曲轴强度计算.docx
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曲轴强度计算
JX4D30曲轴强度计算
发动机开发部
汪恩波
曲轴的强度直接影响发动机寿命，因此曲轴强度计算是发动机设计
的重要环节。
最近几年来，随着计算机及其软件技术的发展，出现了许多先进的曲轴强度计算方法，但在设计的初始阶段，目前普遍采用上午还是曲轴强度估算法。
RICARDO
计算方法
该计算方法有两点假定：
（一）
曲轴的每一个曲拐是相互独
立的，不受其轴其他部分受
力的影响，并以简支梁的形
式支撑在主轴承上。
（二）
曲轴所受力是以点负荷的形
式作用在曲轴上。
已知条件
连杆轴颈
d=53
宽l=33
主轴颈
D=70
宽l=31
曲臂厚
h=19.5
宽B=110
重叠度
A=9.05
连杆长L=158mm
曲柄半径52.45mm
活塞行程S=104.9mm
圆角半径R=3.5mm
缸径d=95.4mm
发动机转速额定转速n=3600,r/min;
发动机最高转速n=4200r/min
最高燃烧压力pmax=160bar;
最大平均有效压力
pme=12.222bar;
活塞连杆组往复质量
m1=1.3195,kg;
活塞连杆组旋转质量
m2=0.8925kg.
曲轴材料
S53C屈服强度
δs=588Mpa
抗拉强度
δb=660Mpa
重叠度的定义：
重叠度A
DP
DJ
S
DJ为主轴径直径，S为活塞行程）
2
的定义（DP为连杆轴颈直径，
弯曲应力计算
1．曲轴受力计算
压缩上止点时的曲轴作用力
Fmax
FLmax
FpFj
FRmax
2
式中，Fj为活塞连杆组往复惯性力；
Fp为燃气作用力（N）;
FLmax、FRmax为左右两侧主轴承支撑力的最大值（
N）
Fj
2n
2
（
S）
10
5
18
S[m2m11
]
2L
Fj
236002
104.9[0.8925
（
104.9）
5
18
1.31951
2
]10
19734.1
158
Fp
d2pmax
4
Fp
d2pmax
95.42
16
114310N
4
4
Fmax
Fp
Fj
114310
19734
67022N
2
2
排气上止点时的曲轴作用力
Fj
Fmin
2
Fj
Fmin9867.5N
2
2、单个曲拐三个危险截面（A-A、B-B、C-C）上的弯矩经过计算
a=19.25mmb=32.5mmc=40.5mml=58mm
曲柄臂中央处（A-A）
MAmax
Fmaxa=67022x19.25=1290173.5Nmm
MAmin
Fmina=9867.5x19.25=189939.75Nmm
连杆轴颈圆角处（B-B）
M
Bmax
Fmaxb=67022x32.5=2178215Nmm
M
Bmin
Fminb=9867.5x32.5=314827.5Nmm
连杆轴颈中央处（C-C）
M
M
Cmax
Fmaxc=67022x32.5=67022x40.5=2714391Nmm
Cmin
Fminc=9867.5x40.5=399633.75Nmm
式中，MAmax、MAmin、MBmax、MBmin、MCmax、MCmin分别为曲拐三个危险截面上的最大和最
小弯矩（N.m）abc为曲轴有关尺寸，如图所示。
名义弯曲应力：
Mmax
nmax
Wb
Mmin
nmin
Wb
A-A处名义弯曲应力
Mmax
1290173.5
nmax
WbA
6930.6
186MPa
nmin
Mmin
189939.7
27MPa
Wb
6930.6
B-B处名义弯曲应力
nmax
Mmax
Mmax
2178215
149MPa
Wb
3
3
32
Dp
32
53
nmin
Mmin
Mmin
314827.5
22MPa
Wb
3
3
32
Dp
32
53
C-C处名义弯曲应力
nmax
Mmax
Mmax
2714391
186MPa
Wb
3
3
32
Dp
32
53
nmin
Mmin
Mmin
399633.75
27MPa
Wb
3
3
32
Dp
53
32
式中
nmax、nmin为三个截面的最大、最小名义弯曲应力（
Mpa）;
Mmax、Mmin分别为三个危险截
面的最大最小弯矩（
Nmm）;Wb为三个危险截面的抗弯截面系数（
mm3）。
名义弯曲平均应力及名义弯曲应力幅分别为
nm
nmax
nmin
2
A-A处名义弯曲应力幅
nmaxnmin
nm
2
nmaxnmin
na
2
106.5MPa
79.5MPa
B-B处名义弯曲应力幅
nmaxnmin
nm
2
nmaxnmin
na
2
=85.5Mpa
63.5MPa
C-C处名义弯曲应力幅
nmaxnmin
nm
2
nmaxnmin
na
2
=106.5Mpa
79.5MPa
4．弯曲应力
mbnm
abna
式中，
m、
a为弯曲平均应力幅（
Mpa）;
b为弯曲应力集中系数
A-
A处弯曲应力
m
b
nm
m
b
nm
2.15
106.5
229MPa
a
b
na
2.15
79.5
171MPa
max200MPa
min29MPa
B-B处
m
b
nm
m
b
nm
2.6
85.5
222MPa
a
b
na
2.6
79.5
207MPa
max
min
215MPa
8MPa
C-C处
m
b
nm
m
b
nm
2.15
106.5
229MPa
a
b
na
2.15
79.5
171MPa
max200MPa
min29MPa
切应力计算
1.扭矩计算
Tm
1.257
d2Spmei107
95.42104.91222.24107
291
4
4
1.257
Tmax
KTmax
8
291
2328Nm
Tmin
2Tm
Tmax
2
291
2328
1746Nm
式中，Tm为发动机平均扭矩（
N.m）;
pme为最大平均有效压力（
kPa）;系数K为
K=8（4缸机）
2．名义切应力
nmax
Tmax
2328
79.6MPa
Wt
D3p
16
nmin
Tmin
Tmin
1746
59.8MPa
Wt
Dp3
Dp3
16
16
式中，
nmax、nmin为名义最大、最小切应力（
Mpa）;Wt为连杆轴颈的抗扭截面系数（
mm3）,
Wt
Dp3
.
16
名义平均切应力及名义切应力幅分别为
nmaxnmin
nm
2
77.659.8
2
8.9MPa
nmaxnmin
na
2
2.切应力
77.659.8
2
68.7MPa
mtnm
atna
式中，
m、a为平均应力幅（Mpa）;
t为切应力集中系数。
A-A
处及C-C处
m
tnm
m
t
nm
1.005
8.9
9MPa
a
t
na
1.005
68.7
69MPa
max
78MPa
min
60MPa
B-B处
m
t
nm
3.1
8.927MPa
m
t
nm
3.1
68.7
213MPa
max
min
240MPa
186MPa
等效应力e
弯曲应力及切应力的等效应力由下列计算
主应力
22
p1（）
22
p2
2
2
（）
2
2
等效应力
ep12p22p1p2
式中，e为等效应力（Mpa）;p1、p2为主应力（Mpa）。
1.名义主应力及名义等效应力为
A-A和C-C截面
p1nmax
p1nmax
p2nmax
p2nmax
p1nmin
p1nmin
p2nmin
p2nmin
nemax
nemax
nemin
nemin
nmax
（nmax
2
2
）
nmax
2
2
200
（
200
2
2
228MPa
2
2
）
79.6
nmax
（nmax
2
2
）
nmax
2
2
200
（
200
2
2
28MPa
2
）
79.6
2
nmin
2
2
（nmin）
nmin
2
2
29
（
29
2
2
76MPa
2
）（
59.8）
2
2
2
nmin
（nmin）
nmin
2
2
29
（
29
2
2
47MPa
2
2
）（
59.8）
p12nmax
p22nmax
p1nmaxp2nmax
2282
（
28）2
228
（
28）
243MPa
p12nmin
p22nmin
p1nminp2nmin
762
（
47）2
76
（
47）
108MPa
对于B-B截面
p1nmax
nmax
（nmax
2
2
）
nmax
2
2
p1nmax
215
（
215
2
2
241MPa
2
）
79.6
2
p2nmax
nmax
（nmax
2
2
）
nmax
2
2
p2nmax
215
（
215
2
2
26MPa
2
）
79.6
2
p1nmin
2
2
nmin
（nmin）
nmin
2
2
p1nmin
8
（
8
2
2
64MPa
2
2
）（
59.8）
p2nmin
2
2
nmin
（nmin）
nmin
2
2
p2nmin
8
（
8
2
2
56MPa
2
）（
59.8）
2
nemax
p12nmax
p22nmax
p1nmaxp2nmax
nemax
2412
（
26）2
241
（
26）
255MPa
nemin
p12nmin
p22nmin
p1nminp2nmin
nemin
642
（
56）2
64
（
56）
104MPa
2.实际主应力及实际等效主应力为
p1max
2
2
max
（max）
max
2
2
p2max
2
2
max
（max）
max
2
2
p1min
min
（min
2
2
）
min
2
2
p1min
min
（min
2
2
）
min
2
2
emax
p21max
p2
2max
p1maxp2max
emin
p21min
p2
2min
p1minp2min
A-A和C-C点
p1max
p1max
p2max
p2max
p1min
p1min
p2min
p2min
emax
emax
emin
emin
max
（max
2
2
）
max
2
2
200
（
200
2
78
2
227MPa
2
2
）
max
（max
2
2
）
max
2
2
200
（
200
2
78
2
27MPa
2
2
）
min
（
2
2
min）
min
2
2
29
（
29
2
（
60）
2
76MPa
2
2
）
（
2
2
min
min）
min
2
2
29
（
29
2
60）
2
47MPa
2
2
）（
p21max
p22max
p1maxp2max
2272
（
27）2
227
（27）
242MPa
p21minp2
2min
p1minp2min
762
（
47）2
76（
47）
108MPa
对于B-B截面
p1max
max
（max
2
2
）
max
2
2
p1max
215
（
215
2
78
2
240MPa
2
2
）
p2max
max
（max
2
2
）
max
2
2
p2max
215
（
215
2
78
2
82MPa
2
2
）
p1min
（
2
2
min
min）
min
2
2
p1min
8
（
8
2
60）
2
64MPa
2
2
）（
p2min
（
2
2
min
min）
min
2
2
p2min
8
（
29
2
2
56MPa
2
）（60）
2
emax
p21max
p2
2max
p1maxp2max
emax
2402
（
82）2
227
（
82）
288MPa
emin
p21min
p2
2min
p1minp2min
emin
642
（
56）2
64
（
56）
104MPa
曲轴为钢时的平均应力及应力幅
曲轴为钢时，应力集中系数只影响应力幅的值，而对平均应力无影响。
因此，在计算平均等效应力时，
应以名义主应力来计算等效平均应力，而用实际主应力来计算等效应力幅，式中，
em、
ea为等效
平均应力及等效应力幅（
Mpa），即
对于A-A和C-C截面：
nemaxnemin
em
2
emaxemin
ea
2
243108
67.5MPa
2
242（108）
175MPa
2
对于B-B截面
nemaxnemin
em
2
emaxemin
ea
2
255104
76MPa
2
288（104）
196MPa
2
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