尺寸的紧凑和质量在许多中动力装置中，为了能有更多的有用空间，希望内燃机本身占用的空间缩至最小，即要求内燃机的设计紧凑，空间占用小，内燃机的质量就小，质量小是我们追求的目标。质量小在某种程度上表明所耗用的金属质量少。

5．内燃机设计的三化问题所谓三化，指产品系列化，零部件的通用化和设计的标准化。

6．内燃机的可靠性及其它工作可靠是内燃机应该具有的起码性能，否则其它性能将无从谈起。

2.2内燃机的主要参数

一、气缸数与缸径

压缩点火式内燃机，由于燃烧过程的特点，汽缸直径不能过小，一般以不小于85mm 为宜。内燃机的缸径应符合系列型谱的规定，其尾数应该取整数，优先选用0和5。给定设计项目为392柴油机设计，则气缸数为3，缸径为92。

二、活塞平均速度

活塞平均速度Cm 表征柴油机高速性和强化程度的一项主要指标，对柴油机总体设计和主要零件结构形式影响很大。活塞平均速度

计算公式：

30S n

Cm ?=。在功率给定以后，若平均有效压力、活塞行程的缸数维持不变，提高活塞平均速度可使气缸直径减小，柴油机体积小、重量轻。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，使运动件的惯性力增大，同时活塞，缸套和气缸盖的热负荷也相应增加。

2）提高活塞平均使柴油机零件的磨损加快，缩短了柴油机大修期。

3）活塞平均速度的提高，使摩擦功率损失增加，机械效率降低，燃油消耗率升高。

4）进排气阻力随活塞平均速度的提高而增加，使充气效率降低。随着活塞平均速度的提高，柴油机的平衡、振动和噪声等问题突出出来。一般柴油机总哭声强度约与转速的三次方成正比。

三、平均有效压力

平均有效压力是表征柴油机强化程度的重要指标之一,可由下式求得：

30m Sn

C =

式中Pr 为平均摩擦损失压力。

提高Pe 值可使功率增加比重量下降。然而机械负荷和热负荷也

随之提高，影响柴油机的可靠性和寿命。同时，对排气的有害成分、噪声、振动等都有不利影响。提高充气系数，改善工作过程，减少机械损失与热损失，是提高Pe值的主要措施，但是非增压柴油机Pe 值的提高是有限的。最有效的措施是采用增压或增压加中冷系统。在选定柴油机的的Pe值时一定要慎重。在进行设计是，它应根据同类型发动机的实际数据来初步选定，在本次设计中，初步选定Pme=0.52兆帕。

四、行程及其与缸径的比值

行程与缸径比S/D是对柴油机结构和性能有重大影响的参数，在气缸直径和活塞平均速度确定之后，就合理的选择S/D。并考虑以下因素：

1）选用较小的S/D，可减小柴油机的高度宽度和质量。

2）小的S/D可以缩小行程S，加大曲轴的连杆轴颈和主轴颈重叠度，提高曲轴的弯曲和扭转刚度，以及疲劳强度。

3）当S/D减小时,柴油机的转速可增加,提高了柴油机的升功率,但增加了运动件的惯性力和柴油机的噪声。

4)S/D比值过小，特别是直喷式燃烧室的柴油机，为保持一定的压缩比ε以及燃烧室容积与压缩容积之比值（Vh/Va）,必将使活塞与气缸盖之间需要更小的间隙，这就增加制造上的困难如间隙不能保证，将使发动机各项性能指标难以达到。

5）选择风冷柴油机的S/D时，应考虑缸套的散热睡布置。

此次设计的S/D值为1.14。

五、气缸中心距及其与缸径的比值

气缸中心距及其与缸径的比值，是表征柴油机长度的紧凑性和重量指标的重要参数，它与柴油机的强化程度、气缸排列和机体一的刚度有关。缸心距的大小主要取决于气缸盖型式（整体式、块状式或单体式）、气缸套型式（干式或湿式）、直列式还是V型、水冷还是风冷、以曲轴的结构型式和尺寸分配。本设计中气缸中心距L为118mm。

六、压缩比压缩比直接影响柴油机的性能、机械负荷、超支性能，以及主要零件的结构尺寸。在一定范围内，柴油机的热效率随压缩比的增加而提高。增大压缩比也可使柴油机的起动性能获得改善。但压

缩比的提高将使气缸最高爆发压力相应上升，机械负荷增加对柴油机使用寿命有影响。此次设计中压缩比ε初步定为18。

2.3内燃机的设计方法和在设计中应注意的问题

内燃机是一个结构复杂，布置紧凑的机器。它有许多零件组成，各个零件之间不但必须以一定的配合关系联系成一个整体，而且必须在作相对运动的过程中互不干涉。因此，在设计每一个零件时，必须把它看作是整个内燃机的一部分。并注意该零件与其它零件之间的关系。考虑到这一特点，通常内燃机的技术设计要按一定的程序进行，即先从内燃机的全局出发确定出各个局部结构的轮廓尺寸，再根据给定的轮廓尺寸设计各零部件的细节，然后再将各个局部汇合在一起，从总体结构上审查各个局部的设计是否正确。通常这个设计程序分三个阶段：草图设计、工作图设计和绘制装配图。

在设计内燃机的过程中需要确定出主要零件的结构，尺寸和材料。在这里考虑问题的主要出发点是保证由这些零件组成的内燃机能够有效的实现将燃料中的热能转化成机械功的过程。这就必须使零件的结构，尺寸和所用材料适应工作过程的需要。除此之外，还要考虑另一方面的问题，这就是：

1．受力问题

零件在工作过程中要承受机械负荷的作用，在力的作用下零件将产生机械应力和变形。机械应力超过一定的限度时零件将发生断裂性的破坏，变形超过一定的限度时零件之间的相互配合关系将被破坏。所有这些都使零件失去工作能力。因此，在设计每一个零件时都要充分了解该零件在工作过程中所受力的大小和力的作用情况。在本次设计中，充分的考虑了这个问题，在必要时进行了力的校核计算。

2．磨损问题

内燃机的许多零件在力的作用下相互摩擦运动，如活塞与汽缸壁，轴颈与轴承等。本次设计中比较注意零件的磨损问题，对受到磨损的部位注意正确地供给润滑油和采取其它措施来延长零件的使用

寿命。

3．热负荷问题

内燃机的许多零件，如活塞，汽缸和汽缸盖等在工作中要与高温气体相接触，在此情况下零件被破坏。本次设计为水冷柴油机，在必要处都布置有冷却水道或利用润滑油进行冷却散热[5]。

上面这三个问题是在内燃机的过程中经常遇到并必须注意解决的问题,总括起来说就是:零件必须有足够的强度和刚度,以便能够随力的作用必须注意减小零件的磨损和提高耐磨性,以便行长零件的使用寿命;必须澺零件的热强度、热变形与热应力的问题以便使零件能够然高温条件下可靠工作。

第三章曲轴零件的设计

曲轴是发动机最重要的机件之一。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。随着发动机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻，因此，曲轴的强度和刚度问题就变的更加严重，在设计曲轴时必须正确的选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果[6]。

3.1曲轴的设计步骤

1．根据柴油机的用途，强化程度，生产批量，缸心距及活塞行程等参数，选择适当的曲轴材料，结构形式，毛坯制造方法及必要的强化工艺。

2．依据柴油机相似原则以及设计者的经验，初步决定曲柄销，主轴颈和曲柄臂的尺寸。

3．根据柴油机冲程数，汽缸数目和排列方式，发火顺序，从保证扭矩均匀，平衡性良好，主轴承负荷不要过大等原则出发确定曲柄排列。

曲轴计算：初步决定曲轴尺寸后，需对曲轴进行平衡性计算和曲轴疲劳强度计算，以验证所设计曲轴是否满足前述各项设计要求。

根据上述计算结果，决定是否需要修改设计。上述程序反复进行后。确定曲轴的尺寸，平衡块的大小和布置方式，润滑油道的布置，并完成曲轴两端的设计，绘制出曲轴零件图。

3.2曲轴的结构形式及其参数的选择

一、按支撑方式分为全支撑曲轴和非全支撑曲轴。全支撑曲轴是每两个（v型发动机为两排）汽缸均设有主轴承的曲轴；而非全支撑曲轴是每隔两个（v型发动机为两排）汽缸设有一个主轴承的曲轴。由于柴油机的爆发压力较高，因而一般都采用全支撑曲轴；仅有个别小缸径柴油机为缩短缸心距，减少主轴承数，采用非全支撑曲轴。

1、整体式曲轴

整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根钢料锻造或用铸造方法浇铸出来。整体式曲轴具有工作可靠，重量轻的特点，而且刚度和强度较高加工面也比较少，中小型发动机曲轴广为采用的结构形式。本次设计就是采用的整体式曲轴。

2、组合式曲轴

组合式曲轴是把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用组合式曲轴。

（1）、圆盘式组合曲轴

这种曲轴的每个曲柄单独制造，然后用螺栓紧固联成一根完整的曲轴。圆盘式组合曲轴各曲柄相同，这使得系列产品的制造十分方便。在使用中若发现某曲轴损坏，可单独更换损坏的曲柄，而不需要报废整个曲轴。此外，由于这种曲轴各曲柄单独制造，因而不需要大型设备，机械加工简单，这种曲轴由于结构复杂，加工精度高，因而仅少数机型采用。

（2）、套合式曲轴

它的曲柄销，主轴颈，曲柄臂均分开制造，然后用红套或液压等方法连接起来。轴和孔的配合的过盈量是轴颈的 1.4‰-1.8‰为了减小应力集中，轴颈与曲柄臂相配合部分的直径加大到轴颈直径的1.05～1.1倍。目前，套合式曲轴主要应用于曲柄半径大于400～500mm的大型低速柴油机，其中半套合式曲轴应用较多。

（3）、分段式曲轴

大型曲轴由于受到加工设备的限制，往往将曲轴分段制造，然后用凸缘连接起来，这种曲轴称为分段式曲轴[7]。

本次设计的曲轴需要应用于三缸柴油机，这种小型机上多采用整体式曲轴。三缸机曲轴多用空间布置，曲拐夹角120度。具体的曲轴形式如图所示

图3-1三缸机曲轴的布置

二、曲轴参数的选择

1、曲柄销的直径D2和长度L2：

在现代发动机设计中，一般趋向于采用较大的D2值，以降低曲柄销的比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。但是，曲柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，对曲轴及轴承的工作带来不利。因为随曲柄销直径的增大带来的轴系自振频率增加，也会增加轴承摩擦功率损失，导致轴承温度升高，增加润滑油热负荷。

根据的柴油机曲轴设计的经验公式[13]，选取

曲柄销的直径dp=(0.5~0.80)D 取dp=0.72D=63mm；

曲柄销的长度lp=（0.35~0.45）D 取lp=0.43D=40mm；

2、主轴颈的直径D1和长度L1：

曲轴越长，从避免扭振损坏的角度，主轴颈应越粗，主轴颈过短，会使轴承副负荷能力变坏。

主轴颈直径dj=（0.60~0.80）D 取dj=0.73D=73mm；

主轴颈长度lj=（0.34~0.45）D 取lj=0.34D=32mm；

3、曲柄：

曲柄应选择适当的厚度，宽度以使曲轴有足够的刚度和强度。曲柄形状应合理，以改善应力的分布。

现代高速内燃机曲柄的形状大多采用椭圆形和圆形。试验证明：椭圆形曲柄具有最好的弯曲和扭转刚度。其优点是尽量去掉了受力小或不受力的部分，其重量减轻，应力分布均匀。

曲柄臂厚度h=（0.2~0.3）D 取h=0.28=23mm；

曲柄臂宽度b=（0.9~1.3）D 取b=0.9D=83mm；

4、曲轴圆角：

曲轴主轴颈和曲柄臂连接的圆角称为主轴颈圆角，曲柄销和曲柄臂连接的圆角称为曲柄销圆角。

由于曲柄销圆角和主轴颈圆角是曲轴应力最大的部位，且应力沿圆角轮廓分布也极不均匀，故圆角的轮廓设计十分重要。

曲轴圆角半径r应足够大，一般r/D=0.045，圆角半径过小会使应力集中严重。为了增大曲轴圆角半径，且不轴颈有效工作长度，可采用沉割圆角。曲轴圆角也可由半径不同的二圆弧和三圆弧组成。当各段圆弧半径选择适当时可提高曲轴疲劳强度，增加轴颈有效承载长度。

本次设计遵循以上原则，选取圆角半径R=4mm

3.3润滑油道

轴承的工作能力在很大程度上取决于润滑条件。曲轴主轴颈和曲柄销一般采用压力润滑。润滑油通常先进入主轴承再进入连杆轴承。润滑油进入主轴承有两种方式：

1、分路供油多数柴油机采用这种供油方法。润滑油由主油道直接送到各主轴

2、集中供油

主轴承采用滚动

轴承时需采用集

中供油。集中供

油多采用所谓假

轴承结构。假轴

承上也浇有一层

轴承合金。润滑

油从假轴承通过

轴颈上的油孔进

入曲轴内腔。

确定主轴颈

和曲柄销上油孔

定位时，既要考

虑到润滑和轴瓦的冷却，又要对轴颈强度削弱最小。从保证润滑考虑，

希望主轴颈油孔开在最大轴颈压力作用线方向。曲柄销油孔开在压力

最小的地方，以保证连杆轴承供油充足。曲柄销最小负荷通常位于曲

柄销平面以曲柄销轴心为中心向着曲轴旋转方向导前γ角的地方，γ角可由轴心轨迹图求出。从强度观点考虑，油孔不应位于曲柄平面内而应在曲柄垂直平面内。因为在曲柄垂直平面内，曲柄销表面弯曲应力和扭转切应力都比较小。因此应兼顾上述两项要求来确定油孔的位置，同时还应考虑曲轴结构和钻孔的工艺性。

为了减小应力集中，油孔出口应到角，抛光。由于合金钢应力集

中敏感性大，因而一些合金钢曲轴油孔的内表面也应抛光。

图3-2为此次设计油道的布置方案

3.4曲轴平衡块

平衡块用来平衡曲轴不平衡的离心惯性力和离心惯性力矩。随着柴油机转速的提高，多数离心惯性力和离心惯性力矩已自行平衡的曲轴也配置平衡块，这主要是为了减轻主轴承的最大负荷，保证轴承有良好的润滑条件，减小曲轴和曲轴箱所受的离心惯性力矩。但曲轴配置平衡块后，重量增加，制造工艺复杂，曲轴系统扭转振动自振频率降低。因此，应根据转速，曲轴结构，曲柄排列，轴承负荷以及对平衡的要求等因素综合考虑是否配置平衡块。一般低速柴油机不需要配置平衡块，高度柴油机则需要配置平衡块。平衡方案的选择，平衡块重量的计算与布置，应该仔细考虑。

平衡块的重心应尽量远离曲轴中心线，以提高平衡效果。但平衡块一般不超过曲轴旋转所扫过的范围。平衡块厚度一般与曲柄臂相同。

3.5曲轴的轴向定位

为防止曲轴的轴向定位，保证工作正常，曲轴需设有轴向定位。中高速柴油机的曲轴通常用止推片或止推轴瓦做止推轴承。大多数柴油机把止推轴承设在输出端，这样当曲轴受热伸长时离合器的间隙可保持不变。但装在曲轴自由端的正时齿轮会产生一些位移。在一些柴油机中由于中央主轴承的负荷大而增加其长度，并用它作止推轴承。

3.6曲轴的端部结构

曲轴的两端分别为自由端和输出端。大多数柴油机的机油泵，水泵等辅助装置的驱动齿轮以及曲轴的扭转减振器均安装在自由端。飞轮装于输出端，柴油机产生的功率经输出端输出，但在某些工程机械或农用柴油机上，曲轴自由端也可输出部分乃至全部功率。

驱动配气机构和喷油泵的曲轴正时齿轮布置于自由端或输出端。当曲轴正时齿轮布置在输出端时，可将正时齿轮直接制造在曲轴上。

曲轴输出端一般借法兰通过定位销和螺栓来安装飞轮。为提高曲轴的扭转刚度，最后一道主轴承至曲轴法兰的轴段应尽量短粗，甚至其直径和曲轴法兰相同，这样也便于套装油封。

曲轴法兰的大小应根据主轴承直径及油封装置来决定。飞轮紧固螺栓分布的圆周直径，最好使螺栓孔位于主轴颈之外，并能让开主轴颈到法兰的过度圆角[8]。

第四章 曲轴的平衡分析

4.1曲轴的平衡性分析

对曲曲轴轴平衡性的分析可以采用两种方法,矢量图法和数学分析法,此次设计中我采用的是数学分析法:

(1)分析

()()2P

cos cos 1202cos 1200rv r m R ωααα=-++??++?=????∑ ()()2sin sin 1202sin 1200rH r P m R ωααα=-++??++?=????∑

0rv P =

=∑ 因为

()120c o s q j I j i i P m R ωαθ-==-+∑∑ 所以0jI P =∑

()()2cos 2cos 2120cos 212020

j j P m R λωααα∏=-++?++??=????∑

取通过第二气缸中心线且垂直于曲轴中心线的平面为力矩的计算基准平面。

()22003cos cos 1202cos 2rv r r M m R L m R L ωααωαα??=--+??=-?? ??? ???∑

()22003sin sin 1202sin 2rH r r M m R L m R L ωααωαα??=--+??=-+?? ??? ???∑

20r r M R L ω==∑

令203sin 02rv r dM m R L d ωαα??=--= ? ???

得30α=?即2max 0r r M R L ω=∑

因为rv M ∑和jI M ∑的公式形态一样

所

以2I m 0j a x j M R L ω=∑

可知30r ?=-?，130?=-?

(

)22003cos 2cos 21202cos 222

j j j M m R L m R L λωααλωαα∏??=-++??=-?? ??? ???∑

令()203sin 220j j d M m R L d λωααα∏

=--=∑∑

得2α=30°

即230?=?

，2

max 0j j M m R L ω∏=∑

由上得知一、二级往复惯性力矩的正、反转矢量

11jI M A B ''''=+∑

)()12101

2i j A R L e α?ω+''=

)()

12

1012i j B R L e α?ω-+''=

22j M A B ∏''''=+∑

)()222

2012i j A m R L e α?ω+''=

)()

222201

2i j B m R L e α?ω-+''=

max

jI M '∑max

jI M ∑