燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书
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）曲轴结构设计； 3）飞轮的设计计算 4）飞轮的结构设计
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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
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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，
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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，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
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