2.1　曲轴结构设计

曲轴有整体曲轴（整体锻造曲轴和整体铸造曲轴）和组合曲轴。整体锻造应用较多，因为尺寸紧凑、重量轻、强度高。整体铸造可节省材料、减少切削加工量、可得到较合理的形状，应力分布均匀，使用在逐步扩大。组合曲轴用于在制造、安装和维修有特殊要求的情况。

曲轴一般由轴端、轴颈、曲柄臂和平衡块等组成见图7-1-8。

图7-1-8　曲轴

1—轴端；2—主轴颈；3—短臂曲柄臂；4—连杆轴颈；5—长臂曲柄臂

曲柄臂与连杆轴颈主轴颈的组合体称为曲柄，主轴颈中心线到连杆轴颈中心线间的距离称为曲柄半径。曲柄是曲轴的基本组成部分，它的基本结构和尺寸除保证往复运动机构的运动规律外在很大程度上决定了曲轴的强度和工作的可靠性。单位曲柄的结构设计主要是正确决定其各部分结构，如连杆轴颈、主轴颈、曲柄臂以及过渡圆角和油孔等的尺寸和形状，以保证曲轴有足够的疲劳强度和刚度，保证主轴承和连杆轴承工作可靠。

轴端一般是曲轴的输入端或输出端，与带轮、联轴器等连接。

轴颈有主轴颈、中部支承轴颈和连杆轴颈，轴颈分锻造和铸造结构。锻造曲轴的轴颈一般制成实心结构。铸造曲轴的轴颈采用空心结构较多，其内径与外径之比约为0.4～0.5，空心结构可提高曲轴的疲劳强度，减轻曲轴的质量，也易保证铸造时的质量。空心连杆轴颈，常将其空腔中心线设计成相对连杆轴颈中心向外侧偏离一个小距离e，e约等于连杆轴颈直径的1/20（见图7-1-19）。这种结构可减小连杆轴颈的旋转质量，使圆角处的弯曲应力降低，应力分布平坦。采用较大的圆角半径，设计卸载槽（见图7-1-19）能使应力分布均匀，从而提轴颈的弯曲强度。

曲柄臂是连接主轴颈与连杆轴颈或连接两相邻连杆轴颈的部位称为曲柄臂，前者称短臂曲柄臂后者称长臂曲柄臂。曲柄臂的结构有椭圆形、圆形、矩形等。较合理的结构是椭圆形（图7-1-9），它材料利用合理，应力分布均匀，疲劳强度高，圆形结构（图7-1-10）简单，有利于曲轴平衡，材料利用次于椭圆形。方形结构（图7-1-11）的材料利用最差，质量与旋转质量较大。

图7-1-9　椭圆形

图7-1-10　圆形

图7-1-11　方形

平衡块是用来平衡曲轴的不平衡的惯性力和力矩，减轻主轴承载荷，以及减小曲轴和曲柄箱所受的内力矩。在保证各部件正常运转互不相碰的条件下，尽量增大平衡块外缘半径和平衡块的厚度，然后调整平衡块的包角，使平衡块重心的回转半径与平衡块质量的乘积满足动力计算的要求。平衡块与曲柄臂的连接，对于锻造曲轴多采用螺栓紧固连接，如图7-1-12所示。这种连接采用燕尾槽结构，能防止螺栓受剪，提高了可靠性，也可设计成其他可靠的结构。铸造曲轴的平衡块一般与曲柄臂铸成一体。

图7-1-12　螺栓紧固连接平衡块与曲柄臂

油孔和油道的设计，不论是从轴承的润滑还是对曲轴强度的影响都很重要。曲轴的主轴颈和连杆轴颈一般采用压力油供油润滑，压力油经主油管送到各主轴承，再经曲轴内润滑油道进入连杆轴颈轴承。在决定主轴颈和连杆轴颈上油孔的位置时，既要保证供油压力和必要的冷却油量，又要使油孔对轴颈强度影响最小。因此，一般把主轴颈油孔开在最大轴颈压力作用线的垂直方向。连杆轴颈油孔多开在位于垂直曲柄平面的方向，当曲柄平面内弯曲时，这个位置接近连杆轴颈的中性平面，轴颈表面的弯曲正应力和扭转切应力均较小。此外，还应同时考虑曲轴的结构和钻孔的工艺性来确定油孔位置。油孔直径均为轴颈直径的0.05～0.1倍，但不小于3～5mm。油孔孔口必须倒圆并抛光。润滑油道的布置型式如图7-1-13所示。

图7-1-13　曲轴润滑油道

轴颈的过渡圆角r处是曲轴应力集中最严重的区域，合理设计过渡圆角的尺寸和形状十分重要。

过渡圆角设计时应注意以下几点。

①圆角半径越小，应力集中越大，曲轴疲劳强度越低，当圆角半径与轴颈直径的比值r/d≤0.05时，应力集中就十分严重了，一般圆角半径通常取为轴颈直径的5％～8％。对于合金钢曲轴最好采用较大的r值。但圆角半径越大，轴颈的有效工作长度变短，且圆角的加工质量也难以保证。为了增大过渡圆角半径且不缩短轴颈长度，可采用沉割或多圆弧圆角。见图7-1-14。

图7-1-14　常用过渡圆角的形式

1—曲柄；2—轴颈

②轴颈表面和圆角表面应一次磨成，保证衔接处有较低的表面粗糙度值。对重要曲轴，圆角表面应施以强化措施，以提高疲劳强度。

③同一曲轴上的圆角，包括轴颈突然变化处的圆角，应尽量取同一圆角半径，以利加工。