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2.5 曲轴的材料

曲轴的常用材料根据其毛坯制造方法的不同可分为锻造曲轴材料和铸造曲轴材料两大类。锻造游客分为自由锻、模锻和镦锻。自由锻适用于较小设备生产大型曲轴，但效率太低，加工余量也大。模锻需要一套较贵的锻模设备和较大的锻压设备，生产效率价高。镦锻可节约大量金属材料和机械加工工时，且加工出的曲轴能充分发挥材料的强度。

锻造曲轴常用材料为普通碳素钢及合金钢。铸造曲轴常用材料为球墨铸QT60-2、可断铸铁KTZ70-2、合金铸铁及铸钢ZG35等。在强化程度要求不高的内燃机中，一般选用普通碳素钢，碳素钢的韧性比合金钢高，可以降低扭转振动振幅。合金钢多用于强化要求高的柴油机曲轴，其疲劳强度高但对应力集中敏感性大，因而对机械加工要求也高。球墨铸铁价格低廉，制造方便，对应力集中不敏感，并可以通过合理的造型降低应力的集中，还可通过加入合金元素、热处理、表面强化等方法提升其性能。因此对于要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐严重的热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性的曲轴较适用【29】。但球墨铸铁延伸率、冲击韧性、弹性模数及疲劳强度较低，在使用其作为曲轴材料时，应该确保轴颈和曲柄臂厚度较粗。

曲轴的材料应具有较高的疲劳强度、必要的硬度以及较好的淬透性。在选取材料是不仅要考虑到机械性能，同时也要考虑工艺性、资源性和经济性。在选择材料时，需要根据内燃机类型、用途及生产条件，确定曲轴毛坯的制造方法。并参考同类近似机型所用材料，根据曲轴受力情况和使用习惯，凭经验选取。

根据上述各种毛坯制造方法及材料特点，并结合1015柴油机结构、实际受力状况及用途，本设计曲轴毛坯采用铸造方法，曲轴材料选择球墨铸铁QT60-2。 2.6 曲轴的主要部件设计 2.6.1 主轴颈和曲柄销

主轴颈和曲柄销是曲轴最重要的两对摩擦副，他们的设计直接影响了内燃机的工作可靠性、外形尺寸及维修。轴颈的尺寸和结构与曲轴的强度、刚度及润滑条件有密切的关系。曲轴的直径越大，曲轴的刚度也越大，但轴颈直径过大会引起表面圆周速度增大，导致摩擦损失和机油温度的增高。曲柄销直径的增大会引起旋转离心力及转动惯量的剧烈增加，并使连杆大头的尺寸增大，这不利于连杆通过气缸取出，因此在保证轴承比压不变的情况下，采用较大的轴颈直径D1,减小主轴颈长度L1,这有利于缩短内燃机的长

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度或者加大曲柄臂的厚度采用短而粗的主轴颈可提高曲轴扭振的自振频率，减小在工作转速范围内产生共振的可能性。一般情况下曲柄销直径D2总是小于主轴颈直径D1【30】。 2.6.2 曲柄臂

曲柄臂在曲柄平面内的抗弯曲刚度和强度都较差，往往因受交变弯曲应力而引起断裂。因此曲柄臂是整体曲轴上最薄弱的环节，设计时应注意适当的宽度和厚度，并选择合理的形状，以改善应力的分布状况。增大曲柄臂的厚度和宽度都可以增大曲柄臂的强度，而从提高曲柄臂的抗弯强度来说，增加厚度比增加宽度效果要好得多【31】。 2.6.3 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。这些过渡圆角能够减小应力集中，提高疲劳强度，其半径的增大与其表面光洁程度的提高，是增加曲轴疲劳强度的有效措施【32】。

曲轴圆角半径r应足够大，但是圆角半径过小会使应力集中严，而圆角半径的增大会使轴颈承压的有效长度减小，因而也会减小轴承承压面积。为增大曲轴圆角半径，且不缩短轴颈的有效工作长度，可采用沉割圆角，但设计沉割圆角时应注意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。

由于沉割圆角和二圆弧以及三圆弧设计工艺十分的复杂，设计要求较高，以我们现阶段的水平难以得出准确结果，故而本设计采用等圆弧圆角。由《柴油机设计手册（上）》可知：r/D?0.045，即r?5.94mm。故取曲轴圆角半径r=6.00mm。 2.6.4 润滑油道

轴承的工作能力在很大程度上决定于摩擦表面的额润滑品质。因此，为了保证轴承的可靠性，主轴颈和曲柄销通常都采用压力润滑。

曲轴上油道和油孔的设计，对于曲轴轴承的润滑及曲轴强度都有重要的影响，因此必须十分慎重的选择油道方案和确定油孔的位置。

将润滑油输送到曲轴油道中去的供油方式有两种：一种是集中供油，即将曲轴内部做成中空的连续孔道，作为内燃机的主油道，机油从曲轴的一端输入曲轴，然后经曲轴内孔串联流向各轴承；另一种是分路供油，即机油从曲轴箱上的主油道并联进入各个主轴承，然后通过曲轴的油道再进入相应的连杆轴承。

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采用集中供油时，因为机油从一端进入曲轴后需要克服很大的离心力和流动阻力，才能供到另一端的轴承，压力损失较大。为了保持最后润滑的轴承仍有一定的油压，进入轴承的油压必须很高，这使得曲轴油腔的密封结构复杂。因而多数内燃机采用分路供油，且本设计也采用分路供油。

油道布置主要根据润滑供油充分和对曲轴疲劳强度的影响来决定，主轴颈上的油孔入口应保证像曲柄销供油充分；曲柄销上的油孔出口应设在较低负荷区，以提高轴瓦的供油能力，油孔的位置应参考轴承负荷图和轴心轨迹图来确定。油道的取向对扭转疲劳强度的影响很显著。

图2.2

曲轴中油道的布置有很多方式，其中斜线油道在结构上是最简单的，如图2.2所示。但其缺点是曲柄臂与轴颈过渡处被削弱，降低了曲轴的强度，油道与轴颈的表面交线呈椭圆形，斜角愈大椭圆度愈大，油孔边缘处的应力集中就愈严重，斜线油孔加工工艺复杂，为避免上述缺点，可从曲柄臂肩部钻一斜孔，贯通曲柄销和主轴颈，再在此两个轴颈上钻直油孔接通，最后将曲柄臂肩部孔堵死。

油道也可布置成如图2.3所示的形式，油孔由曲柄臂钻入到主轴颈，再由曲柄臂和主轴颈表面垂直钻通，这样的油道布置，工艺较为复杂，但能够有效的提高曲轴的疲劳强度。

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图2.3

由于本设计曲轴的轴颈及曲柄臂直径都比较粗，重叠度也比较大，再考虑到油道加工的工艺性，因而本设计油道的布置方式选择斜线油道油道加工的工艺性。 2.6.5 平衡重

平衡块是用来平衡曲轴不平衡的离心惯性力和离心惯性力矩。设计平衡重时，平衡重应尽可能使其重心远离曲轴旋转中心，即用较轻的重量达到较好的效果，以便尽可能减轻曲轴重量，并且应尽量不增加内燃机的尺寸，在满足动平衡的条件下，还能使曲轴的制造比较方便。

曲轴上是否需要安装平衡重和怎样决定平衡重的数目，大小及位置等问题，都要根据内燃机的用途，曲轴形状，常用工况的转速和负荷，结构和工艺上的简便程度等因素来定。曲轴的平衡重可以与与曲轴铸成一体，这样可使加工较简单，并且工作可靠。平衡中亦可单独制造，通过螺栓连接在曲轴的曲柄臂上。

本设计平衡重采用单独制造的方法，这样的设计过程较为简单，且可以根据实际需求改动平衡重的设置【33】。

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