柴油机曲轴设计介绍

　　张运良 黄伟健
　　【摘 要】随着汽车行业的快速发展，人们对汽车的需求大幅度增长及其性能要求也高。本文阐述了现代高速柴油机的现状及发展趋势。同时介绍了一些柴油机的较为新颖的柴油机技术。曲轴作为本设计的中心，需要比较全面的去考虑选材及工艺的因素。因为曲轴的性能指标会影响柴油机的寿命长短。而曲轴在不同工况下受到弯曲及扭转载荷，还承受本身的离心力和振动附加应力。工作环境极其复杂，曲轴的使用寿命受到很大的影响，同时还会产生疲劳破坏。因此，曲轴的设计和校核显得非常重要。考虑到市场经济成本及任务要求本文设计的6105概念柴油机采用整体式曲轴。采用较高新的工艺技术进行优化处理。
　　【关键词】柴油机；概念设计；工艺；曲轴；强度计算
　　一、引言
　　随着时代的进步，科学技术的发展及对新材料的研发，使汽车的性能越来越高了。汽车本身的功能也逐渐增多，从而在保证性能前提下，设计较小的柴油机体积获得最大功率。从环境的角度来考虑，柴油机比汽油机产生的二氧化碳及有害气体更少。所以，柴油将会是未来交通工具最佳动力装置。因此，本文针对6105柴油机概念设计及曲轴结构的设计和强化。
　　二、曲轴的研究现状及未来趋势
　　曲轴为柴油机的重要部件之一，其尺寸会影响柴油机的性能指标和经济性。就导致了曲轴的设计对于性能指标非常重要。在强度和刚度上的要求愈加苛刻，所以必须正确的选用合理的布置方式及成本的控制和材料的选择。
　　现在高速柴油机曲轴的材料球墨铸铁及刚两类。并且球墨铸铁比刚曲轴经济成本要低很多。同时球墨铸铁的性能较高，可铸造完美的结构形状。与钢质曲轴相同，通过各种工艺的处理保证其具有良好的性能指标。因此，球墨铸铁曲轴在世界上获得应用较为广阔。全球曲轴较为常见的处理工艺如下：
　　圆角滚压强化：利用残余应力来消除工作的拉应力。从而提升曲轴的性能及强度。同时还可以降低产生表面裂纹及气孔等各种负面影响。
　　喷丸强化处理；采用冷作硬化的方式，依然是采用留下压应力来增强表面硬度。
　　氮化处理：采用辉光离子或气体软氮化的方法，从而通过氮气在曲轴金属面扩散的作用来产生应力。从而提高曲轴的疲劳强度及工作可靠度。
　　圆角与轴颈同时感应淬火处理：在球铁曲轴上时能提高其机械性能的0.2倍，但是在钢曲上强化则可提高一倍。
　　三、6105型柴油机的设计及任务
　　6105柴油机的主要结构和性能要求为：
　　进气方式：自然吸气
　　柴油机类型：设计的是四冲程柴油机及顶置式气门用水冷的方式
　　冲程；120mm 压缩比：17
　　燃烧形式：我们设计的柴油机的喷射方式选择的是直接喷射
　　润滑方式：我们设计的柴油机为压力循环飞溅复合式
　　冷却方式：我们设计的柴油机的冷却方式为水冷
　　电机停止方式：我们设计的柴油机为电启动
　　输出功率：柴油机的输出是106千瓦/2000转
　　四、设计依据
　　由于中国迅速的发展，使柴油机快速发展给大型和重型车辆的带来了有力的发展。同时，将柴油机的高功率，耐用性等好的面貌展现给世界经济。这种载重型卡车得到了世人的认同。6105型柴油机就是针对配备大型货车而进行开发和研制的。同时也可运用于发电机组、工程机械和船舶。随着柴油机研发技术的发展，一系列新的技术在柴油机上使用的较多，并使柴油机的整体性能得到了很大的提高。
　　五、曲柄尺寸
　　曲柄必须选择合适厚度及宽度，以保证曲轴有足够机械性能。为了改善应力的集中曲柄形状选用圆形或椭圆形。
　　曲柄宽度b=126mm
　　曲柄厚度h，h=4.038*105=26mm
　　（一）曲轴的油孔
　　确保轴承的工作性能，需要对其润滑良好，因此可用分路供油的方式将机油配送到曲轴油道。其油孔直径d=5.5mm且径向成135°夹角。曲轴的扭转破坏大部分发生在油孔边缘，因为这些地方应力比较集中。因此过渡圆角要适合及进行抛光处理。主轴颈的油道及曲柄销的通道相互连通，可以用来润滑部件。
　　（二）曲柄的结构及止推
　　正时齿轮及皮带轮安装在曲轴前端，这样可以拆装方便，利于维修。同时由于曲轴前端振幅最大，因此在这安装减振器。而在曲轴的末端有法兰，用定位销来固定飞轮，同时保证再次安装时飞轮与曲轴的转配位置。
　　曲轴和机体间装有一个止推轴承以避免曲轴的轴向移动。为了减少各曲拐承受功率的消耗及轴向推力，把它设计在末端。同时在其表面设计存油坑及止推片削薄，使润滑环境提高。
　　六、曲轴的结构型式
　　由于全支承与非全支承曲轴相比，其机械性能都比较好，从而减小载荷及磨损。通常发动机启动时的压力很高，所以此次设计采用全支承的曲轴。
　　此次设计的是六缸的柴油机采用整体式曲轴，主要用于长途货物运输的大型货车。整体式曲轴的布置合理、拆装方便、维修简单。
　　七、油道设计及油孔位置
　　轴承的性能也受机油条件的影响。曲轴销和主轴颈采用的是压力润滑。机油通常从轴承流经经连杆轴承，机油采用分路供油的方式流入轴承。曲轴油孔边缘时容易产生应力集中的地方，应力最大的地方是锐角，特别是倾斜角较大时。因此油道设计要光滑，以减少应力集中。考虑到其机械性能油孔通常设在曲柄的竖直面内。油孔出口需倒角、抛光来减小应力集中。油道的倾斜度一般不超过30度。该种油道两端面流出的润滑油里含的杂质量不等，会造成轴颈偏磨和寿命缩短。两油道相隔180度或三油道相隔120度在轴颈上布置，如图：
　　本设计油道采用两油道相隔180度的布置，但由于距离过小会造成严重的应力集中，所以要保证油道至曲拐圆角的距离，采用图12的布置。
　　八、曲轴平衡块
　　平衡重布置在连杆轴颈两侧，与连杆轴颈相对的方向。设计时平衡重的质心远离，这样可以使较轻的平衡块达到平衡效果，还能到达减小曲轴的质量。同时也要考虑到平衡重块径向尺寸不能碰到活塞裙底部，还要保证连杆大头能通过两平衡重。
　　九、曲轴强度分析
　　曲轴的强度是采用歌德曼图判断的。纵坐标是最大最小应力，横坐标是等效平均应力。因为曲轴的材料选择的是QT600-3，
　　查表疲劳强度，
　　是材料在对称循环下的疲劳强度（MPa）， 是考虑安全系数后的设计极限，上面的式子中n=1.5对于c-c截面所承受的应力最大，因此c截面能通过疲劳强度其它截面也能。c截面的平均應力及等效力幅值都在疲劳强度范围内。故，曲轴的强度符合要求。
　　十、总结
　　在现代高速柴油机的发展中铸造工艺及装备技术已经大大提高了，逐渐的使用球墨铸铁的材料制造整体式曲轴，能够获得较高的机械性能及刚度和抗疲劳强度，利用残余应力来消除工作的拉应力，从而提高其表面性能及强度，同时还可以降低产生表面裂纹及气孔等各种负面影响。
　　【参考文献】
　　[1]周龙保.《内燃机学》[M].机械工业出版社，2000.
　　[2]许道延，丁贤华.《高速柴油机概念设计与实践》[M].机械工业出版社，2004.
　　[3]徐兀.《汽车发动机现代设计》[M].人民交通出版社，1995.