汽车动力传动用双轴带齿曲轴结构设计

　　在往复式动力机械的动力传递链路里，曲轴是把活塞往复直线运动转化为旋转扭矩输出的核心承载构件，这套双轴带齿的曲轴结构，主要适配小排量高转速的车用动力单元，也可移植到需要偏心旋转输出的专用工业动力设备上。从实际装车的应用场景来看，这类曲轴通常布置在发动机缸体的下部曲轴箱内，两端的花键轴段分别对接前端的正时驱动轮系与后端的飞轮动力输出端，轴颈位置需要和轴瓦做高精度间隙配合，保证高速运转下的油膜形成，避免干磨造成的轴颈拉伤。

　　设计这套结构的时候，首先要平衡的是曲柄臂的结构强度与旋转动平衡要求，两个偏心曲柄销的相位角按照做功顺序做对应偏移，保证各缸往复惯性力能够在旋转过程中尽可能相互抵消，降低整机运转的振动幅值。两端的外花键齿采用渐开线齿形设计，相比矩形花键，渐开线花键的齿根强度更高，对中性更好，能够承受大扭矩传递下的交变载荷，不会出现长期运转后的齿面磨损松旷问题。花键的齿顶与齿根都做了圆角过渡处理，避免应力集中造成的齿根断裂，这也是动力传动件设计里必须注意的细节，很多早期失效的曲轴传动齿，问题都出在齿根圆角加工不到位，交变载荷下萌生疲劳裂纹。

　　从安装边界来看，主轴颈的同轴度公差需要控制在0.02mm以内，两个曲柄销的平行度公差不超过0.015mm，不然装配后会出现轴瓦偏磨、运转卡滞的问题。曲柄臂的外形采用流线型的过渡曲面，一方面是为了去除冗余重量，降低曲轴整体的转动惯量，让动力响应更迅捷，另一方面曲面过渡能够分散曲柄臂与轴颈衔接位置的应力，避免应力集中造成的曲柄断裂。在结构设计阶段，还需要提前预留润滑油道的布置空间，主轴颈到曲柄销的斜向油道要保证贯通，压力机油能够通过油道持续输送到曲柄销与连杆大头的配合面，形成稳定的压力润滑，同时带走摩擦产生的热量与磨屑。

　　实际使用过程中，曲轴承受的载荷是非常复杂的，既有活塞连杆组传递过来的周期性爆发压力，也有旋转过程中自身质量产生的离心力，还有往复运动部件带来的往复惯性力，这些载荷都是周期性交变的，所以在结构设计时，所有的截面变化位置都做了大圆角过渡，避免锐角造成的应力集中。两端的轴段除了花键部分，还预留了密封件的安装槽位，装配时对应安装曲轴前后油封，防止曲轴箱内的机油泄漏，同时阻挡外部的灰尘杂质进入曲轴箱内部污染润滑油。

　　建模过程中，对曲柄臂的曲面做了连续曲率处理，保证加工时刀具路径能够平滑过渡，不会出现加工接刀痕，影响零件的表面质量与疲劳强度。花键部分的参数按照国标渐开线花键标准选取，模数、压力角、变位系数都匹配常用的车用传动接口，不需要额外做适配修改就可以和现有成熟的传动轮系对接，降低后续的配套开发成本。两个主轴颈的直径按照承载扭矩做了匹配计算，保证在最大爆发压力下，轴颈的挠度变形在允许范围内，不会出现轴颈变形导致的轴瓦配合间隙失效。

　　从功能特性上来说，这套曲轴结构的偏心距经过优化，既能够保证对应的活塞行程满足排量设计要求，又不会因为偏心距过大造成曲柄臂旋转时和缸体内部结构发生运动干涉。旋转过程中，曲柄销的运动轨迹是标准的圆形，连杆大头在曲柄销上做相对旋转运动，配合轴瓦的间隙设计，能够保证长时间高转速运转下的可靠性。另外，曲轴的动平衡校正平面选在两个曲柄臂的外侧端面上，建模时预留了平衡块的去重位置，实际生产时可以通过在该位置钻孔去重，把曲轴的动平衡量控制在允许的范围内，进一步降低运转振动。