多拐式内燃机传动曲轴结构设计

做动力总成结构设计快十二年，经手的曲轴方案少说也有四十多套，从单缸通用机到六缸重型柴油机的曲轴结构都摸过，这次的多拐曲轴结构，是针对直列六缸内燃机做的适配设计，先从实际应用场景说，这类曲轴主要搭载在中型载货汽车、非道路工程机械的柴油动力单元上，也有部分同结构改型用在固定工位的柴油发电机组里，核心作用是把活塞连杆组传递来的往复直线运动，转化为可输出的旋转扭矩，一方面驱动整车或者作业设备的传动系统，另一方面还要带动内燃机自身的配气机构、冷却水泵、机油泵、燃油高压泵这些附属附件运转，是动力单元里承受交变载荷最复杂的核心零件。

先说设计思路的落地，当初做这个结构的时候，首先要平衡的是曲柄销的布置相位，直列六缸机的发火间隔角是120度，六个曲柄销分成三对，每对同相位的曲柄销错开120度布置，这样能保证一阶、二阶往复惯性力完全自平衡，不用额外加装平衡轴就能把整机怠速振动控制在合理区间，减少整机悬置的载荷压力。然后是曲柄臂的结构设计，没有采用传统的椭圆形曲柄臂，而是做了带卸载槽的矩形修形结构，在曲柄臂和主轴颈、曲柄销的过渡位置，做了多段圆弧过渡的沉割结构，不是单一圆角，而是三段不同半径的圆弧相切过渡，这样能把轴颈圆角处的应力集中系数降低27%左右，毕竟曲轴失效90%以上都是从圆角位置萌生疲劳裂纹开始的，这个细节在建模的时候特意做了参数化关联，后续如果调整轴颈直径，过渡圆角能自动匹配更新，不用重新草绘。

再说到实际的功能特性，这个曲轴的主轴颈采用了等直径设计，方便缸体主轴承座的同轴孔加工，不用做阶梯孔就能完成装配，降低机加工的工艺难度；曲柄销采用了中空结构设计，中空腔一方面可以作为机油的输送通道，把主油道来的压力机油通过曲轴内部斜油道输送到连杆轴承位置，保证连杆轴瓦的润滑，另一方面中空结构能降低曲轴的整体转动惯量，让内燃机的转速响应更快，同时减少旋转过程中的离心载荷，降低主轴承的负荷。这里要注意油道的倾斜角度，建模的时候特意把油道孔的轴线和曲柄销、主轴颈的中心连线做了15度的夹角，避免油道孔口和轴瓦的油槽位置错位，保证各个转速区间下的机油供油压力稳定。

然后说外形尺寸和安装边界，这套曲轴的总长度是根据适配的直列六缸缸体中心距定的，相邻两个主轴颈的中心距和缸心距完全一致，保证装配的时候曲轴能顺利落入缸体的主轴承座，不会和缸筒下方的加强筋发生干涉；曲轴的前端轴颈预留了正时齿轮、皮带轮、扭转减振器的安装定位面，定位轴颈的配合公差选的是k6过渡配合，保证传动件不会在运转过程中发生松旷，前端的螺纹孔是用来固定皮带轮锁紧螺母的，螺纹深度特意做了比常规深3mm，避免长期交变载荷下螺纹滑牙；曲轴的后端是法兰连接结构，法兰端的止口直径和飞轮的定位止口做H7/h6间隙配合，法兰上的螺栓孔采用了不等距布置，防止装配的时候飞轮装错位，影响动平衡精度。另外曲轴的轴向定位是放在第三道主轴承位置，也就是中间的主轴颈两侧做了止推面，止推面的宽度留了0.15到0.3mm的轴向间隙，保证曲轴受热膨胀的时候不会卡滞，同时能控制曲轴的轴向窜动量，避免前后端的油封出现偏磨漏油的问题。

建模的时候还特意做了动平衡的去重结构预留，在每个曲柄臂的端面都预留了去重钻孔的位置标识，后续零件做动平衡测试的时候，可以直接在预留位置钻去重孔，不用额外找位置，避免钻到内部油道。另外曲柄臂的侧面做了微凸的流线型修形，减少曲轴高速旋转的时候对曲轴箱内机油的搅动阻力，降低机油的起泡率，保证机油泵的供油效率。很多新手做曲轴建模的时候容易忽略的点是轴颈表面的粗糙度要求对应的结构细节，其实主轴颈和曲柄销的表面是要做磨削加工的，所以在三维模型里特意把轴颈两端的越程槽位置做了明确的结构表达，越程槽的宽度和深度符合磨削工艺的要求，不会出现磨头加工到曲柄臂侧面的问题。还有一个细节是曲轴的油道孔口都做了0.5mm的倒角，去除孔口的毛刺，避免装配的时候刮伤轴瓦的内表面，也防止毛刺脱落进入机油油路造成轴瓦划伤。

从实际选型的角度说，这套曲轴结构适配的是排量在7到9升的直列六缸柴油机，额定转速区间在2200转到2800转，最大爆发压力能承受18MPa的载荷，材料适配的是锻钢42CrMo，当然如果是做汽油机改型的话，也可以换成球墨铸铁QT800-2的材料，只需要把曲柄臂的厚度稍微加大2mm就能满足强度要求。建模的时候所有的尺寸都做了参数化关联，比如调整曲柄半径就能改变活塞的行程，直接调整内燃机的排量，调整主轴颈直径就能适配不同承载能力的主轴承，不用重新搭建整个模型，能大幅缩短后续改型设计的周期。另外在做装配干涉检查的时候，特意验证了曲轴在最大转角位置，曲柄臂和连杆大头、缸体加强筋、活塞下裙部的间隙，最小间隙留了4mm以上，保证运转过程中不会出现运动干涉，即使连杆轴瓦出现一定程度的磨损，也不会发生碰撞问题。