柴油机曲轴设计PPT课件
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《柴油机曲轴设计》PPT课件
曲轴设计
一.曲轴设计概论 二. 曲轴结构设计 三. 曲轴疲劳强度校核 四. 提高曲轴疲劳强度的措施
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1
一. 曲轴设计概论
• 曲轴的成本大约占整机成本的十分之一，为内燃 机中最贵的零件。
• 曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳，所以保证曲 轴有足够的弯曲疲劳强度是曲轴设计的首要问题。
• 曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑 条件的要求。
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17
四. 提高曲轴疲劳强度的措施
在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度 就应设法降低应力集中；适当减小单拐中 间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀。
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18
结构措施
• 1、加大曲轴轴颈的重叠度
• 重叠度 A=(dcp+dcj)/2-r
• 重叠度系数 φ =(dcp+dcj)/S • 2、加大轴颈附近的过渡圆角 • 过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质
• 2、合金钢：在强化程度较高的发动机中采用；
• 3、球墨铸铁：在强度和刚度要求一定是，使用球 墨铸铁材料能减少制造成本，且其阻尼特性能减 小扭转振动的幅值。
• 在曲轴设计中，曲轴的结构、材料、工艺三因素 各自有独立规律，且相互影响。
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5
二. 曲轴结构设计
• 一、曲轴结构形式
• 1、整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、 刚度、强度较高、加工表面较少的特点， 中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动 轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。
• 曲轴破坏主要是弯曲疲劳破坏
• 现在曲轴强度计算绝大部分采用有限元计 算方法，且有很多现成的工程分析软件， 如ansys，pro/e，UG等。
• 有限元计算精度关键取决于如何处理曲轴 的位移约束条件、加载方式、网格划分等， 这需要详细了解曲轴的工作情况和受力状 况。
一.曲轴设计概论 二. 曲轴结构设计 三. 曲轴疲劳强度校核 四. 提高曲轴疲劳强度的措施
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1
一. 曲轴设计概论
• 曲轴的成本大约占整机成本的十分之一，为内燃 机中最贵的零件。
• 曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳，所以保证曲 轴有足够的弯曲疲劳强度是曲轴设计的首要问题。
• 曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑 条件的要求。
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四. 提高曲轴疲劳强度的措施
在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度 就应设法降低应力集中；适当减小单拐中 间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀。
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结构措施
• 1、加大曲轴轴颈的重叠度
• 重叠度 A=(dcp+dcj)/2-r
• 重叠度系数 φ =(dcp+dcj)/S • 2、加大轴颈附近的过渡圆角 • 过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质
• 2、合金钢：在强化程度较高的发动机中采用；
• 3、球墨铸铁：在强度和刚度要求一定是，使用球 墨铸铁材料能减少制造成本，且其阻尼特性能减 小扭转振动的幅值。
• 在曲轴设计中，曲轴的结构、材料、工艺三因素 各自有独立规律，且相互影响。
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二. 曲轴结构设计
• 一、曲轴结构形式
• 1、整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、 刚度、强度较高、加工表面较少的特点， 中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动 轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。
• 曲轴破坏主要是弯曲疲劳破坏
• 现在曲轴强度计算绝大部分采用有限元计 算方法，且有很多现成的工程分析软件， 如ansys，pro/e，UG等。
• 有限元计算精度关键取决于如何处理曲轴 的位移约束条件、加载方式、网格划分等， 这需要详细了解曲轴的工作情况和受力状 况。
模块二柴油机的结构和主要零部件2ppt课件(共74张PPT)
（5〕预防连杆螺栓断裂的措施
①按说明书规定的预紧力上紧。
②按工艺要求装配轴承间隙。
③不得扭伤、碰伤螺纹和螺栓。
④注意防松。
7．十字头轴承工作条件分析和提高可靠性措施
a)6ESCZ76/160型柴油机的十字头 1-十字头销；2-十字头滑块；3-十字头端盖 板；4-固定块；5-活塞杆螺母；6-十字头轴
连杆螺栓的固紧：一般用专用工具上紧，并在柴油机说明 书中明确规定了紧固时的预紧度〔一般用螺栓的伸长量、 液压拉伸器的油压、扭力扳手的扭矩或螺帽的旋转角度来 衡量，这些方法也用于其它重要螺栓预紧力的控制）。
（4〕连杆螺栓断裂的原因 ①没按照工艺要求装配，预紧力过大或过小。 ②螺纹配合过紧或过松。 ③轴承配合间隙过大产生很大的冲击载荷。 ④材料不符合要求或有缺陷。 ⑤拆装时扭伤螺纹。 连杆螺栓的断裂多发生在四冲程高速机中，主要是往复惯性 力使连杆螺栓产生了很大的交变拉应力引起的。
图 MAN B&W L-MC系列柴油机焊接式曲轴
1-自由端法兰；2-轴向减振器；3-单位曲柄；4-推力环；5-功率输出端法兰
（2〕曲轴的构造
曲轴主要由若干个单位曲柄和自由端、功率输出端，以及平衡重块 等组成。单位曲柄是曲轴的基本组成部分，由主轴颈，曲柄销和曲 柄臂组成。曲柄臂上装有平衡重块用以平衡离心惯性力。推力环用 以传递轴向推力。自由端法兰安装扭振减振器。输出端法兰用以连 接中间轴。 普通圆角：将引起轴颈有效长度的缩短。 车入式圆角：不但可增大过渡圆角半径，而且轴颈的有效工作长度 也不用缩短。
②爆炸压力影响：爆炸压力使臂距差朝正值方向变化。 4．要防“三漏”，各结合面、检修道门要密封性好。
连杆小端轴承
连0〕杆δ螺栓4．的断光裂多滑发生：在四铰冲程链高速机机构中，来主要的是往滑复惯油性力使连十杆螺字栓产头生了销很大的交变活拉应塞力引起的。曲柄箱
①按说明书规定的预紧力上紧。
②按工艺要求装配轴承间隙。
③不得扭伤、碰伤螺纹和螺栓。
④注意防松。
7．十字头轴承工作条件分析和提高可靠性措施
a)6ESCZ76/160型柴油机的十字头 1-十字头销；2-十字头滑块；3-十字头端盖 板；4-固定块；5-活塞杆螺母；6-十字头轴
连杆螺栓的固紧：一般用专用工具上紧，并在柴油机说明 书中明确规定了紧固时的预紧度〔一般用螺栓的伸长量、 液压拉伸器的油压、扭力扳手的扭矩或螺帽的旋转角度来 衡量，这些方法也用于其它重要螺栓预紧力的控制）。
（4〕连杆螺栓断裂的原因 ①没按照工艺要求装配，预紧力过大或过小。 ②螺纹配合过紧或过松。 ③轴承配合间隙过大产生很大的冲击载荷。 ④材料不符合要求或有缺陷。 ⑤拆装时扭伤螺纹。 连杆螺栓的断裂多发生在四冲程高速机中，主要是往复惯性 力使连杆螺栓产生了很大的交变拉应力引起的。
图 MAN B&W L-MC系列柴油机焊接式曲轴
1-自由端法兰；2-轴向减振器；3-单位曲柄；4-推力环；5-功率输出端法兰
（2〕曲轴的构造
曲轴主要由若干个单位曲柄和自由端、功率输出端，以及平衡重块 等组成。单位曲柄是曲轴的基本组成部分，由主轴颈，曲柄销和曲 柄臂组成。曲柄臂上装有平衡重块用以平衡离心惯性力。推力环用 以传递轴向推力。自由端法兰安装扭振减振器。输出端法兰用以连 接中间轴。 普通圆角：将引起轴颈有效长度的缩短。 车入式圆角：不但可增大过渡圆角半径，而且轴颈的有效工作长度 也不用缩短。
②爆炸压力影响：爆炸压力使臂距差朝正值方向变化。 4．要防“三漏”，各结合面、检修道门要密封性好。
连杆小端轴承
连0〕杆δ螺栓4．的断光裂多滑发生：在四铰冲程链高速机机构中，来主要的是往滑复惯油性力使连十杆螺字栓产头生了销很大的交变活拉应塞力引起的。曲柄箱
曲轴构造解析ppt课件
多层推力轴承 1-凸肩 2-油槽
3-钢质薄壁 4-基层 5-镍涂 层 6-磨耗层 7-油孔 8-卷边
精选ppt
21
1
径向轴承
轴向轴承 8
2
轴向3 轴承
4
径7 向轴承 精选ppt
65
22
8、曲轴的轴向定位
（1） 结构：
在某一道主轴承的两侧装止推片。止推片由低 碳钢背和减磨层组成。
精选ppt
23
1.单面合金止推垫圈
缺点：缸心距加大，机体加长，制造成本增加。柴油机多用全支承曲轴。
2、主轴颈数等于或少于连杆轴颈数者称为非全支承曲轴。 优缺点与全支承曲轴恰好相反。多用于中小功率的汽油机。
精选ppt
15
3、曲轴上有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道， 以便润滑主轴颈和连杆轴颈。
精选ppt
16
4、曲柄和平衡重
曲柄是用来连接主轴颈和连杆轴颈的。平衡重的作用
5-飞轮螺栓、螺母 6-曲轴凸缘盘... 7-填料油封... 8-主轴承盖
回油螺纹的 封油原理
20
7、曲轴主轴承
曲轴轴承按其承载方向可分为径向轴承和轴向（推力）轴承。...
径向轴承用于支承曲轴，一般用滑动轴承，即上、下两半轴瓦，少数大功率柴油机用 滚动轴承（与球墨铸铁铸成的组合式曲轴对应）。...
精选ppt
6
（二）曲轴的工作条件和要求
1、工作条件：
承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以 及由此产生的扭矩、弯矩的共同作用。...
2、要求：
（1）足够的刚度、疲劳强度和冲击韧性；... （2）各工作表面润滑良好、耐磨；...
（3）旋转惯性力系达到良好的平衡（离心力合力及 其合力矩为零时称为完全平衡，亦称动平衡）。...
3-钢质薄壁 4-基层 5-镍涂 层 6-磨耗层 7-油孔 8-卷边
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1
径向轴承
轴向轴承 8
2
轴向3 轴承
4
径7 向轴承 精选ppt
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8、曲轴的轴向定位
（1） 结构：
在某一道主轴承的两侧装止推片。止推片由低 碳钢背和减磨层组成。
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23
1.单面合金止推垫圈
缺点：缸心距加大，机体加长，制造成本增加。柴油机多用全支承曲轴。
2、主轴颈数等于或少于连杆轴颈数者称为非全支承曲轴。 优缺点与全支承曲轴恰好相反。多用于中小功率的汽油机。
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15
3、曲轴上有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道， 以便润滑主轴颈和连杆轴颈。
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16
4、曲柄和平衡重
曲柄是用来连接主轴颈和连杆轴颈的。平衡重的作用
5-飞轮螺栓、螺母 6-曲轴凸缘盘... 7-填料油封... 8-主轴承盖
回油螺纹的 封油原理
20
7、曲轴主轴承
曲轴轴承按其承载方向可分为径向轴承和轴向（推力）轴承。...
径向轴承用于支承曲轴，一般用滑动轴承，即上、下两半轴瓦，少数大功率柴油机用 滚动轴承（与球墨铸铁铸成的组合式曲轴对应）。...
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6
（二）曲轴的工作条件和要求
1、工作条件：
承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以 及由此产生的扭矩、弯矩的共同作用。...
2、要求：
（1）足够的刚度、疲劳强度和冲击韧性；... （2）各工作表面润滑良好、耐磨；...
（3）旋转惯性力系达到良好的平衡（离心力合力及 其合力矩为零时称为完全平衡，亦称动平衡）。...
《曲轴组设计》课件
曲轴组设计的实验验证
实验验证是曲轴组设计的重要环节，通过实验测试来验证设计的可行性和 有效性。
实验测试包括曲轴组的装配、性能测试、疲劳寿命测试等，以评估曲轴组 的实际性能和可靠性。
根据实验结果，对设计进行必要的调整和优化，以满足实际应用的需求。
曲轴组设计的持续优化
曲轴组设计的持续优化是提高设计质量和性能的重要 手段。
低噪音、振动和油耗等。
03
曲轴组主要部件设计
曲轴设计
曲轴是发动机中最重要的部件之一， 其主要功能是承受气缸内气体压力通 过连杆将这种气体压力转变为曲轴的 旋转力，并向外输出。
曲轴的形状和结构对其工作性能和使 用寿命有着重要影响，因此需要进行 精确的设计和计算。
曲轴设计需要考虑强度、刚度、耐磨 性、抗疲劳性以及制造成本等因素。
详细描述
曲轴组由曲轴、轴承、连杆、活塞等部件组成，其设计直接影响到发动机的性能和可靠性。曲轴组的主要功能是 将气缸内燃烧产生的能量转化为旋转运动，并通过连杆和活塞的往复运动将旋转运动转化为直线运动，从而驱动 车辆前进。
曲轴组在发动机中的位置与作用
总结词
曲轴组位于发动机的下部，是发动机的核心部分之一。其作用是实现能量的转换和传递，为车辆提供 前进的动力。
详细描述
曲轴组位于发动机的下部，主要由曲轴、轴承、连杆和活塞等部件组成。曲轴组的作用是将气缸内燃 烧产生的能量转化为旋转运动，并通过连杆和活塞的往复运动将旋转运动转化为直线运动，从而驱动 车辆前进。曲轴组的设计和制造质量直接影响发动机的性能和可靠性。
曲轴组的构成与分类
总结词
曲轴组由曲轴、轴承、连杆、活塞等部件组成，根据不同的分类标准可以分为不同类型 。
强度分析
利用有限元分析等手段，对曲轴组进行强 度分析，确保其在各种工况下的安全性和 可靠性。
曲轴设计课件
5.3 曲轴平衡块
曲轴的8个曲柄在轴向成镜面对称，平衡块 重量相同能保证柴油机具有最小的内力矩和轴 承负荷。
6.2 工艺措施
1、圆角滚压强化：表面产生剩余压应力，抵消部分 工作拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度。
2、圆角淬火强化：用热处理方法使金属发生组织相 变，体积膨胀而产生残余压应力，从而提高曲轴 疲劳强度。
4、曲轴的主要参数
依据中国农业机械出版社出版的《柴油机 设计手册》选择参数如下： 曲柄销直径：dp=0.75D=0.75×280=210 曲柄销长度：lp=0.60D=0.6×280=168 曲柄臂厚度：h=0.25D=0.25×280=70 曲柄臂宽度：b=1.1D=1.1×280=308 主轴颈直径：dj=0.9D=0.9×280=252 主轴颈长度：lj=0.4D=0.4×280=112 曲轴圆角半径：r=0.045D=0.045×280=12.6 取r=15
5、曲轴的其它结构设计
5.1 润滑油通道 主轴颈设置有中心内孔，连杆颈内有两对开油孔， 每一曲柄有2个斜油孔在连杆颈内相交，在自由端 轴颈锥面有一油孔与主轴颈油道相通。
5.2 曲轴两端轴段结构 曲轴自由端设有一段锥面，用于安装曲轴齿轮和 卷簧减震器。曲轴输出端轴段上有一整体法兰， 用于安装联轴节。
3、喷丸强化处理：与滚压强化的道理一样，属于冷 作硬化变形。
4、氮化处理：使氮气渗入零件表面，金属体积增大 而产生挤压应力。
曲轴设计
主要内容
1、总述 2、曲轴的材料和工艺 3、曲轴的结构设计 4、曲轴主要参数 5、曲轴其它结构设计 6、提高曲轴疲劳强度的措施
1、总述
曲轴是发动机 中最重要的机件之 一，它的成本大约 占整机成本的十分 之一。它的尺寸参
曲轴的8个曲柄在轴向成镜面对称，平衡块 重量相同能保证柴油机具有最小的内力矩和轴 承负荷。
6.2 工艺措施
1、圆角滚压强化：表面产生剩余压应力，抵消部分 工作拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度。
2、圆角淬火强化：用热处理方法使金属发生组织相 变，体积膨胀而产生残余压应力，从而提高曲轴 疲劳强度。
4、曲轴的主要参数
依据中国农业机械出版社出版的《柴油机 设计手册》选择参数如下： 曲柄销直径：dp=0.75D=0.75×280=210 曲柄销长度：lp=0.60D=0.6×280=168 曲柄臂厚度：h=0.25D=0.25×280=70 曲柄臂宽度：b=1.1D=1.1×280=308 主轴颈直径：dj=0.9D=0.9×280=252 主轴颈长度：lj=0.4D=0.4×280=112 曲轴圆角半径：r=0.045D=0.045×280=12.6 取r=15
5、曲轴的其它结构设计
5.1 润滑油通道 主轴颈设置有中心内孔，连杆颈内有两对开油孔， 每一曲柄有2个斜油孔在连杆颈内相交，在自由端 轴颈锥面有一油孔与主轴颈油道相通。
5.2 曲轴两端轴段结构 曲轴自由端设有一段锥面，用于安装曲轴齿轮和 卷簧减震器。曲轴输出端轴段上有一整体法兰， 用于安装联轴节。
3、喷丸强化处理：与滚压强化的道理一样，属于冷 作硬化变形。
4、氮化处理：使氮气渗入零件表面，金属体积增大 而产生挤压应力。
曲轴设计
主要内容
1、总述 2、曲轴的材料和工艺 3、曲轴的结构设计 4、曲轴主要参数 5、曲轴其它结构设计 6、提高曲轴疲劳强度的措施
1、总述
曲轴是发动机 中最重要的机件之 一，它的成本大约 占整机成本的十分 之一。它的尺寸参
柴油机结构和主要零部件PPT课件
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（4）缸套的测量
用量缸表或内径百分表。测量部位： ①活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置； ②活塞位于行程中点时第一道活塞环所对应的缸套位置； ③活塞位于行程中点时最后一道刮油环所对应的缸套位 置； ④活塞位于下止点时最后一道刮油环所对应的缸套位置； 大型二冲程低速机，有气口且行程较长，可在气口上、 下方增加两个测量点。
第23页/共87页
7．常见故障
气缸套的损坏形式有内表面磨损、裂纹、拉缸、外表面的腐蚀和穴蚀 1）裂纹 ①部位：一般发生在应力集中的部位。如气口、布油槽及凸肩等处。 ②原因： ③检查方法：
第24页/共87页
2）磨损 （1）气缸套磨损的形式 ①熔着磨损：一般发生在活塞位于上止点时第一道活 塞环所对应的缸套位置。 ②腐蚀磨损：A、低温腐蚀 防止低温腐蚀的措施
动画演示
第38页/共87页
第39页/共87页
5．材料： 大型：活塞头用耐热铸钢、耐磨合金钢，裙部用铸铁 或合金铸铁。 中、高速机：铸铁、铝合金、铸钢。 合金铸铁：具有高的机械强度、较小的热膨胀系数和 良好的耐磨耐腐蚀性能，但重量大，散热性较差。 铝合金：重量轻，但热强度差，热膨胀系数大。 球墨铸铁和耐热合金钢：机械强度高，其它与合金铸 铁相近。
（1）缸套凸肩做得又高又厚，采用钻孔冷却，可降低 缸套上部的机械应力和热应力。 （2）缸套上部固定，下部呈自由状态，受热后可向下 膨胀。 （3）设有O型密封圈3、3a，防水漏入LR空间，可从 KB1孔检查 （4）O型密封圈6可防水漏入扫气箱，并防扫气箱空气 进入冷却水腔。可从KB孔检查 （5）上部注油点设有布油槽，均匀分布。 （6）缸套下部扫气口均匀分布。
B、高温腐蚀 ③磨料磨损：
（2）过度磨损
正常磨损：铸铁缸套的磨损量＜0.1mm/kh 套的磨损量＜0.01--0.03mm/kh
（4）缸套的测量
用量缸表或内径百分表。测量部位： ①活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置； ②活塞位于行程中点时第一道活塞环所对应的缸套位置； ③活塞位于行程中点时最后一道刮油环所对应的缸套位 置； ④活塞位于下止点时最后一道刮油环所对应的缸套位置； 大型二冲程低速机，有气口且行程较长，可在气口上、 下方增加两个测量点。
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7．常见故障
气缸套的损坏形式有内表面磨损、裂纹、拉缸、外表面的腐蚀和穴蚀 1）裂纹 ①部位：一般发生在应力集中的部位。如气口、布油槽及凸肩等处。 ②原因： ③检查方法：
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2）磨损 （1）气缸套磨损的形式 ①熔着磨损：一般发生在活塞位于上止点时第一道活 塞环所对应的缸套位置。 ②腐蚀磨损：A、低温腐蚀 防止低温腐蚀的措施
动画演示
第38页/共87页
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5．材料： 大型：活塞头用耐热铸钢、耐磨合金钢，裙部用铸铁 或合金铸铁。 中、高速机：铸铁、铝合金、铸钢。 合金铸铁：具有高的机械强度、较小的热膨胀系数和 良好的耐磨耐腐蚀性能，但重量大，散热性较差。 铝合金：重量轻，但热强度差，热膨胀系数大。 球墨铸铁和耐热合金钢：机械强度高，其它与合金铸 铁相近。
（1）缸套凸肩做得又高又厚，采用钻孔冷却，可降低 缸套上部的机械应力和热应力。 （2）缸套上部固定，下部呈自由状态，受热后可向下 膨胀。 （3）设有O型密封圈3、3a，防水漏入LR空间，可从 KB1孔检查 （4）O型密封圈6可防水漏入扫气箱，并防扫气箱空气 进入冷却水腔。可从KB孔检查 （5）上部注油点设有布油槽，均匀分布。 （6）缸套下部扫气口均匀分布。
B、高温腐蚀 ③磨料磨损：
（2）过度磨损
正常磨损：铸铁缸套的磨损量＜0.1mm/kh 套的磨损量＜0.01--0.03mm/kh
柴油机曲轴设计ppt资料
谢词
• 感谢童勇老师的指导和关怀 • 非常感谢同组同学在设计工作中给予的帮助、支持和鼓励 • 由衷感谢各位老师百忙中抽空参与答辩工作
曲轴X方向最大位移发生在第二连杆轴颈纵向对称面左侧, 结果如下图：
曲轴Y方向最大发生在第二连杆轴颈左端曲柄臂平衡块尾 部, 结果如下图：
曲轴Z方向最大位移发生在第二连杆轴颈上部，结果如下 图：
曲轴疲劳强度分析
• 经过计算，曲轴疲劳强度达到要求。
结论：
• 在通过VB程序，对490柴油机进行工作过程计算中得到相 关数据如下表： • 通过excel软件对490柴油机进行动力学分析得到，缸内最 大绝对压力为8.428115405，活塞最大速度为16.311，活 塞最大位移为0.99999596及其活塞位移、速度、加速度 曲线图。 • 曲轴的三维建模，强度校核，通过软件CATIA可知，曲轴 的许可绕度，L为曲轴两支承点的距离。计算可得，最大 挠度，所以曲轴的刚度满足设计要求。通过计算，曲轴疲 劳强度达到要求。
490柴油机பைடு நூலகம்轴设计
设计者：苏玉立 专业：热动（汽发） 学号：312009080501622 指导老师：童勇
设计的主要内容
• • • •
490柴油机工作过程计算 动力学分析 490柴油机曲轴基本设计 曲轴疲劳校核
1.490柴油机工作过程计算
根据VB编程计算结果如下
p v p v
经过VB程序计算，绘制图如下：
2.发动机动力学分析：
• 活塞位移图 • 活塞速度图 • 活塞加速度图
3.活塞的基本设计:
• 曲轴的结构形式； • 曲轴材料； • 曲轴主要尺寸确定和细节设计
4.曲轴疲劳强度校核
• 曲轴实体模型：
曲轴网格划分:
柴油机曲轴设计
1前言1.1柴油机与曲轴1.1.1柴油机的工作原理柴油机的每个工作循环都要经历进气、压缩、做功和排气四个过程。
四行程柴油机的工作过程：柴油机在进气冲程吸入纯空气，在压缩冲程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器以雾状喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。
压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，温度高达476.85℃～726.85℃，极大地超过柴油的自燃温度，因此柴油喷人气缸后，在很短的时间内即着火燃烧，燃气压力急剧达到6～9MPa，温度升高到1726.85℃～2226.85℃。
在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功。
废气同样经排气门、排气管等处排出。
四行程柴油机的每个工作循环均经过如下四个行程：（1）进气行程在这个行程中，进气门开启，排气门关闭，气缸与化油器相通，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方容积增大，气缸内产生一定的真空度。
可燃混合气被吸人气缸内。
活塞行至下止点时，曲轴转过半周，进气门关闭，进气行程结束。
由于进气道的阻力，进气终了时气缸内的气体压力稍低于大气压，约为0.07～0.09MPa。
混合气进入气缸后，与气缸壁、活塞等高温机件接触，并与上一循环的高温残余废气相混合，所以温度上升到96.85℃～126.85℃。
（2）压缩行程进气行程结束后，进气门、排气门同时关闭。
曲轴继续旋转，活塞由下止点向上止点移动，活塞上方的容积缩小，进入到气缸中的混合气逐渐被压缩，使其温度、压力升高。
活塞到上止点时，压缩行程结束。
压缩终了时鼓，混合气温度约为326.85℃～426.85℃，压力一般为0.6～1.2MPa。
（3）做功行程活塞带动曲轴转动,曲轴通过转动把扭矩输出。
（4）排气行程进气口关闭，排气口打开，排除废气。
由上可知，四行程汽油机或柴油机，在一个工作循环中，只有一个行程作功，其余三个行程作为辅助行程都是为作功行程创造条件的。
因此，单缸发动机工作不平稳。
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算方法，且有很多现成的工程分析软件， 如ansys，pro/e，UG等。 • 有限元计算精度关键取决于如何处理曲轴 的位移约束条件、加载方式、网格划分等， 这需要详细了解曲轴的工作情况和受力状 况。 • 安全系数n≧1.5（钢）或1.8（球墨铸铁）
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四. 提高曲轴疲劳强度的措施
在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度 就应设法降低应力集中；适当减小单拐中 间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀。
曲轴的加工表 面增多，主轴 承数增多，使 机体加长
柴油机一般多 采用此种支撑 方式
缩短了曲轴的长度， 主轴承载荷较
使发动机总体长度 大 非全支承曲轴 有所减小
承受载荷较小 的汽油机可以 采用此种方式
9
曲轴主要尺寸参数
• dcp：曲柄销直径； lcp：曲柄销长度； • hcw：曲柄臂厚度；bcw：曲柄臂宽度 • dcj：主轴颈直径； lcj：主轴颈长度；
4
3.常用材料
• 1、中碳钢：如45＃，绝大多数采用模段制造； 锻造后进行正火或调质处理，然后在各轴颈表面 实施感应加热表面淬火。钢曲轴也可以进行渗氮 处理，以提高疲劳强度。
• 2、合金钢：在强化程度较高的发动机中采用； • 3、球墨铸铁：在强度和刚度要求一定是，使用球
墨铸铁材料能减少制造成本，且其阻尼特性能减 小扭转振动的幅值。 • 在曲轴设计中，曲轴的结构、材料、工艺三因素 各自有独立规律，且相互影响。
曲轴设计
一.曲轴设计概论 二. 曲轴结构设计 三. 曲轴疲劳强度校核 四. 提高曲轴疲ห้องสมุดไป่ตู้强度的措施
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一. 曲轴设计概论
• 曲轴的成本大约占整机成本的十分之一，为内燃 机中最贵的零件。
• 曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳，所以保证曲 轴有足够的弯曲疲劳强度是曲轴设计的首要问题。
• 曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑 条件的要求。
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气缸中心距
• L= lcp + lcj +2 hcw • 它们存在一个合理分配的问题。 • 过渡圆角半径R对应力集中影响巨大。 • 各尺寸参数的统计值见下表：
11
油道设计及油孔位置
12
曲轴前端与后端
• （1）作用： • 曲轴前端用来安装正时齿轮、皮带轮、
扭振减振器及起动爪等；后端有飞轮结合 盘(凸缘盘)，用来安装飞轮。 • （2）前后端的密封： • 曲轴前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑 油沿轴颈流出，在曲轴前后端都设有防漏 装置。
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曲拐的布置
（1）一般规律
1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运 转平稳。
2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发 动机的前半部和后半部交替进行。
3) 避免进气重叠 4） V型发动机左右气缸尽量交替作功。 5）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作
平衡性好。
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三. 曲轴疲劳强度校核
• 曲轴破坏主要是弯曲疲劳破坏 • 现在曲轴强度计算绝大部分采用有限元计
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二. 曲轴结构设计
• 一、曲轴结构形式 • 1、整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、
刚度、强度较高、加工表面较少的特点， 中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动 轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。 • 2、组合式曲轴：当曲轴尺寸较大，曲拐数 较多时，采用整体式结构将导致加工非常 困难，可采用组合式结构。小型单缸发动 机也有采用。
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整体式曲轴和组合式曲轴
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曲轴支承
• (a)全支承曲轴: 优点是曲轴刚性好，不易弯曲，缺点是缸心
距加大，机体加长，制造成本增加。柴油 机多用全支承曲轴。... • (b)非全支承曲轴: 多用于中小功率的汽油机
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曲轴全支承与非全支承
优点
缺点
应用
全支承曲轴
提高曲轴的刚度和 弯曲强度，减轻主 轴承的载荷
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结构措施
• 1、加大曲轴轴颈的重叠度 • 重叠度 A=(dcp+dcj)/2-r • 重叠度系数 φ =(dcp+dcj)/S • 2、加大轴颈附近的过渡圆角 • 过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质
量等对曲轴应力的影响十分明显。 • 3、采用空心曲轴 • 4、采用沉割圆角和开卸载槽
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工艺措施
• 1、圆角滚压强化：表面产生剩余压应力，抵消部 分工作拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度。
• 2、圆角淬火强化：用热处理方法使金属发生组织 相变，体积膨胀而产生残余压应力，从而提高曲 轴疲劳强度。
• 3、喷丸强化处理：与滚压强化的道理一样，属于 冷作硬化变形。
• 4、氮化处理：使氮气渗入零件表面，金属体积增 大而产生挤压应力。
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常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧 油封、回油螺纹等。
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曲轴的轴向定位
• （1） 结构： • 止推片：在某一道主轴承的两侧装止推片。
止推片由低碳钢背和减磨层组成。 • 翻边轴瓦： • （2） 安装注意：止推片有减磨层的一面
朝向转动件(有油槽一面)。当曲轴向前窜动 时，后止推片承受轴向推力；向后窜动时， 前止推片承受轴向推力
• 中小功率高速内燃机几乎都用整体曲轴、全支承、 带有平衡块（无论整体是否平衡）。
2
1.曲轴工作条件
• 1、受周期变化力和力矩作用，重点是弯曲 交变载荷（80％是弯曲疲劳破坏）；
• 2、曲轴形状复杂，应力集中严重； • 3、曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重；
3
2.设计要求
• 1、有足够的疲劳强度； • 2、有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨； • 3、尽量减少应力集中； • 4、刚度好，变形小。
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四. 提高曲轴疲劳强度的措施
在载荷不变的条件下，要提高曲轴抗弯强度 就应设法降低应力集中；适当减小单拐中 间部分的弯曲刚度，使应力分布较为均匀。
曲轴的加工表 面增多，主轴 承数增多，使 机体加长
柴油机一般多 采用此种支撑 方式
缩短了曲轴的长度， 主轴承载荷较
使发动机总体长度 大 非全支承曲轴 有所减小
承受载荷较小 的汽油机可以 采用此种方式
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曲轴主要尺寸参数
• dcp：曲柄销直径； lcp：曲柄销长度； • hcw：曲柄臂厚度；bcw：曲柄臂宽度 • dcj：主轴颈直径； lcj：主轴颈长度；
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3.常用材料
• 1、中碳钢：如45＃，绝大多数采用模段制造； 锻造后进行正火或调质处理，然后在各轴颈表面 实施感应加热表面淬火。钢曲轴也可以进行渗氮 处理，以提高疲劳强度。
• 2、合金钢：在强化程度较高的发动机中采用； • 3、球墨铸铁：在强度和刚度要求一定是，使用球
墨铸铁材料能减少制造成本，且其阻尼特性能减 小扭转振动的幅值。 • 在曲轴设计中，曲轴的结构、材料、工艺三因素 各自有独立规律，且相互影响。
曲轴设计
一.曲轴设计概论 二. 曲轴结构设计 三. 曲轴疲劳强度校核 四. 提高曲轴疲ห้องสมุดไป่ตู้强度的措施
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一. 曲轴设计概论
• 曲轴的成本大约占整机成本的十分之一，为内燃 机中最贵的零件。
• 曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳，所以保证曲 轴有足够的弯曲疲劳强度是曲轴设计的首要问题。
• 曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑 条件的要求。
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气缸中心距
• L= lcp + lcj +2 hcw • 它们存在一个合理分配的问题。 • 过渡圆角半径R对应力集中影响巨大。 • 各尺寸参数的统计值见下表：
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油道设计及油孔位置
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曲轴前端与后端
• （1）作用： • 曲轴前端用来安装正时齿轮、皮带轮、
扭振减振器及起动爪等；后端有飞轮结合 盘(凸缘盘)，用来安装飞轮。 • （2）前后端的密封： • 曲轴前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑 油沿轴颈流出，在曲轴前后端都设有防漏 装置。
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曲拐的布置
（1）一般规律
1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运 转平稳。
2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发 动机的前半部和后半部交替进行。
3) 避免进气重叠 4） V型发动机左右气缸尽量交替作功。 5）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作
平衡性好。
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三. 曲轴疲劳强度校核
• 曲轴破坏主要是弯曲疲劳破坏 • 现在曲轴强度计算绝大部分采用有限元计
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二. 曲轴结构设计
• 一、曲轴结构形式 • 1、整体式曲轴：具有工作可靠、重量轻、
刚度、强度较高、加工表面较少的特点， 中小型发动机中广泛采用。一般配合滑动 轴承（有的单缸机采用滚动轴承）。 • 2、组合式曲轴：当曲轴尺寸较大，曲拐数 较多时，采用整体式结构将导致加工非常 困难，可采用组合式结构。小型单缸发动 机也有采用。
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整体式曲轴和组合式曲轴
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曲轴支承
• (a)全支承曲轴: 优点是曲轴刚性好，不易弯曲，缺点是缸心
距加大，机体加长，制造成本增加。柴油 机多用全支承曲轴。... • (b)非全支承曲轴: 多用于中小功率的汽油机
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曲轴全支承与非全支承
优点
缺点
应用
全支承曲轴
提高曲轴的刚度和 弯曲强度，减轻主 轴承的载荷
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结构措施
• 1、加大曲轴轴颈的重叠度 • 重叠度 A=(dcp+dcj)/2-r • 重叠度系数 φ =(dcp+dcj)/S • 2、加大轴颈附近的过渡圆角 • 过渡圆角的尺寸、形状、材料组织、表面加工质
量等对曲轴应力的影响十分明显。 • 3、采用空心曲轴 • 4、采用沉割圆角和开卸载槽
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工艺措施
• 1、圆角滚压强化：表面产生剩余压应力，抵消部 分工作拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度。
• 2、圆角淬火强化：用热处理方法使金属发生组织 相变，体积膨胀而产生残余压应力，从而提高曲 轴疲劳强度。
• 3、喷丸强化处理：与滚压强化的道理一样，属于 冷作硬化变形。
• 4、氮化处理：使氮气渗入零件表面，金属体积增 大而产生挤压应力。
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常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧 油封、回油螺纹等。
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曲轴的轴向定位
• （1） 结构： • 止推片：在某一道主轴承的两侧装止推片。
止推片由低碳钢背和减磨层组成。 • 翻边轴瓦： • （2） 安装注意：止推片有减磨层的一面
朝向转动件(有油槽一面)。当曲轴向前窜动 时，后止推片承受轴向推力；向后窜动时， 前止推片承受轴向推力
• 中小功率高速内燃机几乎都用整体曲轴、全支承、 带有平衡块（无论整体是否平衡）。
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1.曲轴工作条件
• 1、受周期变化力和力矩作用，重点是弯曲 交变载荷（80％是弯曲疲劳破坏）；
• 2、曲轴形状复杂，应力集中严重； • 3、曲轴轴颈比压大，摩擦磨损严重；
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2.设计要求
• 1、有足够的疲劳强度； • 2、有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨； • 3、尽量减少应力集中； • 4、刚度好，变形小。
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