6105柴油機(jī)曲軸設(shè)計(jì)介紹

張運(yùn)良 黃偉健

【摘 要】隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求大幅度增長及其性能要求也高。本文闡述了現(xiàn)代高速柴油機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)介紹了一些柴油機(jī)的較為新穎的柴油機(jī)技術(shù)。曲軸作為本設(shè)計(jì)的中心，需要比較全面的去考慮選材及工藝的因素。因?yàn)榍S的性能指標(biāo)會(huì)影響柴油機(jī)的壽命長短。而曲軸在不同工況下受到彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷，還承受本身的離心力和振動(dòng)附加應(yīng)力。工作環(huán)境極其復(fù)雜，曲軸的使用壽命受到很大的影響，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。因此，曲軸的設(shè)計(jì)和校核顯得非常重要?？紤]到市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)成本及任務(wù)要求本文設(shè)計(jì)的6105概念柴油機(jī)采用整體式曲軸。采用較高新的工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

【關(guān)鍵詞】柴油機(jī)；概念設(shè)計(jì)；工藝；曲軸；強(qiáng)度計(jì)算

一、引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及對(duì)新材料的研發(fā)，使汽車的性能越來越高了。汽車本身的功能也逐漸增多，從而在保證性能前提下，設(shè)計(jì)較小的柴油機(jī)體積獲得最大功率。從環(huán)境的角度來考慮，柴油機(jī)比汽油機(jī)產(chǎn)生的二氧化碳及有害氣體更少。所以，柴油將會(huì)是未來交通工具最佳動(dòng)力裝置。因此，本文針對(duì)6105柴油機(jī)概念設(shè)計(jì)及曲軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)化。

二、曲軸的研究現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

曲軸為柴油機(jī)的重要部件之一，其尺寸會(huì)影響柴油機(jī)的性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性。就導(dǎo)致了曲軸的設(shè)計(jì)對(duì)于性能指標(biāo)非常重要。在強(qiáng)度和剛度上的要求愈加苛刻，所以必須正確的選用合理的布置方式及成本的控制和材料的選擇。

現(xiàn)在高速柴油機(jī)曲軸的材料球墨鑄鐵及剛兩類。并且球墨鑄鐵比剛曲軸經(jīng)濟(jì)成本要低很多。同時(shí)球墨鑄鐵的性能較高，可鑄造完美的結(jié)構(gòu)形狀。與鋼質(zhì)曲軸相同，通過各種工藝的處理保證其具有良好的性能指標(biāo)。因此，球墨鑄鐵曲軸在世界上獲得應(yīng)用較為廣闊。全球曲軸較為常見的處理工藝如下：

圓角滾壓強(qiáng)化：利用殘余應(yīng)力來消除工作的拉應(yīng)力。從而提升曲軸的性能及強(qiáng)度。同時(shí)還可以降低產(chǎn)生表面裂紋及氣孔等各種負(fù)面影響。

噴丸強(qiáng)化處理；采用冷作硬化的方式，依然是采用留下壓應(yīng)力來增強(qiáng)表面硬度。

氮化處理：采用輝光離子或氣體軟氮化的方法，從而通過氮?dú)庠谇S金屬面擴(kuò)散的作用來產(chǎn)生應(yīng)力。從而提高曲軸的疲勞強(qiáng)度及工作可靠度。

圓角與軸頸同時(shí)感應(yīng)淬火處理：在球鐵曲軸上時(shí)能提高其機(jī)械性能的0.2倍，但是在鋼曲上強(qiáng)化則可提高一倍。

三、6105型柴油機(jī)的設(shè)計(jì)及任務(wù)

6105柴油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和性能要求為：

進(jìn)氣方式：自然吸氣

柴油機(jī)類型：設(shè)計(jì)的是四沖程柴油機(jī)及頂置式氣門用水冷的方式

沖程；120mm 壓縮比：17

燃燒形式：我們?cè)O(shè)計(jì)的柴油機(jī)的噴射方式選擇的是直接噴射

潤滑方式：我們?cè)O(shè)計(jì)的柴油機(jī)為壓力循環(huán)飛濺復(fù)合式

冷卻方式：我們?cè)O(shè)計(jì)的柴油機(jī)的冷卻方式為水冷

電機(jī)停止方式：我們?cè)O(shè)計(jì)的柴油機(jī)為電啟動(dòng)

輸出功率：柴油機(jī)的輸出是106千瓦/2000轉(zhuǎn)

四、設(shè)計(jì)依據(jù)

由于中國迅速的發(fā)展，使柴油機(jī)快速發(fā)展給大型和重型車輛的帶來了有力的發(fā)展。同時(shí)，將柴油機(jī)的高功率，耐用性等好的面貌展現(xiàn)給世界經(jīng)濟(jì)。這種載重型卡車得到了世人的認(rèn)同。6105型柴油機(jī)就是針對(duì)配備大型貨車而進(jìn)行開發(fā)和研制的。同時(shí)也可運(yùn)用于發(fā)電機(jī)組、工程機(jī)械和船舶。隨著柴油機(jī)研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，一系列新的技術(shù)在柴油機(jī)上使用的較多，并使柴油機(jī)的整體性能得到了很大的提高。

五、曲柄尺寸

曲柄必須選擇合適厚度及寬度，以保證曲軸有足夠機(jī)械性能。為了改善應(yīng)力的集中曲柄形狀選用圓形或橢圓形。

曲柄寬度b=126mm

曲柄厚度h，h=4.038*105=26mm

（一）曲軸的油孔

確保軸承的工作性能，需要對(duì)其潤滑良好，因此可用分路供油的方式將機(jī)油配送到曲軸油道。其油孔直徑d=5.5mm且徑向成135°夾角。曲軸的扭轉(zhuǎn)破壞大部分發(fā)生在油孔邊緣，因?yàn)檫@些地方應(yīng)力比較集中。因此過渡圓角要適合及進(jìn)行拋光處理。主軸頸的油道及曲柄銷的通道相互連通，可以用來潤滑部件。

（二）曲柄的結(jié)構(gòu)及止推

正時(shí)齒輪及皮帶輪安裝在曲軸前端，這樣可以拆裝方便，利于維修。同時(shí)由于曲軸前端振幅最大，因此在這安裝減振器。而在曲軸的末端有法蘭，用定位銷來固定飛輪，同時(shí)保證再次安裝時(shí)飛輪與曲軸的轉(zhuǎn)配位置。

曲軸和機(jī)體間裝有一個(gè)止推軸承以避免曲軸的軸向移動(dòng)。為了減少各曲拐承受功率的消耗及軸向推力，把它設(shè)計(jì)在末端。同時(shí)在其表面設(shè)計(jì)存油坑及止推片削薄，使?jié)櫥h(huán)境提高。

六、曲軸的結(jié)構(gòu)型式

由于全支承與非全支承曲軸相比，其機(jī)械性能都比較好，從而減小載荷及磨損。通常發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的壓力很高，所以此次設(shè)計(jì)采用全支承的曲軸。

此次設(shè)計(jì)的是六缸的柴油機(jī)采用整體式曲軸，主要用于長途貨物運(yùn)輸?shù)拇笮拓涇?。整體式曲軸的布置合理、拆裝方便、維修簡單。

七、油道設(shè)計(jì)及油孔位置

軸承的性能也受機(jī)油條件的影響。曲軸銷和主軸頸采用的是壓力潤滑。機(jī)油通常從軸承流經(jīng)經(jīng)連桿軸承，機(jī)油采用分路供油的方式流入軸承。曲軸油孔邊緣時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方，應(yīng)力最大的地方是銳角，特別是傾斜角較大時(shí)。因此油道設(shè)計(jì)要光滑，以減少應(yīng)力集中?？紤]到其機(jī)械性能油孔通常設(shè)在曲柄的豎直面內(nèi)。油孔出口需倒角、拋光來減小應(yīng)力集中。油道的傾斜度一般不超過30度。該種油道兩端面流出的潤滑油里含的雜質(zhì)量不等，會(huì)造成軸頸偏磨和壽命縮短。兩油道相隔180度或三油道相隔120度在軸頸上布置，如圖：

本設(shè)計(jì)油道采用兩油道相隔180度的布置，但由于距離過小會(huì)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，所以要保證油道至曲拐?qǐng)A角的距離，采用圖12的布置。

八、曲軸平衡塊

平衡重布置在連桿軸頸兩側(cè)，與連桿軸頸相對(duì)的方向。設(shè)計(jì)時(shí)平衡重的質(zhì)心遠(yuǎn)離，這樣可以使較輕的平衡塊達(dá)到平衡效果，還能到達(dá)減小曲軸的質(zhì)量。同時(shí)也要考慮到平衡重塊徑向尺寸不能碰到活塞裙底部，還要保證連桿大頭能通過兩平衡重。

九、曲軸強(qiáng)度分析

曲軸的強(qiáng)度是采用歌德曼圖判斷的?？v坐標(biāo)是最大最小應(yīng)力，橫坐標(biāo)是等效平均應(yīng)力。因?yàn)榍S的材料選擇的是QT600-3，

查表疲勞強(qiáng)度，

是材料在對(duì)稱循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度（MPa）， 是考慮安全系數(shù)后的設(shè)計(jì)極限，上面的式子中n=1.5對(duì)于c-c截面所承受的應(yīng)力最大，因此c截面能通過疲勞強(qiáng)度其它截面也能。c截面的平均應(yīng)力及等效力幅值都在疲勞強(qiáng)度范圍內(nèi)。故，曲軸的強(qiáng)度符合要求。

十、總結(jié)

在現(xiàn)代高速柴油機(jī)的發(fā)展中鑄造工藝及裝備技術(shù)已經(jīng)大大提高了，逐漸的使用球墨鑄鐵的材料制造整體式曲軸，能夠獲得較高的機(jī)械性能及剛度和抗疲勞強(qiáng)度，利用殘余應(yīng)力來消除工作的拉應(yīng)力，從而提高其表面性能及強(qiáng)度，同時(shí)還可以降低產(chǎn)生表面裂紋及氣孔等各種負(fù)面影響。

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