曲柄連桿機構(gòu)將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)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(qū)動整個與之相關(guān)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(zhuǎn)向泵等機件，維持著發(fā)動機和整車正常運轉(zhuǎn)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(zé)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(fù)雜的零件來說，在其設(shè)計時必須遵循著一些設(shè)計準則，以保證其質(zhì)量。
曲軸的設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)與曲軸的強度、剛度及潤滑密切相關(guān)。因為發(fā)動機曲柄銷負荷一般要大于主軸頸，因此在設(shè)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(shè)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(zhuǎn)質(zhì)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(chǔ)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?xí)斐蔁弑лS。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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)計的更合理，充分減小應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)計出來的3D數(shù)模文件，只需將軟件窗口從設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布狀況應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)計和分段平衡法4塊平衡重設(shè)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(zhuǎn)速為6000rpm，在某些特定情況還有可能更高，如此高的轉(zhuǎn)速下，曲軸的內(nèi)彎矩是很大的，所以本論文設(shè)計采用完全平衡法8塊平衡塊設(shè)計方案。確定了平衡方案后，對平衡塊的設(shè)計，要使平衡重上盡可能多的質(zhì)量遠離曲軸旋轉(zhuǎn)中心，采用最小的重量，達到的平衡效果，符合曲軸輕量化設(shè)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(shè)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(shè)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(cè)，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(gòu)會產(chǎn)生一定的軸向推力，因此在四缸機中常見的止推設(shè)計在第三主軸頸兩側(cè)或設(shè)計在第四主軸頸兩側(cè)。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(shè)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(shè)計在第3主軸頸兩側(cè)，采用2片止推片設(shè)計。（以上由正航儀器供稿，未完待續(xù)。）http://gimelec.cn