摘要：内燃机是机械设备的重要构成，其内部曲轴结构设计与其抗弯疲劳强度及扭转刚度之间有着紧密的联系。基于此，本文主要探讨了内燃机曲轴结构强度问题对结构设计的影响，以此提升结构设计的合理性，提高内燃机的质量。
关键词：内燃机；曲轴结构；结构设计
前言：内燃机曲轴就是将柴油燃烧所产生的热能转换为机械能的一种传动部件，其横断面会沿着轴线方向发生急剧变化，应分布不均，特别是在油孔、曲柄臂等位置，应力过于集中，易出现疲劳破坏，影响内燃机的使用性能。因此，在进行曲轴设计时，要通过合理的设计提升曲轴结构强度，增加内燃机的使用寿命。
一、内燃机曲轴的疲劳破坏形式及原因
内燃机曲轴的疲劳破坏形式共分为四种，如图1所示。
图 1 疲劳破坏形式
其中，（a）图的裂纹发生在主轴颈、连杆轴颈和曲柄臂的过渡圆角处，此处存在严重的集中应力，之后会逐渐在曲柄臂处发展成横断式的疲劳裂纹。产生此种破坏的原因有：曲柄处的过渡圆角小，曲柄臂薄，圆角处加工不合理；曲轴箱或是支撑的刚度过小，附加弯矩变大；曲轴箱刚度较弱，主轴颈严重变形引起磨损问题，致使心度不同、附加弯矩增大，在长时间运行后易出现断裂。
（b）图的裂纹发生在圆角或是油孔处，并且只朝同一方向裂纹，其与轴线的角度为45°。产生此种破坏的原因有：因不对称较扭矩所引发的最大应力，导致出现疲劳破坏；圆角加工与热加工不合理，使得材料组织不均；油孔口的圆角加工不合理；连杆轴颈过细。
（c）图的裂纹发生在油孔处，其与轴线呈45°。产生此种破坏的原因有：扭转振动过大增加了附加应力；油孔边缘加工不合理，孔口的过度圆角较小，应力过于集中。
（d）图的裂纹发生在圆角的四周，断口为锯齿形。产生此种破坏的原因有：圆角过于尖锐，应力集中严重。
二、内燃机曲轴的结构设计要求
曲轴的结构形状及尺寸会对其抗弯疲劳强度、扭转刚度产生较大的影响，因此其要满足循以下条件进行设计结构：
第一，强度合格。主要是对于曲柄部位的抗弯、抗扭疲劳强度和功率输出的静强度；第二，刚度合格。通过减少内燃机曲轴出现挠曲变形来确保活塞连杆及各轴承正常工作，并且还可提升其自振频率，避免在工作转速下出现共振；第三，轴径。轴承副的耐磨性要高，承压面积充足，且油孔布置合理；第四，曲柄排列合理。确保曲柄平稳运行，扭矩均匀，轴系扭振情况良好；第五，合理放置平衡块，降低主轴承的负荷与振动[1]。
三、内燃机曲轴的结构设计方法
（一）明确结构形式
内燃机曲轴共有三种形式，在不同工作条件下要选择不同的曲轴设计方案，具体结构设计如下：
1.整体锻造曲轴
此类型曲轴的尺寸较为紧凑、重量轻且强度高，相对于形状加工的难度而言，平衡块很难与内燃机曲轴连接在一起。通常情况下，此类型曲轴会使用模锻与连续纤维进行挤压锻造；只有生产量小、且曲轴半径低于800mm的大中型曲轴会采取自由锻。
2.整体铸造曲轴
此类型曲轴的加工性能良好，金属切割量小且成本低；并且铸造的曲轴可以确保其与设计图样结构及形状相符，像是椭圆形的曲柄臂、桶形的空心轴颈等，应力分布较为均匀，可有效提升其疲劳强度，效果明显，具体如图2所示。
图 2 整体铸造曲轴图
3.组合曲轴
大型曲轴因其整体毛坯制造能力有限，并且部分区域存在损坏问题时需要将整根曲轴进行替换，成本较高，因而可以采取组合曲轴形式。在特殊状况下，中曲轴、小曲轴也能够进行组合，所以在实际生活中，内燃机中常用的是套合曲轴。另外，套合曲轴又可划分为全套合与半套合，具体如图3、图4所示。其制造方法为将主轴颈、曲柄臂与曲柄销全部分开或是部分分开进行制造，其中半套合曲轴的曲柄销、臂要铸成一体。然后再使用热套或是液压等方式将各个部件相连接，从而完成套合曲轴的制作。
此外，套合曲轴大多会用在曲柄半径超过400mm-450mm大型低速柴油机或是小型滚针轴承的曲轴之中。另外大型内燃机套合曲轴为全套合时，其t0≥，t接近于t0；为半套合时，t接近于。当在低于200-250℃采取热套工艺时，曲柄臂的屈服极限要大于220MPa,其配合过盈量是1.4/1000-1.6/1000d；压入量是0.4-0.45d（d表示配合处轴颈直径）。
（二）明确润滑油道
内燃机曲轴的主轴颈及曲柄销一般会使用压力润滑。润滑油通常会从主油道流入各个主轴承，然后再从其内部油道流入连杆轴承。若是主轴承是滚动轴承，那么润滑油会从“假轴承”流入内燃机曲轴内部，再流入各个轴承中[2]。在明确油孔位置时，要充分考虑供油压力及油孔的设计与曲轴强度之间的影响作用，通常情况下主油颈的油孔会与最大轴径压力线成垂直角，而曲柄销的油孔会设置在低轴承负荷区域。从强度上看，曲柄销的油孔要设置在内燃机曲轴垂直平面中，因为其表面的弯曲正应力与扭转切应力较小。除此之外，还要依照内燃机曲轴结构及钻孔工艺来确定油孔位置。为了避免油孔位出现严重的应力集中，或是疲劳裂痕导致疲劳断裂等问题，要对油孔的边缘处进行倒角并且抛光。
（三）明确曲轴平衡块的具体形式
平衡块主要是用来平衡曲轴的惯性力与力度，以此降低主轴承的载荷，减小曲轴、曲轴箱所受内力矩；并且平衡块的安放增加了曲轴质量，有效降低了曲轴的扭振效率。因此，要依照内燃机曲轴结构、曲柄排列以及转速等多种因素配置平衡块，从而满足平衡精度要求。另外，平衡块还可与曲轴连为一体，或是分开制造再进行装配。此外，为了提升曲轴强度，还可以增大过度圆角（多元弧的连接圆角位置要进行沉割处理）、重叠度；利用空心轴颈并在曲柄臂上设置卸载槽，以此增大油孔边缘的圆角；或是使用高频淬火、软氮化等方式提升集中应力部位的疲劳强度，进而增加曲轴强度。
结束语：综上所述，内燃机曲轴出现断口破坏额原因大多是因应力过于集中产生的疲劳裂纹，长时间运行后，裂纹会发展为严重的断口。因此在设计内燃机曲轴时，要依照实际情况选择好曲轴的设计结构，准确设置润滑油口，并使用安置平衡块来增加曲轴质量，从而降低振动产生的应力集中问题，提升曲轴强度，延长内燃机曲轴的使用寿命。
参考文献：
[1]何振鹏,谢海超,徐唐进,等.基于摩擦学和结构动力学的内燃机曲轴结构可靠性研究[J].润滑与密封,2017,42(10):35-42.
[2]陈波,杨志勇,张自立，等.基于EQ4H型内燃机含裂纹曲轴的应力强度因子计算[J].机械强度,2016,38(02):369-373.
论文作者:梁仲庆
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/25
标签：曲轴论文; 内燃机论文; 曲柄论文; 应力论文; 强度论文; 疲劳论文; 裂纹论文; 《科技新时代》2019年5期论文;