2.1　曲軸結構設計

曲軸有整體曲軸（整體鍛造曲軸和整體鑄造曲軸）和組合曲軸。整體鍛造應用較多，因為尺寸緊湊、重量輕、強度高。整體鑄造可節(jié)省材料、減少切削加工量、可得到較合理的形狀，應力分布均勻，使用在逐步擴大。組合曲軸用于在制造、安裝和維修有特殊要求的情況。

曲軸一般由軸端、軸頸、曲柄臂和平衡塊等組成見圖7-1-8。

曲柄臂與連桿軸頸主軸頸的組合體稱為曲柄，主軸頸中心線到連桿軸頸中心線間的距離稱為曲柄半徑。曲柄是曲軸的基本組成部分，它的基本結構和尺寸除保證往復運動機構的運動規(guī)律外在很大程度上決定了曲軸的強度和工作的可靠性。單位曲柄的結構設計主要是正確決定其各部分結構，如連桿軸頸、主軸頸、曲柄臂以及過渡圓角和油孔等的尺寸和形狀，以保證曲軸有足夠的疲勞強度和剛度，保證主軸承和連桿軸承工作可靠。

軸端一般是曲軸的輸入端或輸出端，與帶輪、聯軸器等連接。

軸頸有主軸頸、中部支承軸頸和連桿軸頸，軸頸分鍛造和鑄造結構。鍛造曲軸的軸頸一般制成實心結構。鑄造曲軸的軸頸采用空心結構較多，其內徑與外徑之比約為0.4～0.5，空心結構可提高曲軸的疲勞強度，減輕曲軸的質量，也易保證鑄造時的質量。空心連桿軸頸，常將其空腔中心線設計成相對連桿軸頸中心向外側偏離一個小距離e，e約等于連桿軸頸直徑的1/20（見圖7-1-19）。這種結構可減小連桿軸頸的旋轉質量，使圓角處的彎曲應力降低，應力分布平坦。采用較大的圓角半徑，設計卸載槽（見圖7-1-19）能使應力分布均勻，從而提軸頸的彎曲強度。

曲柄臂是連接主軸頸與連桿軸頸或連接兩相鄰連桿軸頸的部位稱為曲柄臂，前者稱短臂曲柄臂后者稱長臂曲柄臂。曲柄臂的結構有橢圓形、圓形、矩形等。較合理的結構是橢圓形（圖7-1-9），它材料利用合理，應力分布均勻，疲勞強度高，圓形結構（圖7-1-10）簡單，有利于曲軸平衡，材料利用次于橢圓形。方形結構（圖7-1-11）的材料利用最差，質量與旋轉質量較大。

平衡塊是用來平衡曲軸的不平衡的慣性力和力矩，減輕主軸承載荷，以及減小曲軸和曲柄箱所受的內力矩。在保證各部件正常運轉互不相碰的條件下，盡量增大平衡塊外緣半徑和平衡塊的厚度，然后調整平衡塊的包角，使平衡塊重心的回轉半徑與平衡塊質量的乘積滿足動力計算的要求。平衡塊與曲柄臂的連接，對于鍛造曲軸多采用螺栓緊固連接，如圖7-1-12所示。這種連接采用燕尾槽結構，能防止螺栓受剪，提高了可靠性，也可設計成其他可靠的結構。鑄造曲軸的平衡塊一般與曲柄臂鑄成一體。

油孔和油道的設計，不論是從軸承的潤滑還是對曲軸強度的影響都很重要。曲軸的主軸頸和連桿軸頸一般采用壓力油供油潤滑，壓力油經主油管送到各主軸承，再經曲軸內潤滑油道進入連桿軸頸軸承。在決定主軸頸和連桿軸頸上油孔的位置時，既要保證供油壓力和必要的冷卻油量，又要使油孔對軸頸強度影響最小。因此，一般把主軸頸油孔開在最大軸頸壓力作用線的垂直方向。連桿軸頸油孔多開在位于垂直曲柄平面的方向，當曲柄平面內彎曲時，這個位置接近連桿軸頸的中性平面，軸頸表面的彎曲正應力和扭轉切應力均較小。此外，還應同時考慮曲軸的結構和鉆孔的工藝性來確定油孔位置。油孔直徑均為軸頸直徑的0.05～0.1倍，但不小于3～5mm。油孔孔口必須倒圓并拋光。潤滑油道的布置型式如圖7-1-13所示。

軸頸的過渡圓角r處是曲軸應力集中最嚴重的區(qū)域，合理設計過渡圓角的尺寸和形狀十分重要。

過渡圓角設計時應注意以下幾點。

①圓角半徑越小，應力集中越大，曲軸疲勞強度越低，當圓角半徑與軸頸直徑的比值r/d≤0.05時，應力集中就十分嚴重了，一般圓角半徑通常取為軸頸直徑的5％～8％。對于合金鋼曲軸最好采用較大的r值。但圓角半徑越大，軸頸的有效工作長度變短，且圓角的加工質量也難以保證。為了增大過渡圓角半徑且不縮短軸頸長度，可采用沉割或多圓弧圓角。見圖7-1-14。

②軸頸表面和圓角表面應一次磨成，保證銜接處有較低的表面粗糙度值。對重要曲軸，圓角表面應施以強化措施，以提高疲勞強度。

③同一曲軸上的圓角，包括軸頸突然變化處的圓角，應盡量取同一圓角半徑，以利加工。