186F曲轴的设计与校核计算
3 曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计
在选定曲轴材料、毛坯制造及其基本结构型式后，便从单位曲拐（包括主轴颈、曲柄销和曲柄等主要部分）着手确定主要尺寸和结构细节。
曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的联系，曲轴的设计不能孤立地进行。曲轴长度方向的尺寸基本上取决于缸心距。所以，曲轴的基本尺寸大多根据发动机的总体布置来考虑。
3.1 曲轴
3.1.1 曲轴简述
（一）曲轴
曲轴是由曲柄，加上功率输出端和自由端组成。每个曲柄有曲柄臂、曲柄销和主轴颈三部分组成。曲轴的功用是把活塞的往复运动通过连杆变成旋转运动，以输送柴油机所产生的功率，并驱动柴油机的配气机构、喷油泵、机油泵、水泵以及其他附件工作。
图3.1 186F曲轴实物
（二）曲轴的工作条件
曲轴在工作中要承受扭转力矩的作用。除此之外，施加在连杆轴颈上的径向力还要使曲轴承受弯曲作用。因此，曲轴是在同时承受扭转力矩和弯曲力矩的复杂应力情况下工作的。 （三）曲轴的设计要求
曲轴的设计应符合下述要求：
（1）具有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。设计时应尽量减小应力集中，加强薄弱环节。
（2）具有足够的刚度，是曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆组及轴承
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的工作条件；同时应避免在工作转速范围内出现共振，以防产生过大的扭矩、横向和轴向震动的附加应力。
（3）轴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）曲柄排列应合理，以保证汽油机工作均匀；曲轴平衡性良好，以减小震动和主轴承最大负荷。
（5）材料选择适当，以充分发挥材料强度潜力。 （四）曲轴的结构形式
按结构形式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。
整体曲轴结构简单、重量轻、工作可靠、使用广泛，尤其在中高速汽油机上应用更为普遍。
3.1.2 曲轴设计
图3.1所示为186F柴油机的曲轴实物图，它是发动机的主要旋转部件，一般用钢锻制。曲轴所有支撑表面都经过仔细的机械加工和精密的研磨。平衡块用来平衡与曲轴销相连的连杆重量。因为铸造或锻造的连杆，重量不同，所以常常在平衡块上钻许多孔，以平衡曲轴和防止振动。
图3.2 曲轴主视图
图3.3 曲轴的左右平衡块剖视图
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图3.2、3.3为本文所设计的186F柴油机曲轴的主要视图（详见图纸）。 曲轴端和飞轮的中心孔是圆锥面配合，能很好地传递动力。当使用滚柱轴承来支撑曲轴时，要把抛光的高硬度合金钢轴承 压进曲轴箱，以减少摩擦并提高其耐磨能力。曲轴箱必须有足够的刚度和强度，以轴承曲轴旋转的离心力，同时使所有部件排列合适。有些发动机的曲轴箱内装有润滑油；有些发动机则使用允许燃油、空气和润滑油的混合物进入的阀门装置。曲轴箱必须设计好以保护内部的零件。密封垫、油封可不让污物进入和使清洁油不致流出。 （1） 曲柄销的直径D2和长度L2
在考虑曲轴颈的粗细时，首先是确定曲柄销的直径D2。由《内燃机设计》表5-1可知：单列式发动机的D2/D（曲柄销直径/气缸直径）比值在0.55～0.62范围。即D2=47.3～53.32mm。对于位于曲轴销上的每对气缸的最高往复惯性力的合成转变为一个旋转的离心力，同时加上曲柄销原有的离心力，使总的离心负荷变的非常的大。因此，为减轻离心负荷希望单列式发动机的D2/D较小。此外，一般曲柄销在发动机上并列着两个连杆，每个连杆都很窄，所以为保证轴颈长度和直径的比例最佳，D2/D应尽量较小。
综合上述情况，在本次设计中取曲柄销直径D2=50mm。
从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作出发，应使曲柄销的长度l2控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调。由《内燃机设计》表5-1可知。发动机曲柄销长度l2按l2/D=0.38～0.48取值，即l2=32.68～41.28mm时，轴承的承载能力最大。若l2过长，则流经轴承的机油量就减少，冷却度差，油温升高而使油粘度下降，轴承的承载能力反而降低。此外，轴承过长对曲轴变形的顺应性差，容易造成棱缘过负荷。轴承负荷越大，油膜厚度就越小，用相对较窄的轴承较好。为了保证曲柄强度，曲柄臂厚度应适当加厚，这也要求减小l2。所以本次设计中取l2=35mm，其宽度与滚针轴承相配合。
连杆轴颈的尺寸可以依据承压面的投影面积F2=0.01/D2l2 cm2与活塞投影面积F=πD2/400 cm2之比来校核。此比值据统计应在0.2～0.5范围内。而且汽油机偏下限，此发动机也偏下限。在本次设计中，
F2/F=
4D2l2=0.3014 （3.1） ?D2所以所设计的连杆轴颈符合要求。
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（2）主轴颈的直径D1
如果从曲轴沿全长度具有等刚度要求出发，可以认为主轴颈与曲柄销一样粗就行了。而从轴承负荷出发，由于主轴承最大负荷小于连杆轴承，因此主轴颈可以比曲柄销更细。为了最大限度地加强曲轴的刚度，可适当加粗主轴颈，这是因为加粗主轴颈能增加曲轴轴颈的重叠度，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，减轻扭振危害。同时，加粗主轴颈可相对缩短其长度，使曲柄加厚以加强整根曲轴的薄弱环节。
从曲轴各部分协调的观点，建议主轴颈D1的取值范围为D1=（1.05～1.25）D2=52.50～62.50mm。根据以上分析，则取D1=60mm。本设计中主轴颈选用滚动轴承，主轴颈长度与轴承宽度相配合，因此参照《机械设计手册》表3.11-15选取207GB276-64型单列向心球轴承，该轴承的宽度为17mm。 （3）曲轴两端的结构
曲轴上带动辅助系统的驱动链轮（正时链轮）一般装在曲轴的前端，对多缸发动机而言往往把传动齿轮装在曲轴后端。消除扭转振动的减振器无疑应装在曲轴前端，因为这里的振幅最大。驱动齿轮装在前端采用键连接。曲轴后端设有法兰和加粗的轴颈，飞轮与后端用螺栓和定位销连接。且定位销的布置是不对称的或只有一个。 （4）曲轴的止推
为了防止曲轴由于受热膨胀而伸长或受斜齿轮及离合器等的轴向力而产生轴向移动，在曲轴和机体之间设置了一个止推轴承。为了使曲轴相对于机体能自由的沿轴向作热膨胀，止推轴承只能设置一个，且设在前端，从而可以减小轴向移动对配气定时和供油定时的影响。
曲轴的轴向和间隙应保持△2=0.05～0.2（mm）。其它各主轴承面间隙应保证曲轴受热，伸长时能自由延伸。 （5）曲轴的油封装置
发动机工作时，为了防止曲轴前端沿着轴向漏油，曲轴应有油封装置。在高速内燃机上采用的油封结构都是组合式的，常用的有：
1）甩油盘和反油螺纹；
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