第六章曲轴组与轴承 1、曲轴组的工作情况 曲轴组的工作情况是极其复杂的，它是在周期性变化的燃气作用力、 往复运动和旋转运动惯性力及它们的力矩作用下工作的，因此承受着扭转和弯 曲的复杂应力。曲轴箱主轴承的不同心度会影响到曲轴的受力状况，其次，由 于曲轴弯曲与扭转振动机时产生附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急 剧，产生了严重的应力集中。此外，曲轴主轴颈与曲柄销是在高比压下进行高 速转动，因而产生强烈的磨损。 2、进行曲轴受力分析时曲轴的简化 进行曲轴受力分析时假设曲轴是一个不连续梁，并且每一曲柄都是自 由地支承在相邻两个主轴颈中点处。假设曲柄所受的作用力是集中的，且不考 虑由于扭振等引起的附加作用。 3、分析曲柄上所受的力和力矩：并作出受力图 (1)沿曲柄半径方向的径向作用力Z0。其中包括燃气作用力和往 复运动惯性力所产生的径向力乙；连杆旋转运动离心力P℃曲柄销旋转离 心力Pc2。 (2)燃气作用力和往复运动惯性力所产生的切向力T。 (3)曲柄臂的旋转离心力P。 (4)平衡重的离心力P。 (5)主轴承的径向反作用力Z:及Z2。 (6)主轴承的径向反作用力T及T,。 (7)从曲轴自由端传来的扭矩。当计算第I曲柄时，此扭矩 (8)从功率输出端传来的反扭矩。当计算第1曲柄时，此反扭矩。 4、主轴颈的载荷 主轴领受到变知矩M、古反力乙，在曲柄平面的弯曲作用，以及吉反 力T在垂直于曲柄平面内弯曲作用。因此主轴颈受力后产生的是扭转和弯曲的 交变应力。由于主轴颈一般作得很短，弯曲的作用较小，因此计算时只考虑交 变的扭转作用。 5、曲柄销的载荷 曲柄销受到平面内Z、P,及P,产生的合成弯矩作用，垂直于曲柄平 面的T,产生的弯矩的作用以及M和T,R的扭转作用，因此曲柄销上的应力也是 扭转和弯曲的交变应力。 6、曲柄臂的受力情况
第六章 曲轴组与轴承 1、曲轴组的工作情况 曲轴组的工作情况是极其复杂的，它是在周期性变化的燃气作用力、 往复运动和旋转运动惯性力及它们的力矩作用下工作的，因此承受着扭转和弯 曲的复杂应力。曲轴箱主轴承的不同心度会影响到曲轴的受力状况，其次，由 于曲轴弯曲与扭转振动机时产生附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急 剧，产生了严重的应力集中。此外，曲轴主轴颈与曲柄销是在高比压下进行高 速转动，因而产生强烈的磨损。 2、进行曲轴受力分析时曲轴的简化 进行曲轴受力分析时假设曲轴是一个不连续梁，并且每一曲柄都是自 由地支承在相邻两个主轴颈中点处。假设曲柄所受的作用力是集中的，且不考 虑由于扭振等引起的附加作用。 3、分析曲柄上所受的力和力矩；并作出受力图 （1）沿曲柄半径方向的径向作用力 Zo 。其中包括燃气作用力和往 复运动惯性力所产生的径向力 Z ；连杆旋转运动离心力 Pc1 ；曲柄销旋转离 心力 Pc2 。 （2）燃气作用力和往复运动惯性力所产生的切向力 T。 （3）曲柄臂的旋转离心力 P a 。 （4）平衡重的离心力 P b 。 （5）主轴承的径向反作用力 Z 1及 Z 2 。 （6）主轴承的径向反作用力 T1及 T2 。 （7）从曲轴自由端传来的扭矩。当计算第 I 曲柄时，此扭矩 （8）从功率输出端传来的反扭矩。当计算第 I 曲柄时，此反扭矩 。 4、主轴颈的载荷 主轴颈受到交变扭矩 M、支反力 Z1在曲柄平面的弯曲作用，以及支反 力 T1在垂直于曲柄平面内弯曲作用。因此主轴颈受力后产生的是扭转和弯曲的 交变应力。由于主轴颈一般作得很短，弯曲的作用较小，因此计算时只考虑交 变的扭转作用。 5、曲柄销的载荷 曲柄销受到平面内 Z1、Pa及 Pb产生的合成弯矩作用，垂直于曲柄平 面的 T1产生的弯矩的作用以及 M 和 T1R 的扭转作用，因此曲柄销上的应力也是 扭转和弯曲的交变应力。 6、曲柄臂的受力情况
曲柄臂的受力情况很复杂，它包括(1)由Z、P产生的拉伸或压缩应 力：(2)在曲柄平面内Z产生的弯曲应力：(3)在垂直于曲柄平面内由M及 T1的弯矩形成的应力：(4)由T1产生的扭矩引起的应力。因此曲柄臂的应力 具有交变的拉压、弯曲和扭转的复合性质。曲轴上产生应力集中最严重的。 7、曲轴上产生应力集中最严重的部位？损坏形式？ 曲轴上产生应力集中最严重的部位在轴颈至曲柄臂的过渡圆角处和轴 颈油孔周围。一般来说弯曲疲劳裂缝是从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄臂 上，基本上沿45°角折断曲柄臂：扭转疲劳裂缝是从机械加工不良的油孔表面 开始，约呈45°剪断曲柄销。因表面应力总是最大，疲劳破坏也总是从表面开 始。 8、曲轴在设计时应满足的要求 曲轴在设计时应满足以下要求：(1)具有足够的疲劳强度。尽量成少 应力集中现象，克服薄弱环节，保证曲轴可靠工作。(2)具有足够的弯曲与扭 转刚度。在工作转速范围内尽可能避免强烈的扭转振动。(3)轴颈具有良好的 耐磨性。(4)曲轴应有良好的工作均匀性和平衡性。(5)制造方便。 9、主轴颈和曲柄销的直径与长度的关系 在保持轴承比压不变的情况下，采用较大的主轴颈直径，可以减小主 轴颈长度L ，这有利于缩矩内燃机的长度或者加大曲柄臂厚度。采用短而粗 的主轴额可提高曲轴扭转的自振频率，减小在工作转速范围内产生共振的可能 性。 从润滑观点或受力情况出发，主轴颈作得粗而短是可行的，因为主油 道的机油首先供应主轴承，润滑条件好，另外，主轴颈所受的载荷一般都比曲 柄销轻些。 对于曲柄销，由于其直径D2取得较小，其轴颈长度L:就取提长些。 10、主轴颈与曲柄销的重叠度，对曲轴的影响？ 主轴颈与曲柄销产生重叠时，有一部分力可以直接传递到主轴颈，因 而改善了曲柄臂的受力状态。当重叠度增加时，曲柄臂的刚度随之增大，同时 曲轴的载面变化比较缓和，这改善了应力集中现象，提高了疲劳强度。 据测量，当重叠度A超过10m时，曲轴弯曲疲劳极限显著提高：当 =20m时，可提高29%：当4=30mm时，可提高73%：。在曲臂较 薄时，重叠度的影响更为显著。 11、曲轴轴承设计时的性能要求 (1)耐疲劳轴承合金的材料必须有足够的疲劳强度，以保证在变 动负荷作用下具有一定的寿命，不发生开裂、合金层剥落等疲劳损坏现象，特 别是合金的疲劳强度不应随温度升高而急剧下降
曲柄臂的受力情况很复杂，它包括（1）由 Z1、Pb产生的拉伸或压缩应 力；（2）在曲柄平面内 Z1产生的弯曲应力；（3）在垂直于曲柄平面内由 M 及 T1 的弯矩形成的应力；（4）由 T1 产生的扭矩引起的应力。因此曲柄臂的应力 具有交变的拉压、弯曲和扭转的复合性质。曲轴上产生应力集中最严重的。 7、曲轴上产生应力集中最严重的部位？损坏形式？ 曲轴上产生应力集中最严重的部位在轴颈至曲柄臂的过渡圆角处和轴 颈油孔周围。一般来说弯曲疲劳裂缝是从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄臂 上，基本上沿 45°角折断曲柄臂；扭转疲劳裂缝是从机械加工不良的油孔表面 开始，约呈 45°剪断曲柄销。因表面应力总是最大，疲劳破坏也总是从表面开 始。 8、曲轴在设计时应满足的要求 曲轴在设计时应满足以下要求：（1）具有足够的疲劳强度。尽量减少 应力集中现象，克服薄弱环节，保证曲轴可靠工作。（2）具有足够的弯曲与扭 转刚度。在工作转速范围内尽可能避免强烈的扭转振动。（3）轴颈具有良好的 耐磨性。（4）曲轴应有良好的工作均匀性和平衡性。（5）制造方便。 9、主轴颈和曲柄销的直径与长度的关系 在保持轴承比压不变的情况下，采用较大的主轴颈直径，可以减小主 轴颈长度 L1 ，这有利于缩矩内燃机的长度或者加大曲柄臂厚度。采用短而粗 的主轴颈可提高曲轴扭转的自振频率，减小在工作转速范围内产生共振的可能 性。 从润滑观点或受力情况出发，主轴颈作得粗而短是可行的，因为主油 道的机油首先供应主轴承，润滑条件好，另外，主轴颈所受的载荷一般都比曲 柄销轻些。 对于曲柄销，由于其直径 D2取得较小，其轴颈长度 L2就取提长些。 10、主轴颈与曲柄销的重叠度，对曲轴的影响？ 主轴颈与曲柄销产生重叠时，有一部分力可以直接传递到主轴颈，因 而改善了曲柄臂的受力状态。当重叠度增加时，曲柄臂的刚度随之增大，同时 曲轴的载面变化比较缓和，这改善了应力集中现象，提高了疲劳强度。 据测量，当重叠度⊿超过 10mm 时，曲轴弯曲疲劳极限显著提高：当 ⊿ = 20 mm 时，可提高 29 %；当⊿ = 30 mm 时，可提高 73 %；。在曲臂较 薄时，重叠度的影响更为显著。 11、曲轴轴承设计时的性能要求 （1）耐疲劳 轴承合金的材料必须有足够的疲劳强度，以保证在变 动负荷作用下具有一定的寿命，不发生开裂、合金层剥落等疲劳损坏现象，特 别是合金的疲劳强度不应随温度升高而急剧下降
(2)抗咬合性即油膜一旦破裂，金属表面直接接触时，轴承合金 能依靠自润滑作用有对抗咬合的能力。车用内燃机工况经常变化，起动与停车 频繁，容易产生报谓的边界摩擦 (3)嵌藏性 即将机油中杂质或轴颈磨损的颗粒等嵌入轴承合金的 能力，它能保护轴不被刮伤。嵌藏性与轴承材料的硬度有密切关系，嵌藏性好 的轴承合金，可降低机油的滤清要求。 (4)顺应性 即克服或减少由于轴颈和轴承不同心或变形等原因引 起的棱缘负荷时大的能力，它能保证负荷分布的均匀性。顺应性好的轴承合 金，能加速轴瓦磨合，允许略微降低轴颈和轴承的加工精度要求。 (5)磨合性 即要求轴承能在尽量短的时间内，适应各零件因制造 或安装所引起的不可避免的形位偏差。 此外，耐腐蚀性、耐磨性及导热性等，也是轴承不可缺少的性能， 12、薄壁轴瓦过盈度对轴承工作的影响 为了使轴承良好地散热并减少撞击，轴瓦必须与轴承座紧密地贴合， 为此轴瓦必须以一定的过盈度安装在轴承座内。若此过盈度太小则不起作用： 若过盈度太大，则轴瓦压应力太大，有可能超过屈服极限而变形，这对轴承的 工作是不利的。 13、测量薄壁轴瓦过盈度的方法 轴瓦过盈量需用专门的量具测量。一般把轴瓦放入一个半园量具内， 此量具的内径等到于轴承座内孔直径的最大值（公差上限）。将轴瓦的一端项 住，另一端施以测量力P,使轴瓦与模具内表面良好地帖合。在P的作用下轴 瓦的变形量为ⅴ，此时轴瓦的一端仍有一部分突出在模具基准面之上，此突出 高度u称为余面高。u+v=h,此h值即为轴瓦过盈量
（2）抗咬合性 即油膜一旦破裂，金属表面直接接触时，轴承合金 能依靠自润滑作用有对抗咬合的能力。车用内燃机工况经常变化，起动与停车 频繁，容易产生报谓的边界摩擦。 （3）嵌藏性 即将机油中杂质或轴颈磨损的颗粒等嵌入轴承合金的 能力，它能保护轴不被刮伤。嵌藏性与轴承材料的硬度有密切关系，嵌藏性好 的轴承合金，可降低机油的滤清要求。 （4）顺应性 即克服或减少由于轴颈和轴承不同心或变形等原因引 起的棱缘负荷过大的能力，它能保证负荷分布的均匀性。顺应性好的轴承合 金，能加速轴瓦磨合，允许略微降低轴颈和轴承的加工精度要求。 （5）磨合性 即要求轴承能在尽量短的时间内，适应各零件因制造 或安装所引起的不可避免的形位偏差。 此外，耐腐蚀性、耐磨性及导热性等，也是轴承不可缺少的性能。 12、薄壁轴瓦过盈度对轴承工作的影响 为了使轴承良好地散热并减少撞击，轴瓦必须与轴承座紧密地贴合， 为此轴瓦必须以一定的过盈度安装在轴承座内。若此过盈度太小则不起作用； 若过盈度太大，则轴瓦压应力太大，有可能超过屈服极限而变形，这对轴承的 工作是不利的。 13、测量薄壁轴瓦过盈度的方法 轴瓦过盈量需用专门的量具测量。一般把轴瓦放入一个半园量具内， 此量具的内径等到于轴承座内孔直径的最大值（公差上限）。将轴瓦的一端顶 住，另一端施以测量力 P，使轴瓦与模具内表面良好地帖合。在 P 的作用下轴 瓦的变形量为 v，此时轴瓦的一端仍有一部分突出在模具基准面之上，此突出 高度 u 称为余面高。u+v=h ，此 h 值即为轴瓦过盈量