曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在设计曲铀时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果。 第一节 曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择
一、曲轴的工作条件和设计要求
曲赖是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩(扭矩和弯矩)共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。实践局理论表明，对于各种曲轴，弯曲载荷具有决定性意义，而扭转载荷仅占次要地位(不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏， 由于目前多缸发动机曲轴普遍采用减振措施，这种情形很少发 生)。曲轴破坏的统计分析表明， 80％左右是由弯曲疲劳产生的。因此， 曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。
曲轴形状复杂、应力集中现象相当严重，特别在曲柄至轴颈的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象尤为突出。图5—1为曲轴应力集中示意图，疲劳裂纹的发源地几乎全部产生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处。图5—2表明曲轴弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏的情况。弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45。折断曲柄；扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45。剪断曲柯悄c所以在设计曲轴时要使它具有足够的疲劳强度，特别要注意强化应力集中部位，设法缓和应力集中现象，也就是采用局部强化的方法来解决曲轴强度不足的矛盾。’
曲轴各轴颈在很高的比压下， 以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。这些轴承杯实际变工况运转条件下并不总能保证液体恩德，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面道到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以，·设计曲铀时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件c1 曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不足， 就会
大大恶化活塞、连秤、轴承等重要零件的工作条件，影响它们的工作可靠性和耐磨性， 甚至使曲轴箱局部损坏。曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动：轻则引起噪音，加速曲轴上齿轮等传动件的磨损；重则使曲轴断裂。所以，了没计曲轴时。应保证它有尽可能高的弯曲刚度和钮转刚度。／ 所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都应该在轻的结构重量下实现。同时．随着内燃机的不断发展，各项指标的强化， 曲轴的结构也应留有发展的余地。
不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。例如，为了提高曲轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作而言，可以降低轴承比压，但高转速下轴承圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增加，轴承温度升高，降低了轴承工作的可靠性。此外， 曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷加大。这时，可能引起来用斜切口连杆的必要，·而这种连杆刚性较差，而且制造成本较高。曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量的加大，可能使刚度对扭振带来的好处得而复失。正是这些内在的矛盾推动着曲轴设计的发展，而在曲轴强度矛盾的总体中，应力集中处的最大应力与该力作用点的材料抗力的矛盾是它的主要矛盾。影响这个主要矛盾的主要因素有： 曲轴的结构、材料和加工工艺等三方面，这三种因素各自有独立的作用，相互又有影
响，必须辩证地进行分析，在设计曲轴时，不应只注重结构尺寸的设计一个方面。
由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映客现实际的理论公式可供通用。因此， 目前曲轴的设计主要是依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料，借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计、强度复核、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。
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二、曲轴的结构型式
曲轴的结构与其制造方法有直接关系，体式和组合式两大类：
(一)整体式曲轴在进行曲轴结构设计时必须同时考虑。曲软分整
整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根饲料锻造或用铸造方法浇铸出来。为4105高速柴油机整体铸造曲轴，图5—35为CA—72型V—8发动机整体锻造曲轴。
整体式曲轴具有工作可靠、重量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少，是中小型发动机曲轴广为应用的结构型式。只要工厂有条件制造。设计上总是尽量采用整
体结构。但是，当曲轴尺寸较大， 曲拐数较多时，这种曲轴的加工比较困难，需要用大的专用设备，而且某一部分因加工不合格或使用中损坏时，整根曲轴便要报废。
整体式曲轴一般与滑动轴承相配合。但是，单缸发动机的整体式曲轴却往往与滚动轴承配合，借以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。
(二)组合式曲轴 ，
组合式曲轴是把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。单元体的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴，见图5—4a、b、c。按划分镜头PO
大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用这种组合式结构的曲轴。因为大功率柴油机的曲轴粗而长，采用整体式结构则加工困难，有的甚至不可能。例如，6ESDz75／60柴油机曲勒重达800牛顿，长达12．5米，这么大的曲轴，由于受到设备的限制不能制成整体式，只得采用组合式结构。小型单缸二冲程发动机围结构与润滑系统的简化，连杆轴承一般采用滚针(柱)轴承，这时把连杆大头做成整体式，其曲拐必须采用可分开的组合结构才能进行装配。在中型高速内燃机上，这种组合式曲轴用的不多。
此外，还有一种盘形组合曲轴，12V135型高速柴油机的曲轴就属于这种类型(图1—21)。它的结构特点是采用球墨铸铁作曲轴材料，把圆盘形曲柄兼作主轴颈，采用滚动轴承作为主轴承。把单位曲拐制成后用螺栓紧固联成一根曲轴。扭矩的传递主要依靠结合面之间的摩擦力。
这种曲铀的主要优点是： 曲柄兼作主轴颈，可使缸心距缩短，柴油机的总长度减小；可适当增加曲柄销宽度，改善连杆大头轴承的工作条件，利于发展v型并列连杆系列产品：因主轴颈很大，使轴颈重叠度增加很多，因而曲轴刚度大， 自振频率高，扭振应力小； 由于各缸单位曲拐结构相同，用几个相同的曲拐就可以装配成不同缸数的曲轴，这就简化了曲轴的生产，有利于产品系列化；而且，在使用中任何一个曲拐有缺陷或损坏时，可以单独更换，不必将整根曲轴报废；采用滚动轴承摩擦损失小，机械效率高，寿命较长，在非增压柴油机上它的寿命可达15000小时。
圆盘形组合曲轴的缺点是：滚动轴承的采用要消耗大量合金钢材，成本约贵九倍。而且滚动轴承比滑动轴承要重得多，噪音大，拆装也不方便；这种曲轴要求隧道式机体，虽然机体的刚性较好，但比一般机体要重；结构复杂，有很多结合面，只有在高的制造精度的前提下，才能保证装配后曲轴的积累误差仍在正常规定范围内。
最后必须指出： 由于主轴承采用滚动轴承，使润滑油引入比较困难，它不能直接从主轴承引入，要采用特殊的结构。在12V135型柴油机上采用假轴承结构：在曲轴端部专设一段供油轴颈(图1—21曲轴前端带T型槽的那段轴颈)，上面套有假轴承(因为它不起支承作用，只把润滑油引入轴颈内腔)。假轴承固定在机体上不随曲拐转动，为了避免可能发生的磨损，假轴承的内壁也有轴承合金，它与曲轴的配合间隙较小，以减少泄漏。润滑油进入假轴承后，通过T型泊道进入轴颈内腔，再流向其它各轴颈油道。
三、曲轴的材料太阳能风扇帽
在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。因此，必须根据内燃机的用途及强化程度，正确地选用曲轴材料。在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。以铸代银，以铁代钢。作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求有高度的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。
钢制曲轴除极少数应用铸钢以外，绝大多数采用锻造。锻造曲铀的材料有碳素钢和合金钢。变径套
碳素钢的弹性模数与合金钢相近，在刚度方面两种材料的曲轴并无多大差别。合全钢的强度虽比碳素钢高，但对缺口的敏感性很强，因而对机械加工要求严格。无论在材料价格还是生产费用上碳素钢都要便宜得多／所以在汽车拖拉机发动机和农用内燃机这一类强化程度不太高的中高速内燃机上，广泛采用中碳钢45(精选含碳量为0．42一o．47％)模锻曲轴。例如，CA—72型发动机的曲铀和CA—10B型发动机的曲轴均属于这类曲轴。模锻曲轴的自由表面(如曲柄表面)——般不进行机械加工，这使加工工艺简化。但曲铀于锻造后应进行第——次热处理(退火或正火)，其目的是消除金属中的内应力和降低硬度以便于杉I‘械加工。庄精磨前应进行第二次热处理(调质)以改善钢的机械性能并提高轴颈表面硬度。对轴颈表面、回角和油孔边缘均应抛光， 以提高曲轴的疲劳强度。先进的连续纤维挤压锻造曲轴的出；现，使强度较自由锻提高20％。
强化程度高的中、高速机车柴油机和航空发动机，对尺寸、重量及安全运转方面都有严格要求c为得到足够的疲劳强度以确保工作可靠，一般多采用具有优异综合机械性能的含cr，Ni，邓：1、V，W等合金元素的优质合金钢作为曲轴材料。合金钢不但对缺口‘的敏感性很强，对热处理要求也相当严格，因为其优良的性能只有在恰当的热处理及良好的加工条件下才能发挥出来。这时，整个曲轴表面包括非配合表面也应抛光到很高的光洁度，以
免应力集中。在结构形状设计中也应特别注意避免和减轻应力集中的可能性。近年来，我国自行发展的含Si，Mn，B，Mo，W，V等元素的无镍铬合金钢，已成功地用来制造高指标柴油机曲粕。刹车马达
由于曲轴模锻设备十分庞大，一直想用铸造曲轴代替锻造曲轴。提。而自由锻又大大汉费材料和加工工时，所以长期以来人们高强度球墨铸铁的出现为铸造曲轴的广泛采用提供了前提
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