曲柄連桿機構將活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動，將作用在活塞頂面燃氣作的功傳遞給曲軸，并最終由曲軸將動力輸出，驅動整個與之相關聯(lián)的零部件進行工作。在曲軸前端帶動附件輪系，包括減震皮帶輪、凸輪軸鏈輪（皮帶輪）、發(fā)電機、空壓機、動力轉向泵等機件，維持著發(fā)動機和整車正常運轉的功能。
曲軸的后端與飛輪通過螺栓連接在一起，再與離合器（液力變矩器）等相接，進而來連接變速箱最終將發(fā)動機的動力輸出到輪胎上，使車輛能夠正常行駛。中間主要為主軸頸、曲柄臂、曲柄銷組成，一般在軸頸上面還開有潤滑油孔，負責整個軸系的潤滑，中間部分是曲軸的核心部位。對于如此重要和復雜的零件來說，在其設計時必須遵循著一些設計準則，以保證其質量。
曲軸的設計主要包括：曲軸軸頸、曲柄臂、平衡重、止推、潤滑油道、圓角等方面的設計。以下正航儀器分別對這幾方面進行敘述。
（1）曲軸軸頸
曲軸軸頸包括：曲柄銷、主軸頸兩部分。這兩部分是發(fā)動機中最重要的摩擦副。它們的設計好壞對發(fā)動機的可靠性、外形尺寸及維修等都有著很大的影響。軸頸尺寸和結構與曲軸的強度、剛度及潤滑密切相關。因為發(fā)動機曲柄銷負荷一般要大于主軸頸，因此在設計中先確定曲柄銷的直徑尺寸2D，為了降低曲柄銷比壓，增強曲軸的剛度，提高工作的可靠性，現(xiàn)在設計中有曲柄銷尺寸變大的趨勢，但隨之而來的是連桿大頭孔尺寸變大，間接使發(fā)動機缸孔直徑變大，影響整機的緊湊性，同時使得不平衡旋轉質量的離心力加大對曲軸和軸承工作帶來負面影響。曲柄銷尺寸的增加，引起軸系自振頻率的增加，可能會增加曲軸扭振的危害，還會使軸頸表面圓周速度增大。因此這個尺寸往往要綜合以上因素制定。曲柄銷的長度2l是在選定2D后的基礎上考慮的，一般要控制曲柄銷的比壓。軸承的長徑比22l/D一般控制在0.4左右。如果2l過大，會使得軸承中機油流量降低，軸承溫升嚴重，甚至會造成燒瓦抱軸。2l過小也會造成軸承承載能力不足。確定了曲柄銷尺寸后再確定主軸頸直徑尺寸1D，主軸頸一般要大于曲柄銷。雖然主軸頸的負荷要小于曲柄銷，但曲軸形狀的特殊，本身結構上就剛度較差，因此采用盡可能大的主軸頸會可以增加曲軸剛度，同時還會增加曲軸軸頸重疊度，提高曲軸的強度，且對轉動慣量增加較少，有利于提高自振頻率，減輕扭振的危害。另一方面，加大曲軸主軸頸1D，從軸承載荷角度也可以減小主軸頸長度1l，從而給曲柄臂留出更大的厚度，更好的提高曲軸的強度與剛度。但是過大的主軸頸也會造成軸頸表面線速度增加，摩擦損失增加，因此主軸頸的尺寸也要加以限制。
（2）曲柄臂
現(xiàn)在發(fā)動機設計中都會充分考慮扭振的影響，因此發(fā)動機曲軸的主要破壞型式為彎曲破壞（占到80%以上）。曲柄臂往往是曲軸中最薄弱的部位之一。首先要選擇合適的厚度h、寬度b，還要盡可能使曲柄臂的形狀設計的更合理，充分減小應力集中造成的損壞。曲柄在曲拐中抗彎曲能力用抗彎斷面模數(shù)Wσ來表征。
因此在曲柄臂設計中，盡可能的增加曲柄臂的厚度，對增加曲軸的強度和剛度是大有好處的。但是由于發(fā)動機緊湊性的要求，發(fā)動機缸心距參數(shù)控制非常嚴格，往往曲柄臂厚度能夠挖掘的潛力有限，可以增加曲柄臂的寬度，來增強強度，為了少增加重量，現(xiàn)在大都采用眼鏡蛇結構，即：在危險截面上盡量增加寬度，其余地方減小寬度，見圖2.1。眼鏡蛇式曲柄臂的設計能夠達到以的重量換取限度的增加曲軸剛度和強度的作用。這一點，我們簡單的做一個離心力仿真計算來加以驗證。在這里，為了節(jié)省時間，可以直接再PRO/Engineer軟件的Mechanica模塊進行曲柄臂離心力仿真計算。使用這個模塊進行CAE仿真時，可以直接使用設計出來的3D數(shù)模文件，只需將軟件窗口從設計功能切換到Mechanica功能即可進行分析。在這個模塊中，PRO/E自動的根據(jù)曲柄臂數(shù)模來劃分高階四面體網(wǎng)格，通過人工添加約束和材料后，建立計算分析，運行分析后得到如圖2.2所示的離心力云圖。從離心力云圖中我們可以看出在危險截面位置應力值較低，尤其在曲柄臂最寬處已經(jīng)基本上沒有明顯的應力。如果考慮到發(fā)動機在實際工作中爆發(fā)壓力的影響，作用力會比這里大很多，但是應力分布狀況應該和這里的分布趨勢相近，不會造成危險斷面處斷裂。
 

 
 
（3）平衡重
曲軸的平衡重的主要作用是平衡曲軸本身不平衡旋轉力和內(nèi)彎矩。不同缸數(shù)的發(fā)動機曲軸有著不同的平衡方案，本論文主要涉及的是四缸發(fā)動機，在此重點針對四缸發(fā)動機討論。四缸發(fā)動機因為曲拐夾角為180 o，同時設計上是對稱的，本身已經(jīng)達到動平衡，但是因為其有著較大的內(nèi)彎矩，為了平衡內(nèi)彎矩常采用的平衡方案主要有完全平衡法即8塊平衡重設計和分段平衡法4塊平衡重設計。因為4塊平衡重對曲軸內(nèi)彎矩的平衡效果不如8塊平衡重，考慮到本論文項目發(fā)動機轉速為6000rpm，在某些特定情況還有可能更高，如此高的轉速下，曲軸的內(nèi)彎矩是很大的，所以本論文設計采用完全平衡法8塊平衡塊設計方案。確定了平衡方案后，對平衡塊的設計，要使平衡重上盡可能多的質量遠離曲軸旋轉中心，采用最小的重量，達到的平衡效果，符合曲軸輕量化設計的要求。平衡塊的徑向尺寸和厚度尺寸，以不碰活塞裙部和與連桿發(fā)生運動干涉為限。
（4）止推
曲軸止推的設計，主要考慮兩方面，一是曲軸本身在工作時由于溫度的升高而造成的膨脹變形，使得軸承位置的軸向偏移，而且這個偏移量是自止推面起是累加的。要盡量考慮止推面設計位置能使曲軸各個部位綜合變形對軸系影響最小。另一個要考慮曲軸兩端軸向負荷的大小，盡可能的使曲軸止推靠近施加軸向力的那一側，已盡量減少軸向推力對曲軸軸承影響的數(shù)量。一般曲軸后端因為有變速箱，變速箱中斜齒輪機構會產(chǎn)生一定的軸向推力，因此在四缸機中常見的止推設計在第三主軸頸兩側或設計在第四主軸頸兩側。另外還要根據(jù)軸向負荷的大小，考慮是否采用4片止推片設計。本論文發(fā)動機所配變速箱，軸向負荷較低，所以最終選定止推面位置設計在第3主軸頸兩側，采用2片止推片設計。（以上由正航儀器供稿，未完待續(xù)。）http://www.yutaojianshe.com