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内燃机的曲轴强度计算
目录
M 53.1总则
1.1范围
1.2应用领域
1.3计算原理
1.4图纸和细节提交
M 53.2计算应力
2.1由弯矩和径向力引起的交变应力的计算
2.1.1假设
2.1.1.1 曲柄臂中的弯矩和径向力
2.1.1.2曲轴销油孔出口处弯曲作用
2.1.2曲柄臂中名义交变弯曲和压缩应力的计算
2.1.2.1曲柄臂横截面的名义交变弯曲和压缩应力
2.1.2.2曲柄销油孔出口处的名义交变弯曲应力
2.1.3计算圆角中的交变弯曲应力
2.1.4计算曲柄销油孔出口处的交变弯曲应力
2.2计算交变扭转应力
2.2.1总则
2.2.2名义交变扭转应力的计算
2.2.3曲柄销油孔圆角和出口交变扭转应力的计算
M 53.3应力集中系数的评估
3.1总则
3.2曲柄销圆角
3.3轴颈圆角(不适用于半组合式曲轴)
3.4曲轴销油孔出口
M 53.4附加弯曲应力
M 53.5等效交变应力计算
5.1总则
5.2等效交变应力
M 53.6疲劳强度计算
M 53.7可接受标准
M 53.8半组合式曲轴收缩配合的计算
8.1总则
8.2轴颈销最大允许孔数
8.3收缩配合必要的最小尺寸
8.4收缩配合的最大允许尺寸
附录一 曲轴圆角应力集中系数的定义
附录二 钻孔油孔的应力集中因子与边缘应力分布
附录三 曲柄臂圆角半径应力集中系数的有限元计算方法
注：Rev.1适用于设计批准申请日期2007年1月1日或之后的曲轴。
注：Rev.2适用于设计批准申请日期2012年1月1日或之后的曲轴。
M 53.1总则
1.1范围
这些曲轴设计规则适于用于推进和辅助用途的内燃机，其中发动机能够以额定功率在额定速度下连续运行。
凡曲轴设计涉及到使用表面处理的圆角，或在测试疲劳参数影响时，或在测量工作应力时，须向船级社提交有关的计算/分析文件，以证明与规则具有同等效力。
1.2应用领域
这些规则仅适用于锻造或铸钢的实心锻造和半组合式曲轴，其主轴承之间有一个曲拐。
1.3计算原理
曲轴的设计基于对高应力区域的疲劳安全评估。
计算还基于以下假设，即承受最高应力的区域是：
bull; 曲柄销和曲柄臂之间以及轴颈和曲柄臂之间的圆角过渡,
bull; 曲轴销油孔出口，
当轴颈直径等于或大于曲轴销轴颈时，主轴颈油孔的出口应与曲柄销油孔相似，否则
可能需要单独记录疲劳安全性。
曲轴强度的计算最初包括确定名义交变弯曲(见sect;M53.2.1)和名义交变扭转应力(见sect;M53.2.2)，它们乘以适当的应力集中系数(见sect;M53.3)，产生等效的交变应力(轴向应力)(见sect;M53.5)。然后将这种等效的交变应力与所选曲轴材料的疲劳强度进行比较(见sect;M53.6)。这个比较将表明所涉及的曲轴的尺寸是否适当（参见M53.7）。
1.4图纸和细节提交
曲轴的计算，须提交下列文件及详情：
bull;曲轴绘制
（其必须包含关于曲轴的几何构造的所有数据）
bull; 发动机型号和种类
(直列式发动机或带有相邻连杆的V型发动机，分叉式连杆或铰接式连杆)
bull;运行及燃烧方式
(二冲程或四冲程循环/直接喷射、带预燃室等.)
bull;气缸数
bull;额定功率 [kW]
bull;额定发动机转速 [r/min]
bull;旋转方向(见图. 1)
bull;点火顺序及相应的点火间隔，如有必要，
bull; V-角度 alpha;v [ordm;] (见图. 1)
图.1-气缸类型
bull;气缸直径r[mm]
bull;行程 [mm]
bull;气缸最大压力 Pmax [bar]
bull;进气压力[bar]
(在进口阀或扫气口之前，以适用者为准)
bull;连杆长度LH [mm]
bull;一缸往复质量[kg]
bull;以等距间隔显示的数字化气体压力曲线[压力—曲轴转角]（至少每隔5°CA）
bull;对于带铰接式连杆的发动机（见图2）
o到连接点的距离LA [mm]
o连杆角度alpha;N [°]
bull;连杆长度 Ln [mm]
Fig. 2 – 铰接式连杆
bull;曲轴材料的细节
o材料牌号
（根据ISO，EN，DIN，AISI等）。
o材料的机械性能
（从纵向试样获得的最小值）
- 拉伸强度[N /mmsup2;]
- 屈服强度[N /mmsup2;]
- 断裂面积减少率[％]
- 伸长率A5 [％]
- 冲击能量 - KV [J]
o 锻造类型
(自由锻，连续晶粒流动锻造，落锻等hellip;并对锻造过程进行描述。)
bull;每项影响圆角或油孔的表面处理，均须特别考虑。
bull;交变扭转应力计算的细节，参见M 53.2.2。
图3直线型发动机曲拐 图4带有2个相邻连杆的V型发动机的曲拐
L1————主轴颈中心线和曲轴臂中心之间的距离
（ 也可参见图5，轴颈无重叠）
L2————主轴颈中心线与连杆中心之间的距离
L3————两个相邻的主轴颈中心线之间的距离
M 53.2 应力计算
2.1 由弯矩和径向力引起的交变应力的计算
2.1.1假设
计算是基于静态确定的系统, 由单个曲拐组成，支撑在相邻主轴颈中心，受气体和惯性力的影响。弯曲长度为两个主轴承中点之间的长度(距离L3，见图.3和4)。
根据连杆力的径向分量FR和切向分量FT，在相应的截面上计算弯矩MBR, MBT (见图.3)。
对于两个连杆作用于一个曲柄销的曲拐，根据相位通过两个三角形弯矩图的叠加得到相应的弯矩(见图. 4)。
2.1.1.1在曲柄臂中作用的弯曲力矩和径向力
弯曲力矩MBRF和径向力QRF被认为是作用于实心曲柄臂的中心（距离L1），并且是从连杆力的径向分量导出的。
弯曲力矩和径向力引起的交变弯曲和压缩应力与曲柄臂的横截面有关。曲柄臂厚度W和曲柄臂宽度B的确定来自图5。
忽略平均压力
轴颈重叠
轴颈无重叠
图5.曲柄臂截面的参考区域
2.1.1.2曲轴销油孔出口处的弯曲作用
两个相关的弯矩在通过油孔的曲柄销横截面中获得。
MBRO 连杆推力的径向分量的弯矩
MBTO 连杆推力的切向分量的弯矩
图6-通过油孔的曲柄销截面
由这些弯曲力矩引起的交变应力与轴向钻孔的曲柄销的横截面积有关。
忽略平均弯曲应力。
2.1.2计算曲柄臂名义交变弯曲和压缩应力
在每个连杆位置上，计算一个工作周期内气体和惯性载荷作用于曲轴销上的径向和切向力。
然后，利用一个工作周期计算的力，并考虑距主轴承中点的距离，然后计算M53 2.1.1.1和2.1.1.2中定义的弯矩MBRF, MBRO, MBTO和径向力QRF的时间曲线。
在V型发动机中，作用在一个曲轴上的两个气缸的弯曲力矩（由气体和惯性力逐步计算）根据相位叠加。 应考虑不同的设计（叉形连杆，铰接式连杆或相邻连杆）。
在一个曲轴上有不同几何形状的曲柄的情况下，计算将涵盖所有形状的曲柄。
然后根据下式计算决定性的值：
XN=
其中:
XN 交变力、力矩或应力
Xmax 一个工作周期内的最大值
Xmin 一个工作周期内的最小值
2.1.2.1曲柄臂截面名义交变弯曲和压缩应力
名义交变弯曲和压缩应力的计算如下：
sigma;BFN=bull;bull;103bull;Ke
sigma;BFN=bull;Ke
其中:
sigma;BFN [N/mmsup2;] 曲柄臂的名义交变弯曲力矩
MBRFN [Nm] 与曲柄臂中心相关的交变弯矩(见图3和4)
Weqw [mm3] 与曲柄臂横截面有关的截面模量
Ke 经验因子
Ke = 0.8 二冲程机 Ke = 1.0 四冲程机
sigma;QFN [N/mmsup2;] 与曲柄臂有关的径向力引起的名义交变压应力
QRFN [N] 与曲柄臂相关的径向作用力(见图3和4)
|
F [mmsup2;] |
曲柄臂的截面积 |
F = Bbull;W
2.1.2.2曲轴销油孔出口名义交变弯曲应力
名义交变弯曲应力的计算如下:
其中:
sigma;BON [N/mmsup2;] 与曲柄销直径相关的名义交变弯曲应力
MBON [Nm] 在曲轴销油孔出口计算交变弯矩
和
psi;° 油孔轴线与连杆推力径向分力的夹角(见图6)
We [mm3] 与轴向钻孔曲轴销横截面相关的剖面模数
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