曲轴飞轮设计

目录1绪论1.1选题背景及意义1.2汽车发动机曲轴飞轮组的研究现状1.3本次设计的主要任务和目标2汽车发动机曲轴飞轮组概述2.1曲轴2.2扭转减震器2.3飞轮3汽车动机曲轴飞轮组的设计3.1汽车动机曲轴飞轮组总体设计方案的确定3.2汽车发动机曲轴零件结构设计（1）曲轴的概述（2）曲轴的设计步骤（3）曲轴的结构型式及其选择（4）曲轴材料选择及毛坯制造3.2.2曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计（1）主要尺寸（2）一些细节设计3.2.3曲轴强度的校核（1）静强度计算（2）连杆轴颈的计算（3）曲柄臂的计算3.2.4曲轴疲劳强度校核（1）主轴颈的计算（2）曲柄臂的计算3.3汽车发动机飞轮的设计3.3.1主要部件的设计（1）（2）4结论与展望参考文献致谢附件绪论近年来随着社会的发展，随着经济的发展，汽油机越来越被现代人所认可。其优点在于其体积小、重量轻、价格便宜；起动性好，最大功率时的转速高；工作中振动及噪声小，因此，在载客汽车，特别是轿车中，汽油机得到了广泛的应用，特别是在我们国家目前生产的绝大多数轿车，都是采用汽油发动机作为自己的动力系统。在欧洲，汽油车销量已占汽车总销量的很大部分，美国市场的汽油车销量也在逐渐增加。目前我国汽车行业内外环境，包括社会认识、市场供求关系、产品和制造技术，都发生了许多新的变化。小型运货车是我国一个特色的运输车品种，其投资少、运输能力强、产出大，正好满足建设节约型社会、提高资源使用效率的需求，从整个国家来讲，具有长远的战略意义。目前我国西部地区仍然大量需要小型载货车，并且西部经济有待进一步发展的地区随着发展农民收入的增加，潜在的市场非常大，农村运输工具的不足带动了轻型和低速载货汽车的发展，而汽油机的经济性拉动了轻型汽油汽车的迅速发展，以及在农村经济发展和国家政策的调整潮流下，国内小型农用工程机械市场前景非常好，产销量迅趋火爆，发展前景广阔。曲轴是发动机中最重要的零件之一，发动机的全部功率都是通过它输出的。而且曲轴是在不断周期性变化的力、力矩（包括扭矩和弯矩）的共同作用下工作的，极易产生疲劳破坏。曲轴形状复杂，应力集中严重，因此设计中必须使曲轴有足够的疲劳强度，以保证正常工作。曲轴是汽油发动机的重要零件。它可以是有若干个相互错开一定角度的曲柄（或曲拐）加上功率输出端和自由端构成的。每个曲柄又是由主轴颈、曲柄销及曲柄臂组成。曲轴的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和汽油机发动机各辅助系统进行工作，曲轴在工作时承受着不断变化的力，惯性力和它们的力矩作用，受力情况十分复杂。其精度要求非常高，它的加工质量对内燃机的工作性能，对装配劳动量都有很大影响。因此，各要素的尺寸精度，位置精度和表面质量要求相当高。曲轴中几个主要加工表面，连杆表面，轴承轴颈及锥面键槽的精度要求都较高，连杆轴颈需经过抛光。所以研究曲轴加工工艺对曲轴的生产具有一定的实际意义。1.2汽车曲轴飞轮组的研究现状曲轴是在不断变化的气体压力、往复和旋转惯性力以及它们的力矩（转矩和弯矩）共同作用下工作的，使曲轴既受扭转又受弯曲，产生疲劳应力状态，设计曲轴时，应保证它有尽可能高的弯曲和扭转强度。曲轴各轴颈在很高的比压下以很大的相对速度在轴承中相对滑动，由于曲轴运转工况变化剧烈，有时不能保证液体润滑，使曲轴寿命大大降低。所以设计曲轴时要使其摩擦表面耐磨。目前，美国、德国、日本等汽车工业发达国家都正致力于开发绿色环保高性能发动机，传统的曲轴材料和制造工艺已无法满足其功能要求。这些汽车工业发达国家对曲轴加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。而国内目前的曲轴材料、加工技术等方面十分落后，但随着中国加入WTO，国内一些曲轴生产厂家已经意识到形式的紧迫性，为了提高产品竞争力，引进了许多先进的设备和技术，使国内的曲轴生产水平有了很大的提高，但总体上仍落后于日本和西方发达国家。飞轮的作用是调节曲轴转速变化，稳定转速。飞轮的关键尺寸是外径，对于灰铸铁飞轮，圆周圆周速度不要超过35-50m/s，否则容易造成由于离心力过大，材料的抗拉不足而使飞轮损坏及材料碎裂飞出的事故。本次设计的汽油机飞轮采用灰铸铁材料。1.3本次设计的主要任务和目标主要任务和目标此次我设计的是曲轴飞轮组。曲轴是内燃机最主要的部件之一。它的尺寸参数在很大程度上决定并影响着内燃机的整体尺寸和重量，内燃机的可靠性和寿命也在很大程度上取决于曲轴的强度。因此，设计内燃机时必须对曲轴强度进行严格的安全校核。近年来发动机动力性和可靠性要求不断提高，曲轴的工作条件越来越不好，曲轴的强度问题也越来越复杂。此外，曲轴的平衡也是曲轴设计时的一个重要问题，既要满足平衡又要减少平衡重质量。现总结如下：1.通过此次对汽车曲轴的设计，了解熟悉发动机工作的原理，熟悉曲轴是怎样工作的。2.确定对曲轴研究的的方案。3.对汽车曲轴飞轮进行整体式、各零件的设计。4进行三维建模画图练习，对曲轴飞轮三维建模画图设计。5.撰写说明书，做好总结。2汽车发动机曲轴飞轮组概述曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、扭转减震器、皮带轮、正时齿轮（或链条）等组成。如右图所示是曲轴飞轮组的总体结构。曲轴飞轮组的功用曲轴是在不断变化的气体压力、往复和旋转惯性力以及它们的力矩（转矩和弯矩）共同作用下工作的，使曲轴既受扭转又受弯曲，产生疲劳应力状态，曲轴的作用是把活塞的往复直线运动变成旋转运动，将作用在活塞的气体压力变成扭矩，用来驱动工作机械和汽油机发动机各辅助系统进行工作，曲轴在工作时承受着不断变化的力，惯性力和它们的力矩作用，飞轮主要有以下作用：1、储存动能，使曲轴转速均匀；2、驱动辅助装置；3、正式调整角度用。飞轮的设计原则是在保证质量尽可能小的前提下具有足够的转动惯量，因而轮缘常做的宽厚2.1曲轴2.1.1曲轴的构造曲轴由若干个单元曲拐组成。一个曲柄销（连杆轴颈）、左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐·装正时齿轮的一端称为自由端（前端），另一端用来装飞轮，称为输出端（后端）。2.1.2曲轴的分类曲轴分为整体式和组合式两大类。整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根材料锻造或用铸造方法浇注而成。整体式曲轴具有工作可靠、质量小的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少，是中小型发动机和曲轴广为应用的结构形式。只要工厂有条件制造，设计上总是尽量采用整体结构。但是，当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，这种曲轴的加工比较困难，需要用大的专用设备，而且容易因某一部分加工不合格或使用中损坏，而导致整根曲轴报废。整体式曲轴一般与滑动轴承配合。但是，单缸发动机的整体式曲轴却往往与滚动轴承配合，借以提高机械效率和降低对轴承的润华要求。组合式曲轴是指先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和半组合式曲轴。大功率柴油机和小型发动机上常采用这种组合式结构的曲轴。因为大功率汽油机的曲轴粗而长，采用整体式结构则加工困难，有的甚至无法加工。这时只得采用组合式结构。小型单缸发动机因结构和润滑系统的简化，连杆轴承一般采用滚针（柱）轴承，这时把连杆大头做成整体式，其曲拐必须采用可分开的组合结构才能进行装配。在中型高速内燃机上，这种组合式曲轴用的不多。2.1.3曲轴的功用曲轴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）。在发电机工作中，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他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。为了保证工作可靠，因此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。曲轴组成曲拐：由一个连杆轴颈和它两端曲柄及主轴颈构成2.曲轴的支撑方式主轴颈是曲轴的支撑部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承支座中。曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。全支承曲轴非全支撑曲轴优点提高曲轴的刚度和弯曲强度，使发动机总体减轻主轴承的载荷。缩短了曲轴的强度，使发动机总体长度，有所减小。缺点曲轴的加工表面增多，主轴承数增多，使机体加长。主轴承载荷较大应用柴油机一般多采用此种支撑方式。承受载荷较小的汽油机可采用此种支撑方式。3.曲柄曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力曲柄处铸有（或紧固有）平衡重块。4.曲拐的布置1）各缸的做功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。2）连续做功的两缸要尽量远些，最好是在发动机前半部和后半部交替进行。3）避免进气重叠。4）V型发动机左右气缸尽量交替做功。5）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。2.2曲轴扭转减震器在发动机工作过程中，连杆作用在曲轴上的力呈周期性变化。这样就会使质量较小的曲拐相对于质量较大的飞轮有扭转摆动（曲拐转速较飞轮转速忽快忽慢），这就是曲轴的扭转振动。当这种扭转振动的自振频率与连杆传来的呈周期性变化的激振频率成整数倍关系式时，曲轴便会产生共振。这种现象既损失发动机的功率，也会破坏曲轴和装在上面的驱动齿轮、链轮、链条等附件，严重时甚至将曲轴扭断。为消除这种现象，曲轴前端装有扭转减振器。（1）曲轴扭转减震器的功用·概念：当发动机工作时，曲轴在周期性变化的转矩作用下，各曲拐之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转振动·危害：当发动机转矩的变化频率与曲轴扭转的自振频率相同或成倍数时，就会发生共振。共振时扭转振幅加大，并导致传动机构磨损加剧，发动机功率下降，甚至使曲轴断裂·功用：为了消减曲轴的扭转振动，现代发动机多在扭转振幅最大的曲轴前端装置扭转减震器曲轴扭转减震器有硅油扭转减震器和胶扭转减震器两种。硅油扭转减震器由钢板冲压而成的减震器壳体与曲轴连接。侧盖与减震器壳体组成密封腔，其中滑套着扭转振动惯性质量。惯性质量与密封腔之间留有一定的间隙，里面充满高粘度硅油·当发动机动作时，减震器壳体与曲轴一起旋转、一起振动，惯性质量则被硅油的粘性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动。由于惯性质量相当大，因此它近似作匀转动，于是在惯性质量与减震器壳体间产生相对运动。曲轴的振动能量被硅油的内摩擦阻尼吸收，使扭振消除或减轻。橡胶扭转减震器震器壳体与曲轴连接，减震器壳体与扭转振动惯性质量粘结在硫化橡胶层上。发动机工作时，减震器壳体与曲轴一起振动，由于惯性质量之后于减震器壳体，因而在两者之间产生相对运动，使橡胶层来回揉搓，振动能量被橡胶的内摩擦阻尼吸收，从而使曲轴的扭振得以消减。2.3飞轮飞轮是一个很大的圆盘，其主要功用是将在做功过程中输入于曲轴的功能的一部分贮存起来，用以在其他过程中克服阻力，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。飞轮功用：能量存储器，保证发动机运转平。摩擦式离合器的主动件。轮缘上镶嵌起动用飞轮齿圈·刻有上止点记号，用于调整点火正时、喷油正时或配气正时。3汽车动机曲轴飞轮组的设计3.1汽车动机曲轴飞轮组总体设计方案的确定汽油机设计是一项复杂的工作，它的许多零件是在经受高温，高应力和剧烈摩擦的苛刻条件下工作的。因此，我们在设计的时候，首先要根据实际需要来确定设计的目的和要求。（1）功率和转速作为动力机械，使用者对汽油机第一位的要求是应该能够在规定转速下发出所要求功率。转速和功率的具体数据是根据用途来确定的，它在设计中一般会给出，要求设计者能够按要求设计产品。（2）汽油机的经济性汽油机的经济性包括：汽油机的使用价值应该尽量大，而为使用汽油机所必须付出的代价应尽量小。（3）高的工作可靠性和足够的使用寿命。（4）汽油机外廓尺寸的紧凑和质量在许多动力装置中，为了能有更多的有用空间，希望汽油机本身占用的空间缩至最小，即要求汽油机的设计紧凑，空间占用小，汽油机的质量减小，质量小是我们追求的目标。质量小在某种程度上表明所耗用的金属质量少。（5）汽油机设计的三化问题所谓三化，指产品系列化，零部件的通用化和设计的标准化。（6）汽油机的可靠性及