毕业设计曲轴飞轮Word文件下载.docx
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在曲轴制造方面，我国的曲轴生产存在整体规模小，专业化程度低，企业设备陈旧，产品设计和工艺落后，性能和可靠性差，品种杂乱和通用化程度低等问题，而在国外，曲轴的生产已经很专业化，广泛的采用了数控技术及自动线，生产线一般由几段独立的自动化生产单元组成。
在曲轴的锻造方面，广泛的采用CAD/CAM技术，引入管理信息系统和集成生产系统，实现了锻造生产从原材料、工艺和工艺装备最佳方案的选择和整个过程的控制。
机加工方面采用曲轴动平衡自动线，使用计算机控制，实现自动测量和修正，采用在线自动检测和终检相结合的方式，连续监控加工精度，提高生产率，保证产品质量。
热处理方面以德国的二段式气体软氮化法较先进，可获得ε单相化合物层，大大提高产品的质量和性能。
飞轮的作用是将在作功行程中输入曲轴的能量的一部分贮存起来，用以
在其它行程中克服阻力，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，并使发动机可能克服短时间的超负荷，此外，在结构上飞轮又往往用作汽车传动系中摩擦离合器的驱动件。
近几年的飞轮设计主要集中在飞轮的基本三维建模及有限元分析、飞轮的拓扑优化设计和形状优化设计上，通过基于有限元法的优化设计可以大大提高设计效率，有利于缩短设计周期，降低制造成本，在飞轮原有模型上首先对飞轮进行拓扑优化设计，可以得到优化模型的基本形状，然后在拓扑优化的基础上，进一步加以形状优化，就可以基本确定飞轮的形状。
第二章总体方案设计
§
2.1柴油机设计的总体要求
2.1.1内燃机的总体设计要求
内燃机的总体设计是整个产品开发工作的第一个阶段，按照工作次序可分为：
产品开发的战略决策；
产品主要技术经济指标与设计结构参数的论证和选择；
方案计算和总体设计图的绘制等几个阶段。
总体设计的水平和决策的正确与否，对产品的水平和市场竞争力将产生决定性的影响，如有失误，在大多数的情况下，不易通过投产后的改进加以挽回。
因此，总体设计者责任重大，要有高度的负责精神和使命感。
产品决策阶段首先要进行市场调研，对开发机型的配套对象和各种用途的市场容量发展前景，类似机型的技术水平，生产成本，生产规模作出定量的分析，其次，就企业对所开发产品的投资能力，生产规模提出可行性分析报告。
编制产品设计技术任务书，具体规定产品的各项技术经济指标和配套要求。
产品总体设计时要选择和确定内燃机的主要参数，完成各主要工作系统如供油系统、燃烧系统、进排气系统的构思，绘制机体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴的方案图和整机纵横剖面图，不同缸数及典型配套机型的外形布置图，编制总体设计说明书。
内燃机种类多样，使用条件各异，对总体设计也提出不同的要求。
2.1.2内燃机设计工作中的“三化”
“三化”可以提高产品的质量，减少设计成本，组织专业化生产，提高劳动生产率，便于使用、维修和配件供应。
（1）产品系列化它是指基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，以满足不同需求。
（2）零部件通用化它是指同一系列的主要零件能够通用，以减少开发成本。
（3）零件设计标准化它是指按照国家标准、行业标准或企业标准设计，提高设计图样和资料的可读性和交流性，便于技术交流，同时也起到减少生产和采购成本的作用。
总之，柴油机的设计与开发是一个相当复杂的过程。
一个型号产品往往要经过几年的设计与开发周期才能得以完善。
2.2柴油机的主要设计指标
2.2.1动力性指标
动力性指标包括有效功率（P
）、转速（n）、最大扭矩
和最大转矩转速。
1、有效功率P
=
*
*Z*n/（30T）（2-1）
为平均有效压力（
）；
为活塞的平均速度（m/s）；
为气缸的工作容积（L）；
Z为气缸数；
n为转速（r/min）；
T为冲程数。
可见，有效功率受到上面各参数的影响。
在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。
2、转速（n）
柴油机由于其混合气形成速度和燃烧速度比较慢的原因，转速不会太高。
转速在1000r/min以上为高速，600~1000r/min为中速，600r/min以下为低速。
提高内燃机的转速可以使功率提高，因而使单位功率的体积减小、重量轻。
但是转速提高会导致一系列的问题，比如惯性力增加，导致机械负荷增加，平衡、振动问题突出，噪声增加；
工作频率增加，导致活塞、气缸盖、气缸套、排气门等零件的热负荷增加；
摩擦损失增加，机械效率下降，燃油消耗率增加，磨损寿命变短；
进排气系统阻力增加，充气效率下降等。
表1-1各种用途的内燃机转速范围【单位：
（r/min）】
用途
柴油机
汽油机
汽车
1500~5000
2500~6500
工程机械与拖拉机
1500~2800
2000~3600
内燃机车、发电机组
900~1500
2800~3600
摩托车、摩托艇
5000~10000
中小型农用机械
1200~3000
3000~6000
船舶（高速）
1000~2000
1500~2500
船舶（低速）
300~850
3、最大扭矩
和最大转矩转速
实际上内燃机给出的转矩指标都是最大扭矩。
最大扭矩对应的发动机转速就是最大转矩转速。
2.2.2经济性指标
柴油机的经济性指标主要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时的燃料的消耗重量。
对于固定工况使用的柴油机是指标定功率时上网燃油消耗率。
对变工况的柴油机，则一般是指外特性曲线上的最低油耗率。
比如，某内燃机的最低油耗率，则是指万有特性上的最低油耗率。
当然，万有特性上低油耗区越宽广，则变工况使用的经济性就越好。
（1）燃油消耗率
【（g/（
*h））】
降低
的措施主要有指示效率和机械效率。
一般车用柴油机的燃油消耗率为250~380g/（
*h）。
柴油机的经济性是内燃机设计师和使用者永远追求的目标。
（2）机油消耗率gm【（g/（
机油的价格远高于燃料油，希望使用中的消耗量尽量减少，而且要求在两个保养期之间不要添加机油，一般车用柴油机机油消耗率为1.3~2.6g/（
2.2.3可靠性和耐久性指标
一、可靠性
可靠性是指在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。
对于可靠性的内燃机应在保证期内不发生停车故障和需要更换主要或非主要零件的故障。
二、耐久性
耐久性是指从开始使用起到大修期的时间。
内燃机的大修期一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间（小时数），此时内燃机不能继续正常工作，使用中的对外表现通常为：
内燃机启动困难甚至无法启动、排气冒蓝烟、机油消耗量明显加大、动力性明显下降、内燃机工作噪声变大等。
2.2.4重量和外形尺寸指标
质量、外形尺寸是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。
不同用途的内燃机对质量和外形尺寸指标的要求不尽相同。
比如汽车发动机要求质量和外形尺寸都要小，而工程机械和拖拉机则可稍大一些。
不管怎么样，设计紧凑、质量轻总是内燃机设计者追求的目标。
衡量内燃机质量的指标是比质量（kg/
）：
m/
。
柴油机得比质量范围为：
表1-3内燃机得比质量范围
用途
柴油机的比质量（kg/
）
汽车用
4~6
小型农用
单缸16~26多缸5.5~16
工程机械用
4~7
机车
3.4~7.5
船用
13.5~19
衡量柴油机外形尺寸紧凑性的指标是体积功率（千瓦每立方米）：
/V（2-2）
2.2.5低公害指标
1.噪声
内燃机的噪声主要来自燃烧噪声、气体流动噪声和机械噪声三个方面。
内燃机的噪声大小用声压级
（dB）来表示，一般还要对测量数据进行各种计权处理，仿照人耳的听力，一般采用A计权。
在噪声数据上所见到的噪声单位多为
或者dB（A）。
燃烧噪声主要取决于缸内气压的压力升高率。
一切有利于缩短滞燃期和减少该期间燃油注入量的措施，都有利于降低燃烧噪声，比如增压、分段喷射、推迟喷油提前和减少点火提前角等。
降低压缩比也是很常见的效的措施，一般与增压同时采用，否则会降低柴油机的动力性。
气体流动噪声主要通过进排气消声器来控制。
机械噪声主要是通过合理设计风扇结构参数和合理控制风扇转速来达到控制目的。
2.有害气体的排放
汽车的排放，就是内燃机的排放，说到对于环境和空气的污染，实际上是内燃机的排放污染。
目前全世界对汽车的污染问题都十分重视。
在设计柴油机时，尤其是车用柴油机时，一定要根据本地实行的法规制定合适的设计方案
2.32110型柴油机的主要参数的选择
内燃机的主要参数包括：
平均有效压力Pme、活塞平均速度Cm、缸径和缸数。
这些参数反映了产品的性能和设计质量，因此选择时必须紧密结合我国工业生产发展的实际情况，同时还要对同类型国内外发动机的参数进行分析比较和试验研究。
1、平均有效压力
平均有效压力
是标志内燃机整个循环过程的有效性及内燃机制造完善性的指标之一，
值的不断提高是内燃机技术发展的重要标志。
由于它决定了发动机的强化程度，反映了发动机结构与制造要达到的质量，故必须慎重的选择。
进行产品设计时，平均有效压力应根据同类型发动机的实际数据来初步选定，在本次设计中，初步选定
=0.6MPa。
2、活塞平均速度Cm
活塞平均速度Cm也是表征活塞式内燃机强化程度（热负荷和机械负）的重要参数之一。
它对于内燃机的性能，工作可靠性和使用寿命有很大的影响。
一般说来，Cm增大会使发动机的功率增高，但活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性负荷增大，磨损加剧，寿命下降。
本次设计的转速为2200r/min。
3、气缸直径D和气缸数Z
内燃机的缸径应符合系列型号的规定，其尾数应该取整数，优先选用0和5。
此次设计的气缸直径于气缸数均由设计任务书给定，其分别为110mm，两缸。
4.行程S
行程增加可以提高平均有效压力
但是在气缸直径不变的情况下，S的增加即行程缸径比S/D增加，导致活塞平均速度提高，有磨损加速、寿命降低等问题。
行程缸径比：
S/D＝0.9~1.26
S=（0.9~1.26）D=99~138.6mm
取S＝120mm
2.42110型柴油机的总体布置
根据初步确定的内燃机主要结构参数，主要零部件结构方案和尺寸，进行内燃机的总体布置。
在总体布置中要确定气缸的排列，各零部件，附件的结构和尺寸以及安装位置。
绘制横剖面图。
总体布置的一般要求如下：
一、布置紧凑，外形尺寸小，外观整齐，外接管路尽量少。
二、经常需要保养的零部件，如机油，燃油，空气的滤清器和喷油器等，接近性要好。
对经常检查调整的气门间隙和喷油提前角等有关零部件应考虑到调整和拆装方便。
三、应满足用户对柴油机配套所提出的各项合理要求。
四、具有良好的加工和装配工艺性。
五、柴油机起吊，存放和安装方便。
六、总体布置要认真贯彻执行三化标准。
2.52110型柴油机的整机结构
2110型柴油机的主要参数为：
缸径D=110mm，活塞行程S=120mm，标定功率P=26Kw，转速n=2200r/min，平均有效压力Pme=0.6MPa，缸心距为130mm,燃油消耗率不大于240g/（KW·
h）。
采用柴油直喷系统，活塞顶上有W形燃烧室，采用孔式喷油器，提高喷油压力，大大改善了喷油效果。
机体由稀土灰铸铁铸造，机体采用隧道式机体，以保证机体的结构刚度。
湿式气缸套是由高磷合金铸铁铸成的。
气缸套的下部有两道O形橡胶密封环圈防止漏水。
活塞用共晶硅铝合金铸造，活塞上部有二道气环和一道油环。
第一环为矩形环，外圆镀铬，第二环为扭曲环。
在现代柴油机设计中均采用三道环，由于现代加工方法的大大提高，可以加工形状复杂的气环与油环，改善了密封效果，另外，减少一道气环，能够减少活塞运动中的机械摩擦，提高了柴油机的平均有效功率。
连杆用45号钢锻造，大头采用平切口，切口分割面用三角形的锯齿保证连杆盖的定位。
曲轴材料选择球墨铸铁铸造制成，曲柄销采用挖空结构，合理布置润滑油道。
曲轴平衡采用完全平衡方案，其上安装四个平衡块。
曲轴的中间主轴承采用止推片起轴向定位作用。
润滑系统采用压力润滑和飞溅润滑混合的方式。
第三章曲轴设计
3.1概述
曲轴是发动机的主要运动件，其性能直接影响着发动机的可靠性和寿命。
随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加苛刻。
由于周期性变化的气体压力，往复和旋转运动引起的惯性力以及它们的弯扭拒共同作用，使得曲轴在工作过程中既弯曲又扭转，还要承受一定的冲击载荷，轴颈表面受到磨损，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈表面的严重磨损，统计分析表明，破坏的曲轴中有80%左右是由弯曲疲劳产生的。
因此，在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构形式、材料与工艺，使其具有较高的疲劳强度，刚度及良好的动态特性。
曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩（扭矩和弯矩）共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。
实践与理论表明，对于各种曲轴，弯曲载荷具有决定性意义，而扭转载荷仅占次要地位（不包括因扭转振动产生的扭转疲劳破坏）。
曲轴破坏的统计分析表明，80%左右是由弯曲疲劳产生的。
因此，曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。
曲轴形状复杂、应力集中现象相当严重，特别在曲柄至轴颈的过渡圆角区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象尤为突出。
曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。
这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体润滑，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际寿命大大降低。
曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度亦很重要。
如果曲轴弯曲刚度不够，就会大大恶化活塞、连杆、轴承等重要零件的工作条件，影响它们的工作可靠性和耐磨性，甚至使曲轴箱局部损坏。
曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动；
轻则引起噪音，加速曲轴上齿轮等传动件的磨损；
重则使曲轴断裂。
综上所述，曲轴设计时应符合以下要求：
1．有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。
设计时应尽量减少应力集中，加强薄弱环节；
2．有足够的刚度，使曲轴变形不致过大；
3．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．柄排列合理，以保证柴油机工作均匀；
曲轴平衡性好，以减小振动和主轴承最大负荷；
5．料选择适当，以充分发挥材料强度潜力。
所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都应该在轻的结构重量下实现。
同时，随着内燃机的不断发展，各项指标的强化，曲轴的结构也应留有发展的余地。
不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。
例如，为了提高曲轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作而言，可以降低轴承比压，但高转速下轴承圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增加，轴承温度升高，降低了轴承工作的可靠性。
此外，曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，，轴承的离心负荷加大。
这时，可能引起采用斜切口连杆的必要，而这种连杆刚性差，而且制造成本较高。
曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量的加大，可能使刚度对扭转带来的好处得而复失。
正是这些内在的矛盾推动着曲轴的发展，而在曲轴强度矛盾的总体中，应力集中处的最大应力与该力作用点的材料抗力是它的主要矛盾。
影响这个主要矛盾的主要因素有：
曲轴的结构、材料和加工工艺等三方面，这三种因素各自有独立的作用，相互又有影响，必须辨证地进行分析，在设计曲轴时，不应只注重结构尺寸的设计一个方面。
由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映实际的理论公式可供通用。
因此，目前曲轴的设计主要是依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料。
借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计、强度复核、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。
3.2曲轴的设计步骤
曲轴设计在柴油机总体设计阶段就开始进行。
设计步骤大致如下：
1．根据柴油机的用途，强化程度，生产批量，缸心距以及活塞行程等参数，选择适当的曲轴材料，结构形式，毛坯制造方法及必要的强化工艺。
2．依据柴油机相似原则以及设计者的经验，初步选定曲柄销，主轴颈和曲柄臂的尺寸。
3．根据柴油机冲程数，气缸数目和排列方式，发火顺序，从保证扭矩均匀，平衡性良好，主轴承负荷不要过大等原则出发确定曲柄排列。
曲轴计算：
初步选定曲轴尺寸后，需对曲轴进行平衡性计算和曲轴疲劳强度计算，以验证所设计曲轴是否满足前述各项设计要求。
根据上述计算结果，决定是否需要修改设计。
上述方法需反复进行，并最终确定曲轴的尺寸，平衡块的大小和布置方式，润滑油道的布置，完成曲轴两端的设计，绘制出曲轴零件图。
3.3曲轴的结构型式及其选择
一、按支承方式曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴。
全支承曲轴是每两个（V型发动机为两排）气缸间均设有主轴承的曲轴；
而非全支承曲轴是每隔两个（V型发动机为两排）气缸设有一个主轴承的曲轴。
由于柴油机的爆发压力较高，因而一般都采用全支承曲轴；
仅有个别小缸径柴油机为缩短缸心距，减少主轴承数，采用非全支承曲轴。
按结构型式曲轴分为整体曲轴和组合曲轴。
1、整体式曲轴
整体式曲轴的毛坯是由整根钢料锻造或用铸造方法浇铸出来的。
整体式曲轴结构简单，重量轻，工作可靠，而且刚度和强度较高，加工面也比较少，在中高速柴油机上应用非常普遍。
2、组合式曲轴
组合式曲轴是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与半组合式曲轴。
大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用组合式曲轴。
（1）、圆盘式组合曲轴
这种曲轴的每个曲柄单独制造，然后用螺钉联成一根完整的曲轴。
圆盘式组合曲轴各曲柄相同，这使得系列产品的曲轴制造十分方便。
在使用中若发现某曲轴损坏
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