发动机构造课程设计说明书讲诉.docx

1、发动机构造课程设计说明书讲诉燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 汽车发动机曲轴飞轮组设计 学 院： 车辆与能源学院 年级专业： 热能10级 学 号： 100113020030 学生姓名： 刘春辉 指导教师： 于敏之 张静 教师职称： 副教授 讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：车辆学院 基层教学单位： 热能与动力工程系 学 号100113020030 学生姓名刘春辉专业（班级）10热能1班设计题目发动机曲轴飞轮组设计设计技术参数1. 曲轴飞轮组的设计计算；2. 曲轴飞轮组的结构设计；3. 校核分析。设计要求1. 参照相应实物测绘或相关资料推演尺寸为依据，进行进行相关计算、校核；

2、2. 绘制设计图纸（装配图、主要零件图）；3. 编写课程设计说明书。工作量1、 5000字左右说明书一份，包括：A 结构原理综述；B 设计参数；C 结构设计、计算及校核；2、 A1整体图1张，主要结构图2-3张总图量不少于1张A0。工作计划1、课程设计概述，布置题目（设计题目、要求），第1天；2、收集资料，第2天；3、设计计算，第3-5天；4、总体结构设计，第6-9天；5、主要零件绘制，10-17天；6、说明书，第17-19天；7、答辩、考核、上交课程设计说明书，第20天。参考资料1、汽车构造（第3版上册），陈家瑞，机械工业出版社2009.2；2、汽车发动机构造图册日本GP企业，董铁有译人民交

3、通出版社2005.1；3、汽车构造图册（发动机），张则曹（第三版）人民交通出版社2010.6；4、汽车构造（上册）发动机构造，罗灯明，段兴华，北京大学出版社2010.8；指导教师于敏之 张静基层教学单位主任王华山说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2013年12月23日 目 录摘要第一章 绪论1 1.1选题的目的及意义 1 1.2国内外的研究现状 11.3设计研究的主要内容 1第二章 机构方案分析 22.1 曲轴飞轮组机构的组成2第三章 曲轴的设计33.1 曲轴的设计要求33.2 曲轴的设计步骤43.3 曲轴的结构形式及其选择53.4 曲轴的材料选择63.5 曲轴主要

4、尺寸的确定和结构设计63.6 曲轴平衡块93.7 曲轴的端部结构11第四章 飞轮的设计与计算 124.1飞轮的作用124.2飞轮的设计与计算13第五章 心得体会 17第六章 参考文献18摘 要近些年来，我国的发动机曲轴飞轮生产行业得到较大的发展，总量以具有相当的规模，无论是设计水平，还是产品种类、质量、生产规模、生产方式都有很大的发展。曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮以及其他不同作用的零件和附件组成。其零件和附件的种类和数量取决于发动机的结构和性能要求。曲轴飞轮组的作用是把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，为汽车的行驶和其他需要动力的机构输出扭矩。同时还储存能量，用以克服非做功行程的阻力，使发动机

5、运转平稳。关键词：曲轴飞轮组，曲轴，飞轮，三维设计 第一章 绪论1.1 选题的目的及意义曲轴作为发动机最重要组成零件之一，是承受连杆传来的力，并将其转变为扭矩，然后通过飞轮输出，另外，还用来驱动发动机的配气机构及其他辅助装置(如发电机、风扇、水泵、转向油泵等)。，其设计是否合理决定了发动机的设计成败，同时也对发动机的紧凑性、可靠性、耐久性、经济性有着至关重要的影响。随着现在发动机高升功率、高升扭矩、高转速化的设计，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其曲轴提出了更高的要求。飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是将在作功行程中输入于曲轴的功

6、能的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点。保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，此外，飞轮又往往用作摩擦式离合器的驱动件。1.2 国内外的研究现状内燃机曲轴飞轮的优化设计是现代高性能内燃机的要求。相对于以往的传统设计方法，现代的优化设计过程更加注重曲轴的实际运行情况。优化后曲轴和飞轮不仅在结构和尺寸上更加合理，运行寿命得到延长，而且设计周期大大降低。在国内外学者的共同努力下，曲轴飞轮组的优化设计得到了比较迅速的发展。1.3 设计研究的主要内容对曲轴飞轮组进行简单研究，主要的研究内容有：1）曲轴的设计计算；2）曲轴结构设

7、计；3）飞轮的设计计算4）飞轮的结构设计第二章 机构方案分析2.1 曲轴飞轮组机构的组成曲轴飞轮组包括曲轴、正时齿轮、起动爪、带轮、飞轮等。1、曲轴 曲轴的作用是把连杆传来的推力变成旋转的扭力，经飞轮传给离合器，同时还带动凸轮轴及风扇、水泵、发电机等工作。曲轴一般由前端(自由端)、主轴颈、曲柄、平衡重、连杆轴颈(曲柄销)和后端(动力输出)组成。由一个连杆轴颈、和它左右主轴颈组成一个曲拐。曲轴的曲拐数取决于气缸的数目和排列方式。直列式发动机曲轴的曲拐数等于气缸数；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。（1）主轴颈 主轴颈是支撑曲轴的部分，经曲轴主轴承（俗称大瓦）安装在气缸体的主轴承座上。按照曲

8、轴的主轴颈数；可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴两种。曲轴大多采用全支承，即每道连杆轴颈的两侧均有主轴颈。全支承曲轴的优点是可以提高曲轴的刚度，并且可减轻主轴承的载荷。其缺点是曲轴长度较长使发动机机体长度增加。（2）连杆轴颈 连杆轴颈用来安装连杆大头。直列型发动机曲轴的连杆轴颈与气缸数相同，V型发动机曲轴的连杆轴颈等于气缸数的一半。（3）曲轴臂 曲轴臂又称曲柄，连杆轴颈通过它与主轴颈相连。（4）平衡块 平衡块位于曲柄的延长部分，其作用是平衡连杆大头、连杆轴颈等机件运转时所产生的离心力，以及活塞连杆组作往复运动时所产生的惯性力。平衡块通常与曲柄铸为一体，也有的曲轴是把平衡块与曲轴分开铸造，然

9、后用螺栓联接在一起。（5）曲轴前端 曲轴前端用来安装起动爪、带轮、正时齿轮（切诺基汽车发动机为正时链轮）等。2、飞轮 飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是将在作功行程中输入于曲轴的功能的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点。保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，此外，飞轮又往往用作摩擦式离合器的驱动件。为了在保证有足够的转动惯量的前提下，尽可能减小飞轮的质量，应使飞轮的大部分质量都集中在轮缘上，因而轮缘通常做得宽而厚。曲轴飞轮组的结构，见图1图1、曲轴飞轮组结构三维图第三章 曲轴的设计3.1曲轴的设计要求曲轴是发

10、动机的主要运动件，其性能直接影响着发动机的可靠性和寿命。随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加苛刻。由于周期性变化的气体压力，往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭拒共同作用，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，还要承受一定的冲击载荷，轴颈表面受到磨损，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈表面的严重磨损，统计分析表明，破坏的曲轴中有80%左右是由弯曲疲劳产生的。在发动机工作中，曲轴承受周期性变化的气体压力、旋转质量的离心力和往复惯性力以及它们的力矩的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，产生疲劳应力状态。因此，在设计曲轴时，为了保证工作可靠，要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作表面要求耐

11、磨而且润滑良好，还必须有很高的动平衡要求，正确选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料与工艺，使其具有较高的疲劳强度，刚度及良好的动态特性。综上所述，曲轴设计时应符合以下要求：1有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。设计时应尽量减少应力集中，加强薄弱环节；2有足够的刚度，使曲轴变形不致过大；3颈具有良好的耐磨性。应根据轴颈比压，选取适当的轴承材料、轴颈硬度和加工精度，以保证曲轴和轴承有足够的寿命；4柄排列合理，以保证柴油机工作均匀；曲轴平衡性好，以减小振动和主轴承最大负荷；5料选择适当，以充分发挥材料强度潜力。所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都应该在轻的结构重量下实现。同时，随着内燃机的不断发展

12、，各项指标的强化，曲轴的结构也应留有发展的余地。由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映实际的理论公式可供通用。因此，目前曲轴的设计主要是依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料。借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计、强度复核、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。3.2曲轴的设计步骤曲轴设计在柴油机总体设计阶段就开始进行。设计步骤大致如下：1根据柴油机的用途，强化程度，生产批量，缸心距以及活塞行程等参数，选择适当的曲轴材料，结构形式，毛坯制造方法及必要的强化工艺。2依据柴油机相似原则以及经验，初步选定曲柄销，主轴

13、颈和曲柄臂的尺寸。3根据柴油机冲程数，气缸数目和排列方式，发火顺序，从保证扭矩均匀，平衡性良好，主轴承负荷不要过大等原则出发确定曲柄排列。曲轴计算：初步选定曲轴尺寸后，需对曲轴进行平衡性计算和曲轴疲劳强度计算，以验证所设计曲轴是否满足前述各项设计要求。根据上述计算结果，决定是否需要修改设计。上述方法需反复进行，并最终确定曲轴的尺寸，平衡块的大小和布置方式，润滑油道的布置，完成曲轴两端的设计，绘制出曲轴零件图。3.3曲轴的结构形式及其选择按支承方式曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴。全支承曲轴是每两个气缸间均设有主轴承的曲轴；而非全支承曲轴是每隔两个气缸设有一个主轴承的曲轴。由于柴油机的爆发压力较

14、高，因而一般都采用全支承曲轴；仅有个别小缸径柴油机为缩短缸心距，减少主轴承数，采用非全支承曲轴。按结构型式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。1、整体式曲轴，整体式曲轴的毛坯是由整根钢料锻造或用铸造方法浇铸出来的。整体式曲轴结构简单，重量轻，工作可靠，而且刚度和强度较高，加工面也比较少，在中高速柴油机上应用非常普遍。2、组合式曲轴，组合式曲轴是把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。按划分单元体的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴。大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用组合式曲轴。综上所述，此次设计采用整体式曲轴。由于此次设计的是直列四缸柴油机，故选用平面（图2）布置，该方案的

15、不平衡系数较小，易于采取平衡措施图2 曲轴曲柄布置形式3.4曲轴的材料选择常用的曲轴材料有可锻铸铁，合金铸铁，球墨铸铁，碳素钢和合金钢等，相应的毛坯也分为铸造与锻造。锻造曲轴一般采用中碳钢或者合金钢制造，毛坯生产需要大型锻压设备，虽然毛坯尺寸比较精确，减少了加工余量，提高了材料利用率，此外，锻造能够使材料的金属纤维成方向性排列，纤维方向和曲轴形状大致相符，这大大提高了曲轴的抗拉强度和弯曲疲劳强度。但是锻造曲轴成本过高，大约是球铁曲轴的3-7倍。虽然铸造曲轴主要是球铁曲轴有很多缺点，例如弯曲疲劳强度比较低，较容易发生断裂，相同尺寸的球铁曲轴与锻造曲轴相比，刚度差。但它的优点也相当明显，例如球墨铸

16、铁曲轴经正火处理后的机械性能已接近蔌超过一般的中碳钢，尽管钢的疲劳强度比球墨铸铁高，但曲轴的结构复杂，钢曲轴难免会有油孔、过渡圆角和材质上留有缺陷面造成应力集中，从面降低了曲轴的疲劳强度。球铁可以铸造出复杂的曲轴形状，使其应力分布均匀，且球墨铸铁对缺口敏感度低、变形小，使球墨铸铁曲轴的实际弯曲的扭转疲劳强度与正火中碳钢相近。球铁曲轴的耐磨性好，吸振能力强，有较好的自润滑和抗氧化性能。综上分析，我采用球墨铸铁曲轴。3.5曲轴主要尺寸的确定和结构设计在设计汽车拖拉机这一类高速内燃机的曲轴时，它的基本尺寸大多根据结构布置上的要求来确定，再由强度校核修正。因为曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴

17、的设计不能孤立进行。各部分尺寸多以与气缸直径的相对值表示，而气缸直径又是限制曲柄销直径的重要因素。曲柄长度方向的尺寸基本上决定于气缸中心距。1、曲柄销的直径和长度在考虑曲轴轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径。在现代发动机设计中，一般趋向于采用较大的值，以降低曲柄销的比压，提高连杆轴承工作的可靠性，提高曲轴的刚度。但是，曲柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，对曲轴及轴承的工作带来不利。因为随曲柄销直径增大带来的轴系自振频率增加，会被旋转质量增加引起的自振频率下降所抵消，可能增加扭转振动的危害。此外，曲柄销直径增大也会增加轴承摩擦功率损失，导致轴承温度升高，增加润滑油热负荷

18、。为此，曲柄销直径不应取得较大。曲柄销的长度是再选定的基础上考虑的。表1 曲轴主要结构尺寸的统计范围（车辆用）机型结构尺寸柴油机汽油机直列直列直列直列主轴径/D0.700.800.750.850.750.850.850.950.650.700.600.70/D0.300.360.240.300.300.350.250.30连杆轴径/D0.600.700.670.720.630.720.600.650.550.62/D0.320.370.230.280.310.350.450.60曲柄臂h/D0.220.280.200.250.180.250.180.22b/D1.051.31.01.30.75

19、1.20.751.2过渡圆角r/0.030.050.030.05平衡重/S0.80.90.91.00.80.91.01.1根据表1，初步选取曲柄销的直径=（0.600.70）D=6677mm, 取=70mm;曲柄销的长度=（0.350.45）D=38.549.6mm, 取=43.2mm2、主轴颈的直径和长度：从轴承负荷出发，主轴颈可以比曲柄销细些，因为主轴承最大负荷小于连杆轴承。但是为了最大限度地增加曲轴的刚度，加粗主轴径是有很大好处的。因为第一，加粗主轴径不同于加粗曲柄销那样有很多副作用，加粗主轴颈能增加曲柄轴颈的重叠度，从而提高曲轴刚度，但几乎不增加曲轴的转动惯量，故可提高自振频率，减轻扭

20、振危害；第二，加粗主轴颈后可以相对缩短其长度，从而给加厚曲柄臂，提高其强度提供可能。根据表1，初步选取主轴颈直径=（0.700.80）D=7788mm取=85mm主轴颈长度=（0.350.50）D=38.555mm 取=40mm3、曲柄臂：曲柄臂是曲轴中最薄弱的部分之一，它在曲柄平面内的抗弯刚度和强度都较差。实践表明：由交变弯曲应力造成的曲柄臂断裂是曲轴的主要损坏型式。曲柄臂应选择适当的厚度，宽度，以使曲轴有足够的刚度和强度。曲柄形状应合理，以改善应力分布。现代高速内燃机曲柄的形状大多采用椭圆形和圆形。试验证明：椭圆形曲柄具有最好的弯曲和扭转刚度。其优点是尽量去掉了受力小或不受力的部分，其重量

21、减轻，应力分布均匀。但加工方法较复杂，采用模锻或铸造的方法可以直接成型。根据表3-1, 初步选取曲柄臂厚度h=（0.210.28）D=23.330.8mm 取h=24mm；曲柄臂宽度b=（1.051.30）D=115.5143.5mm 取b=120mm。4、曲轴圆角：曲轴主轴颈和曲柄臂连接的圆角称为主轴颈圆角，曲柄销和曲柄臂连接的圆角称为曲柄销圆角。由于曲柄销圆角和主轴颈圆角是曲轴应力最大的部位，且应力沿圆角轮廓分布也极不均匀，故圆角的轮廓设计十分重要。曲轴圆角半径r应足够大，根据表3-1, r/=0.030.05=2.14.0mm，圆角半径过小会使应力集中严重。为了增大曲轴圆角半径，且不缩短

22、轴颈有效工作长度，可采用沉割圆角，设计沉割圆角时应该保证曲柄臂有足够厚度。曲轴圆角也可由半径不同的二圆弧和三圆弧组成。当各段圆弧半径选择适当时可提高曲轴疲劳强度，增加轴颈有效承载长度。本次设计遵循以上原则，选取圆角半径 r=4mm。3.6曲轴平衡块曲轴平衡块的作用是平衡连杆大头，连杆轴颈和曲柄等产生的离心惯性力及其力矩，有时也可以平衡往复惯性力及其力矩，以使发动机运转平稳，并可以减速小主轴承的负荷。随着柴油机转速的提高，多数离心惯性力和离心惯性力矩已自行平衡的曲轴也配置平衡块，这主要是为了减轻主轴承的最大负荷，保证轴承有良好的润滑条件，减小曲轴和曲轴箱所受的离心惯性力矩。但曲轴配置平衡块后，重

23、量增加，制造工艺复杂，曲轴系统扭转振动自振频率降低。因此，应根据转速，曲轴结构，曲柄排列，轴承负荷以及对平衡的要求等因素综合考虑是否配置平衡块。一般低速柴油机不需要配置平衡块，高度柴油机则需要配置平衡块。平衡方案的选择，平衡块重量的计算与布置，应该仔细考虑。平衡块的重心应尽量远离曲轴中心线，以提高平衡效果。但平衡块一般不超过曲轴旋转所扫过的范围。平衡块厚度一般与曲柄臂相同。四缸以上的直列发动机，虽从整体来说，其惯性力及其力矩是平衡的，但曲轴局部却受弯矩作用，如图3所示。图中惯性力F1=F2=F3=F4，M1-2=M3-4，所以整体上曲轴受力和力矩是平衡的。但从局部上看，1、2缸曲轴和3、4缸曲

24、轴分别受弯矩M1-2 和M3-4 的作用，两个力矩给曲轴造成了弯曲负荷，会造成曲轴弯曲并加重轴承的负荷。为了减轻主轴承负荷、改善其工作条件，一般都在曲柄的相反方向上设置平衡重，分别在曲柄的背面设置平衡重使其产生的力矩与上述惯性力矩M1-2、M3-4相平衡(图4)。、图3 无平衡重曲轴的相平衡图4 加平衡重曲轴相平衡3.7曲轴的端部结构曲轴两端分别为自由端和输出端。大多数柴油机的机油泵，水泵等辅助装置的驱动齿轮以及曲轴的扭转减振器均安装在自由端。飞轮装于输出端，柴油机产生的功率经输出端输出，但在某些工程机械或农用柴油机上，曲轴自由端也可输出部分乃至全部功率。驱动配气机构和喷油泵的曲轴正时齿轮布置

25、于自由端或输出端。当曲轴正时齿轮布置在输出端时，可将正时齿轮直接制造在曲轴上。曲轴输出端一般借法兰通过定位销和螺栓来安装飞轮。为提高曲轴的扭转刚度，最后一道主轴承至曲轴法兰的轴段应尽量短粗，甚至其直径和曲轴法兰相同，这样也便于套装油封。曲轴法兰大小应根据主轴承直径及油封装置来决定。飞轮紧固螺栓分布的圆周直径，最好使螺栓孔位于主轴颈外，并能让开主轴颈到法兰过度圆角。曲轴三维图如图5所示。图5 曲轴三维图曲轴零件图如图6图6 曲轴零件图第四章 飞轮的设计与计算4.1飞轮的作用飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是将在作功行程中输入于曲轴的功能的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄

26、连杆机构越过上、下止点。保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，此外，飞轮又往往用作摩擦式离合器的驱动件。由于曲轴所发出的扭矩是个周期变化的量，当它大于有效阻力矩时，曲轴就加速，反之就减速，造成曲轴转速的波动，减小这种波动的措施有两种：一是增加内燃机的气缸数，另一措施是在曲轴上加装飞轮。在本次设计中，任务给定是四缸，所以我们在曲轴上加装了飞轮。对任何往复式内燃机，其输出扭矩即使在稳定工况下也是不断周期性变化的。通常用扭短工 不均匀系数来判断发动机合成扭矩的均匀程度。但发动机所带动的耸动装置的有效阻力矩一般是定值。因此，当曲拐在某一位置时，发动机的输出扭矩有

27、可能大于或小于由其所带动的阻力矩。当发动机的输出扭矩大于有效阻力矩时，曲轴就加速，反之则减速，造成曲轴转速的波动。我们把曲轴转速忽快忽慢的这种现象称之为曲轴回转不均匀性。发动机转速波动会产生一系列不良后果。如发动机驱动件与被它带动运转的从动件之间产生冲击，影响工作可靠性，降低使用寿命，产生噪音；同时使测试仪器的工作不稳定；曲轴回转的不均匀还会引起曲轴的振动。所以曲轴回转的不均匀生应控制在允许范围内。要想提高发动机的运转的稳定性，降低曲轴角速度波动的措施有：一、增加气缸数，点火均匀，使由于气缸间歇性工作带来的冲击减少。二、增加发动机转动惯量，使角速度波动率减小。由于气缸数已经确定，只能通过安装飞

28、轮来提高发动机的运转稳定。当输出扭矩大于阻力矩时，飞轮就将多余的功吸收而使转速略增；当阻力矩大于输出扭矩时，飞轮则将其储存的能量放出，此时飞轮的动能减小，而发动机转速略减。可见飞轮是一种动能储存器，它起着调节曲轴转速变化稳定转速的作用4.2飞轮的设计与计算在飞轮的设计中，我们先根据经验定出其外径、内径和厚度b，然后在根据经验公式对其进行校核。图7 飞轮的各部分的尺寸示意图尺寸的初步确定：飞轮外径（2.53.5）S=300420 mm 取=380mm；轮缘厚度h=()=3216 mm取h=30 mm =-2h=320mm； 取 b=30mm；飞轮的圆周速度：v= （4-1）=36.84m/s由于

29、v3550 m/s 因此选取的合格。表2 不同缸数i四冲程发动机的扭矩不均匀系数和盈亏功系数i110201.11.828150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.01由任务给定的数据，选取各种相关系数：运转不均匀系数=；飞轮转动惯量占内燃机总转动惯量的分数=0.85；盈亏功系数=0.6；飞轮的转动惯量： （4-2） = =0.5172802404（kg）由初步确定的尺寸按5-2式可计算出飞轮的重量： （4-3）HT250的密度，取7.34 =154.3510272（N）再由式5-3可计算出假设飞轮的转动惯量： （4-4） =0.342663218（kg）由于，所以，此飞轮合格图8 飞轮三维图图9 飞轮零件图曲轴飞轮的装配图如图11图10 曲轴飞轮装配图第五章 心得体会经过一个月的忙碌和工