曲轴设计说明书.docx
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曲轴设计说明书
武汉理工大学毕业设计
本科毕业设计（论文）
题目186F曲轴的设计与
校核计算
姓名
专业
学号
指导教师
**学院车辆与交通工程系二○一四年五月
摘要...............................................................................................................................................I
Abstract.........................................................................................................................................II
1绪论
............................................................................................................................................
1
1.1
研究背景.......................................................................................................................
1
1.2
国内外的研究现状与发展趋势...............................................................................
1
1.2.1
曲轴结构设计的发展.....................................................................................
2
1.2.2
曲轴强度计算发展..........................................................................................
2
1.3
零件分析.......................................................................................................................
3
1.4
零件的作用...................................................................................................................
3
1.5186F柴油机曲轴的设计目的...................................................................................
3
1.5.1
毕业设计的目的..............................................................................................
3
1.5.2186F柴油机的基本参数.................................................................................
4
2曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择...................................................................
5
2.1
曲轴的工作条件和设计要求...................................................................................
5
2.2
曲轴的材料...................................................................................................................6
2.3
曲轴结构型式的选择.................................................................................................
6
2.4
曲轴强化的方法..........................................................................................................6
3曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计............................................................................
8
3.1
曲轴.................................................................................................................................8
3.1.1
曲轴简述............................................................................................................
8
3.1.2
曲轴设计............................................................................................................9
3.2
曲柄...............................................................................................................................
12
3.2.1
曲柄简述..........................................................................................................12
3.2.2
曲柄设计..........................................................................................................
13
3.3
飞轮...............................................................................................................................
13
3.3.1
飞轮的简述.......................................................................................................13
3.3.2
飞轮的设计.......................................................................................................
14
4柴油机曲轴的校核计算......................................................................................................
15
4.1曲轴的校核15
4.2曲轴的疲劳强度的计算15
总结
致谢
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
19
20
参考文献.....................................................................................................................................21
186F曲轴的设计与校核计算
186F曲轴的设计与校核计算
摘要
曲轴是柴油发动机的重要零件。
它的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和柴油发动机各辅助系统进行工作。
曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工尺寸精确，且润滑可靠。
本文主要分为四个部分：
第一部分为本文的开篇，即绪论部分，主要介绍柴油机、曲轴，对国内外研究现状进行综述和评价。
第二部分主要介绍了柴油机曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择。
第三部分是柴油机主要部件的设计。
第四部分以186F柴油机为例，通过查阅内燃机设计手册，对内燃机的曲轴运动部件做了校核。
最后，为本次毕业设计的总结，优缺点等。
本设计是根据被加工曲轴的技术要求，进行机械零件设计，然后根据内燃机设计的基本原理和方法，拟定曲轴设计方案，完成结构设计。
主要工作有：
绘制产品零件图，了解零件的结构特点和技术要求；绘制装配总图和主要零件图。
关键词：
内燃机；发动机；曲轴；设计
（此毕业设计获得
2013届优秀毕业设计荣誉，有完整的零件图，装配图
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I
186F曲轴的设计与校核计算
186FDESIGNANDCHECKING
CALCULATIONOFCRANKSHAFT
Abstract
Thecrankshaftisoneoftheimportantpartsofdieselengine.Itsroleistoputthepistonreciprocatinglinearmotionintorotarymotionandtheeffectonpistongaspressurebecometorque,usedtodrivemachineryanddieselengineseachauxiliarysystemtowork.Crankshaftunderchangingpressureatwork,theinertialforceandtheirmoment,thereforerequiresthecrankshafthashighstrength,stiffnessbig,wearability,shaftnecksurfaceprocessingsizeaccurate,reliableandlubrication.
Thispaperisdividedintofourmainparts:
thefirstpartofthisarticle,namelytheintroductionpart,mainlyintroducesthedieselengine,thecrankshaft,theresearchstatusathomeandabroadwerereviewedandsummarizedandevaluated.Thesecondpartmainlyintroducestheworkingconditionsofthedieselenginecrankshaft,structuraltypeandmaterialselection.Thethirdpartisthedesignofmainpartsofadieselengine.Thefourthpartwith186fdieselengineasanexample,throughtheconsultinternalcombustionenginedesignmanual,theinternalcombustionenginecrankshaftdidcheckthemovingparts.Asthesummaryofthisgraduationdesign,advantagesanddisadvantages,etc.
Thisdesignisaccordingtothetechnicalrequirementsoftheprocessingofthecrankshaft,themechanicalpartsdesign,andthenaccordingtothebasicprincipleandmethodofinternalcombustionenginedesign,proposeddesignofcrankshaft,completestructuredesign.Mainworkincludes:
mapparts,understandthecomponentsofthestructurefeaturesandtechnicalrequirements;Mappingthegenerallayoutandmainassemblyparts.
Keywerds:
internalcombustionengine;engine;crankshaft;design
II
186F曲轴的设计与校核计算
1绪论
1.1研究背景
柴油机与汽油机相比其燃料、可燃混合气的形成以及点火方式都不相同，
而柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度，因此柴油机的功率更大、经济性
能更好，这也导致柴油机工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和
刚度。
曲轴是发动机中最重要的零件之一。
它的尺寸参数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。
因为曲轴
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。
1.2国内外的研究现状与发展趋势
伴随着汽车工业的发展，我国发动机的曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。
曲轴在发动机中是承受载荷传递动力的重要零部件，也是发动机五大零部件中最难以保证加工质量的零部件，其性能、水平直接影响整机的性能水平及可靠性。
因此，各工业发达国家十分重视曲轴的生产，不断改进其材质及加工手段，以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。
近几年来，国内曲轴加工发展十分迅速。
尤其是大功率柴油机曲轴。
先进的加工工艺加工出的曲轴质量好、效率高且稳定，伴随着汽车工业的发展，我国的发动机曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。
近年来，我国专业生产内燃机曲轴的厂家通过引进外来技术和自行开发新技术，总体水平有了很大的提高，但是我国的技术水平距世界先进水平还是相差很远，甚至还无法满足我们国内燃机工业技术发展的需要。
随着现在发动机的高功率、高扭矩、高转速化的设计，人们对曲轴的性能指标的要求也越来越
1
186F曲轴的设计与校核计算
高，要求其能在高速运行的环境条件下仍然能够平稳、可靠地工作，所以对曲
轴的设计有了更高的要求。
目前曲轴的设计种类很多，常见的有曲轴的工作条
件和材料的选择、曲轴主要尺寸的确定和机构细节设计、曲轴的疲劳强度校核
等。
曲轴的结构尺寸、材料及强化工艺的确定是曲轴设计的核心，曲轴的校核
计算是对曲轴设计的最初验证及优化设计的重要方法之一。
对曲轴的校核计算
是对曲轴设计的又一次仿真实验，同时也是检验曲轴设计成败的一个重要环节。
曲轴在实际整机中的耐久性试验是对曲轴设计的一份最终答卷。
1.2.1曲轴结构设计的发展
曲轴结构设计在过去的几十年中得到了飞速的发展。
在曲轴设计的前期一
般是按照现有的经验公式计算或对现有的曲轴进行类比设计。
再有了初步的设
计之后造出曲轴样品然后进行试验，通过试验数据对曲轴的设计进行适当的改
进。
曲轴的设计计算发展到现在已经有了很大的进步。
随着现代内燃机正向高
可靠、高紧凑性、高经济性的方向不断的发展，传统的以经验、试凑、定性为
主要设计内容的设计方法已经不能满足现代科技发展的需要，伴随着高科技技
术的不断发展，内燃机及其零部件的设计的发展非常速速，现已经发展到了采
用包括有限元法、优化设计、动态设计等现代先进设计技术在内的计算机分析、
预测和模拟的阶段。
由于曲轴工作时所受载荷及约束均十分复杂，因此对整根
曲轴进行有限元计算不易获得成功。
较合理的模型是用较小的有代表性的一部
分来代表整根曲轴，例如用二分之一或四分之一的曲柄来建立计算模型。
其前
提是在适当的计算时间内获得足够的精度，同时也使力边界条件和约束边界条
件尽量简化。
随着现代计算机技术的飞速发展以及应用软件的开发这些在原来看来是不可能的事情在现在已经成为现实。
1.2.2曲轴强度计算发展
六十年代以前很长的一段的时间内，人们主要使用实验的手段来研究曲轴
的强度。
随着科学技术的飞速发展，最近几十年来曲轴计算方法的应用分析精
度有了很大的提高，目前可以相当精确地确定曲轴在任一工况下任一部位的应
力，因而对也可以作比较精确的评估曲轴的整体强度。
六十年代到七十年代，
2
186F曲轴的设计与校核计算
出现了整体曲轴计算的连续梁模型和空间钢架模型。
在六十年代末期，美国的
Poter提出了曲柄刚度的一种经验算法，由于计算方法比较繁琐，并且缺乏试验
和实践的验证。
随后，又有人提出了一种算法曲柄刚度的斜截面法，在计算精
度较有了新的提高，由于不能考虑到削去的肩部和中心油孔等因素的影响，刚
度的计算仍然比实测值大。
现在的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步一
是应力计算，求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力；二是在此基础上进行疲
劳强度计算。
常用的应力计算的方法有三种：
传统法、有限元法和边界元法。
1.3零件分析
曲轴的主要技术要求分析：
（1）主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级为IT6，表面粗糙度
Ra值为1.25～0.63μm。
一般轴颈长度公差等级为IT9～IT10。
轴颈的形状公差，
如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之内。
（3）位置精度，位置精度包括有主轴颈和连杆轴颈的平行度：
一般在100mm
之内不能大于0.02mm；曲轴的各主轴颈的同轴度：
对于小型高速曲轴的为
0.025mm，对于中大型低速曲轴为0.03～0.08mm。
（3）曲轴的各连杆轴颈的位置度应不大于±20。
′
1.4零件的作用
曲轴是柴油发动机的重要零件。
它的作用是把活塞的往复直线运动变成旋
转运动，将作用在活塞上的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和柴油发动
机各辅助系统进行工作。
曲轴在工作时承受着不断变化的压力、惯性力和它们的力矩作用，因此要
求曲轴具有强度高、刚度大、耐磨性好，轴颈表面加工尺寸精确。
1.5186F柴油机曲轴的设计目的
1.5.1毕业设计的目的
毕业设计是在校期间的最后一份作业；是对我们学生的综合素质与实践能
力培养效果的一个全面检测。
毕业设计的目的是培养学生的综合应用所学基础
3
186F曲轴的设计与校核计算
课程、技术基础课程、专业课基础知识和相应的技能，和解决内燃机零部件设
计问题的综合能力和创新能力，提高学生的综合素质以及分析问题和解决问题
的能力。
通过本次毕业设计能让学生更加熟练的运用所学的知识独立完成设计
任务。
通过大学期间理论知识的学习，结合曲轴生产的实际问题，运用内燃机设
计的基本理论和计算方法，独立地完成186F曲轴的设计与校核计算，达到综合
运用内燃机学的知识解决曲轴设计的实际问题。
1.5.2186F柴油机的基本参数
表1.1：
186F柴油机的技术参数
项目
参数
柴油机型号
186F
型式
单缸四冲程、风冷、直喷式
缸径×行程/mm×mm
86×70
压缩比
19
排量L
0.406
标定功率kW
5.7
最大扭矩转速r/min
1800
喷油器喷孔数×喷孔直径/mm
4×0.24
连杆长度/mm
117.5
供油（喷油）提前角/℃
17（12）BTDC
燃烧室形状
ω型
4
186F曲轴的设计与校核计算
2曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择
2.1曲轴的工作条件和设计要求
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
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