張運良 黃偉健

【摘 要】隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，人們對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)代高速柴油機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。同時介紹了一些柴油機的較為新穎的柴油機技術(shù)。曲軸作為本設(shè)計的中心，需要比較全面的去考慮選材及工藝的因素。因為曲軸的性能指標會影響柴油機的壽命長短。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，同時還會產(chǎn)生疲勞破壞。因此，曲軸的設(shè)計和校核顯得非常重要?？紤]到市場經(jīng)濟成本及任務(wù)要求本文設(shè)計的6105概念柴油機采用整體式曲軸。采用較高新的工藝技術(shù)進行優(yōu)化處理。

【關(guān)鍵詞】柴油機；概念設(shè)計；工藝；曲軸；強度計算

一、引言

隨著時代的進步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及對新材料的研發(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)計較小的柴油機體積獲得最大功率。從環(huán)境的角度來考慮，柴油機比汽油機產(chǎn)生的二氧化碳及有害氣體更少。所以，柴油將會是未來交通工具最佳動力裝置。因此，本文針對6105柴油機概念設(shè)計及曲軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計和強化。

二、曲軸的研究現(xiàn)狀及未來趨勢

曲軸為柴油機的重要部件之一，其尺寸會影響柴油機的性能指標和經(jīng)濟性。就導(dǎo)致了曲軸的設(shè)計對于性能指標非常重要。在強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)濟成本要低很多。同時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。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度。同時還可以降低產(chǎn)生表面裂紋及氣孔等各種負面影響。

噴丸強化處理；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，從而通過氮氣在曲軸金屬面擴散的作用來產(chǎn)生應(yīng)力。從而提高曲軸的疲勞強度及工作可靠度。

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

三、6105型柴油機的設(shè)計及任務(wù)

6105柴油機的主要結(jié)構(gòu)和性能要求為：

進氣方式：自然吸氣

柴油機類型：設(shè)計的是四沖程柴油機及頂置式氣門用水冷的方式

沖程；120mm 壓縮比：17

燃燒形式：我們設(shè)計的柴油機的噴射方式選擇的是直接噴射

潤滑方式：我們設(shè)計的柴油機為壓力循環(huán)飛濺復(fù)合式

冷卻方式：我們設(shè)計的柴油機的冷卻方式為水冷

電機停止方式：我們設(shè)計的柴油機為電啟動

輸出功率：柴油機的輸出是106千瓦/2000轉(zhuǎn)

四、設(shè)計依據(jù)

由于中國迅速的發(fā)展，使柴油機快速發(fā)展給大型和重型車輛的帶來了有力的發(fā)展。同時，將柴油機的高功率，耐用性等好的面貌展現(xiàn)給世界經(jīng)濟。這種載重型卡車得到了世人的認同。6105型柴油機就是針對配備大型貨車而進行開發(fā)和研制的。同時也可運用于發(fā)電機組、工程機械和船舶。隨著柴油機研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，一系列新的技術(shù)在柴油機上使用的較多，并使柴油機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，需要對其潤滑良好，因此可用分路供油的方式將機油配送到曲軸油道。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，因為這些地方應(yīng)力比較集中。因此過渡圓角要適合及進行拋光處理。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，同時保證再次安裝時飛輪與曲軸的轉(zhuǎn)配位置。

曲軸和機體間裝有一個止推軸承以避免曲軸的軸向移動。為了減少各曲拐承受功率的消耗及軸向推力，把它設(shè)計在末端。同時在其表面設(shè)計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，其機械性能都比較好，從而減小載荷及磨損。通常發(fā)動機啟動時的壓力很高，所以此次設(shè)計采用全支承的曲軸。

此次設(shè)計的是六缸的柴油機采用整體式曲軸，主要用于長途貨物運輸?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)計及油孔位置

軸承的性能也受機油條件的影響。曲軸銷和主軸頸采用的是壓力潤滑。機油通常從軸承流經(jīng)經(jīng)連桿軸承，機油采用分路供油的方式流入軸承。曲軸油孔邊緣時容易產(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。因此油道設(shè)計要光滑，以減少應(yīng)力集中?？紤]到其機械性能油孔通常設(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)計油道采用兩油道相隔180度的布置，但由于距離過小會造成嚴重的應(yīng)力集中，所以要保證油道至曲拐圓角的距離，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)，與連桿軸頸相對的方向。設(shè)計時平衡重的質(zhì)心遠離，這樣可以使較輕的平衡塊達到平衡效果，還能到達減小曲軸的質(zhì)量。同時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、曲軸強度分析

曲軸的強度是采用歌德曼圖判斷的?？v坐標是最大最小應(yīng)力，橫坐標是等效平均應(yīng)力。因為曲軸的材料選擇的是QT600-3，

查表疲勞強度，

是材料在對稱循環(huán)下的疲勞強度（MPa）， 是考慮安全系數(shù)后的設(shè)計極限，上面的式子中n=1.5對于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度范圍內(nèi)。故，曲軸的強度符合要求。

十、總結(jié)

在現(xiàn)代高速柴油機的發(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，能夠獲得較高的機械性能及剛度和抗疲勞強度，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度，同時還可以降低產(chǎn)生表面裂紋及氣孔等各種負面影響。

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