6108柴油机曲轴的优化设计毕业设计说明

6108柴油机曲轴的优化设计毕业设计1 绪论1.1柴油机的发展史和现状1.1.1柴油机的发展史德国狄赛尔（Rudolf Diesel）于1882年提出柴油机的工作原理，第一台四冲程柴油机在1896年制成。

一百多年来，柴油机技术的发展越来越全面，被应用的领域也越来越广泛。

大量的实验研究表明，柴油机是现在产业化应用动力机械中能量利用效率最高、热效率最高和最节能的机型。

柴油机广泛应用于发电、船舶动力、车辆动力、灌溉等领域，特别是在车辆动力方面，柴油机的优势最为明显。

车辆动力的“柴油化”趋势也越来越大。

日本、美国和欧洲100%的重型汽车用柴油机来提供动力。

欧洲33%的轿车和90%的商务车是柴油车。

美国有90%的商务车是柴油车。

而日本38%的商务车是柴油车，9.2%的轿车是柴油车。

随着技术的发展，柴油机将成为主流的车用动力。

柴油机越来越受欢迎是由于其相对于其他机型的优越性，其优越性主要有以下几点：1）大功率的柴油机，卓越的动力性能，压缩比通常为16至22，远高于汽油发动机的压缩比;汽油机功率一般为220千瓦，而通常柴油机功率为380KW，如果使用增压技术，柴油机功率可以得到进一步改善。

从燃烧的方式而言，柴油机燃料通过喷嘴直接喷入燃烧室内然后压缩点火燃烧，不会有提前点火爆燃异常燃烧;柴油机可燃混合物分层混合，这很容易实现稀薄燃烧和分层燃烧;部分负荷运行超过满载，并且没有进气节流损失，柴油机机的性能优于汽油机[1]。

2）柴油机的燃油经济性由于其燃烧方式不同使得它更优越。

一般汽油机的热效率为20～30%，但是柴油机的热效率却可以达到30～40%。

资料表明，以质量为0.8～1.5t 轿车的每百公里油耗为例：汽油机轿车约为5～8.2L，非直喷式柴油机轿车约为4.6～8L，直喷式柴油机轿车约为5～6L，柴油机轿车比汽油机轿车每百公里油耗低30%左右。

3）柴油机的耐久性好，工作可靠性强。

由于点火系统不复杂，避免了油和电路共存的麻烦。

只要起动转矩足够，喷油压力达到了规定，就能够正常启动工作。

国际上柴油机大修里程一般为50万公里，汽油机一般只有30万公里。

4）我们从环保角度来看，柴油机和汽油机车辆对环境的影响是不同的，柴油机车辆在运行过程中的空气过量，燃料燃烧完全，一氧化碳排放量少；柴油机燃料喷入燃烧室内的压力高，雾化好，碳氢化合物的排放比汽油机车辆少；氮氧化物的排放量随发动机运行条件的变化而不同，汽油机车辆在重负载条件下排放量多，柴油机车辆在低负载运行条件下的排放量少；柴油机排放的主要问题为颗粒物，汽油机颗粒物排放少，排气清洁。

柴油机车辆的燃料和空气混合不均匀，容易产生大量的颗粒物排放，视觉表现为排气管冒黑烟，这样使人认为柴油机车辆排放的废气污染环境，从而限制了其发展。

因此，柴油机相比于汽油机有自己的优势。

世界汽车柴油机化的趋势是基于柴油机技术的不断进步和发展上的。

现代的高速柴油机的振动，噪音，排放指标都达到了汽油机的相同级别。

特别是自20世纪90年代开始，电子技术和机电一体化技术在汽车方面广泛的应用，大大提高了柴油机的各项指标，如燃油喷射，中冷增压技术。

外国汽车制造商采用先进的生产平台战略，每个模型都有四五种发动机可供选择，其中包括至少一个柴油发动机。

柴油是汽车行业的共同发展，车用柴油机的技术是不可阻挡的。

1.1.2国内柴油机的现状自上世纪80年代以来我国的柴油机行业得到了快速发展，先进技术的引进，使得中国的柴油机的整体技术水平已达到国外20世纪80年代末90年代初的水平，近年来国外一些柴油开始使用排放控制技术，在国内也有少数柴油机开始应用。

近两年来，中国卡车加快了产品结构调整的速度，向重型化方向发展。

重型卡车用柴油机逐步取代汽油机，缸径由6100逐步发展成为6105,6108,6110 ;动力由140马力，逐步提高到160马力或更高;由自然吸气向增压方向发展，开发的产品质量不断提高。

缸径增加功率逐渐提高，重型卡车柴油机逐渐集中到几大品牌。

重卡柴油机开始多元化，其功率大致在180 〜300马力。

但是中国的柴油机产业的整体发展仍然面临诸多问题，主要有：1）生产的重型柴油机车辆逐年增多，中，轻型柴油机车也加快了步伐，但在微型车，轿车领域，柴油机车辆的比例仍然为零。

在另一方面，中国的市场中型柴油已经呈现出供大于求的迹象，轻型柴油机市场渐趋饱和，但骨干企业正在制造的大部分产品从技术上看应淘汰，发展潜力小[2]。

2）在柴油机行业投资不足，严重制约了生产技术水平，自主开发和规模发展能力的提高。

现在，中国的柴油技术基础薄弱，整体技术水平落后国际先进水平10〜20年，也落后于国内车用汽油发动机的发展，柴油发动机没有一个完整的新产品开发能力及关键零部件的开发能力。

许多外国技术已广泛应用，但在中国仍处于研究阶段，有的甚至还是空白[2]。

3）我们的柴油机技术落后，产品质量差，车辆在使用中维修保养措施不力，造成性能低，高排放的柴油车在使用中对城市环境和空气质量带来了负面影响，产生了社会尚未完全接受的现状。

4）柴油燃料质量较差，柴油标准的修订落后于汽车行业发展的需求，阻碍柴油机技术的发展和各种新技术，以及改善柴油机排放技术的应用[3]。

目前，人类社会的发展面临着两个问题。

一，不可再生能源的耗尽；二，环境的逐步恶化，生态平衡的破坏。

随着人类社会的可持续发展的呼声越来越高，工业生产是从浪费型经济（许多有用的资源以污染环境的废物形式排放）向高效经济（资源最大化转化为产品）[4]。

可持续发展作为发展目标和模式，已被世人所接受，这是必然的选择和基本战略为了中国持经济的持续，健康，快速发展。

全面实施可持续发展战略，包括汽车行业的可持续发展，节能减排，保护环境是汽车产业发展的两个先决条件。

所以，追求和谐统一的汽车产业与资源环境的发展，构成了汽车产业可持续发展的基本框架。

因此，中国应该全面发展柴油车[1]。

大家都知道，相比汽油机柴油机有许多优点，如上面提到的，柴油机动力性好，优异的性能，经济性好，环保，大力发展柴油机车是符合用户的需求的，同时也满足汽车行业可持续发展。

1.2柴油机曲轴的发展趋势随着技术的不断发展和新的企业的出现，轿车可选的柴油机型号数量将达到与汽油机相当的水平，市场上将出现更多的小排量直列三缸或四缸的发动机，其他领域也将出现更多小排量发动机的机型，并且发动机的尺寸也会变的越来越小。

柴油机之所以有较低的比油耗，也与改进柴油机设计分不开。

如采用轻型活塞，减少活塞环数量，采用小型轴承和更先进的轴承平衡技术等。

当然，这些成就是经历了半个多世纪的发展才取得的。

曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。

只有设计出更好的曲轴才能使发动机的性能更加稳定。

曲轴作为发动机中承受载荷、传递动力的重要零部件，其性能水平直接影响着整机的性能水平和可靠性。

因此，各个工业发达国家十分重视曲轴的生产，不断去改进材质和加工手段，以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。

近几年来，国内曲轴加工发展也十分迅速。

欧美等汽车工业发达的国家经过多年的积累，对曲轴的结构设计已经有了可套用的经验公式。

一般经过计算机三维设计，再经过计算机模拟测试系统对曲轴各项指标进行分析，以致达到完美设计。

我国由于起步较晚，国内总体在设计手段上相对较差，只能通过后期实验和检测加以修正，对于加工工艺而言，国内外基本相同，国外大多采用先进数控设备，而国内设备大多以人工为主，精度差、效率较低[5]。

近几年来，随着经济的发展，国内各生产商家也引进了不少的先进设备和技术，以提高产品的整体竞争力，使得曲轴制造技术水平有了大幅度提高，特别是近年来发展更为快速。

2 6108柴油机曲轴的设计2.1曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择2.1.1曲轴的工作条件和设计要求曲轴是发动机中最重要的机件之一。

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。

随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件越来越恶劣了。

因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重了。

在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得经济最合理的效果。

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共同作用下工作的，从而使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态；对内不平衡的发动机曲轴还承受内弯矩和剪力；未采取扭转振动减振措施使曲轴还可能作用着幅值较大的扭转振动弹性力矩。

这些载荷都是交变性的，可能引起曲轴疲劳失效。

实践表明，弯曲载荷具有决定性作用，弯曲疲劳失效是主要破坏形式。

因此曲轴结构强度的研究重点是弯曲疲劳强度，曲轴设计上要致力于提高曲轴的疲劳强度。

曲轴形状复杂，应力集中相当严重，特别是在连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处和润滑孔出口附近的压力集中尤为突出。

通常情况下曲轴断裂，疲劳裂纹出现在过渡圆角以及油孔的地方。

弯曲疲劳裂缝从轴颈的根部的表面的圆角处开始发展直到曲柄上，一般成450折断曲柄；扭转疲劳破坏则常常开始于机械加工不良的油孔的边缘，大约成450将曲柄销剪断[6]。

因此，在曲轴的设计时，要特别注意设法缓和应力集中现象，强化的应力集中部位。

曲轴轴颈高比压下相对于轴承高速运动从而产生滑动摩擦。

实际运行条件下这些轴承并不总能保证为液体摩擦，特别是当油不干净，轴颈表面呈强磨粒磨损，使得曲轴的实际寿命大大降低。

因此，在设计中，使摩擦表面耐磨并匹配合适的材料的轴瓦。

曲轴是曲柄连杆机构中最重要的部件，它的刚度非常重要。

曲轴的弯曲刚度如果不够，就有可能发生很剧烈的弯曲振动，使活塞连杆和轴承的工作环境加速恶化，影响这些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲轴箱局部应力过大而开裂。

曲轴的扭转刚度差，则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动。

轻则引起噪音，加速曲柄上齿轮等传动件的磨损；重则使曲轴断裂。

所以，设计时，应保证它有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度[7]。

不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。

例如，为了提高曲轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作面而言，可以降低轴承比压，但高转速下轴承圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增加，轴承温度升高，降低了轴承工作的可靠性。

此外，曲柄销的增大，使得连杆以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷加大。

这时，可能引起采用斜切口连杆的必要，而这种连杆刚性较差，而且制造成本高。

曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量加大，可能使刚度对扭振带来的好处得而复失。

由于曲轴力的复杂性，几何截面形状比较特殊，在设计时，还没有可供通用的体现了客观现实的理论公式。