曲柄连杆机构将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，将作用在活塞顶面燃气作的功传递给曲轴，并最终由曲轴将动力输出，驱动整个与之相关联的零部件进行工作。在曲轴前端带动附件轮系，包括减震皮带轮、凸轮轴链轮（皮带轮）、发电机、空压机、动力转向泵等机件，维持着发动机和整车正常运转的功能。
曲轴的后端与飞轮通过螺栓连接在一起，再与离合器（液力变矩器）等相接，进而来连接变速箱最终将发动机的动力输出到轮胎上，使车辆能够正常行驶。中间主要为主轴颈、曲柄臂、曲柄销组成，一般在轴颈上面还开有润滑油孔，负责整个轴系的润滑，中间部分是曲轴的核心部位。对于如此重要和复杂的零件来说，在其设计时必须遵循着一些设计准则，以保证其质量。
曲轴的设计主要包括：曲轴轴颈、曲柄臂、平衡重、止推、润滑油道、圆角等方面的设计。以下正航仪器分别对这几方面进行叙述。
（1）曲轴轴颈
曲轴轴颈包括：曲柄销、主轴颈两部分。这两部分是发动机中最重要的摩擦副。它们的设计好坏对发动机的可靠性、外形尺寸及维修等都有着很大的影响。轴颈尺寸和结构与曲轴的强度、刚度及润滑密切相关。因为发动机曲柄销负荷一般要大于主轴颈，因此在设计中先确定曲柄销的直径尺寸2D，为了降低曲柄销比压，增强曲轴的刚度，提高工作的可靠性，现在设计中有曲柄销尺寸变大的趋势，但随之而来的是连杆大头孔尺寸变大，间接使发动机缸孔直径变大，影响整机的紧凑性，同时使得不平衡旋转质量的离心力加大对曲轴和轴承工作带来负面影响。曲柄销尺寸的增加，引起轴系自振频率的增加，可能会增加曲轴扭振的危害，还会使轴颈表面圆周速度增大。因此这个尺寸往往要综合以上因素制定。曲柄销的长度2l是在选定2D后的基础上考虑的，一般要控制曲柄销的比压。轴承的长径比22l/D一般控制在0.4左右。如果2l过大，会使得轴承中机油流量降低，轴承温升严重，甚至会造成烧瓦抱轴。2l过小也会造成轴承承载能力不足。确定了曲柄销尺寸后再确定主轴颈直径尺寸1D，主轴颈一般要大于曲柄销。虽然主轴颈的负荷要小于曲柄销，但曲轴形状的特殊，本身结构上就刚度较差，因此采用尽可能大的主轴颈会可以增加曲轴刚度，同时还会增加曲轴轴颈重叠度，提高曲轴的强度，且对转动惯量增加较少，有利于提高自振频率，减轻扭振的危害。另一方面，加大曲轴主轴颈1D，从轴承载荷角度也可以减小主轴颈长度1l，从而给曲柄臂留出更大的厚度，更好的提高曲轴的强度与刚度。但是过大的主轴颈也会造成轴颈表面线速度增加，摩擦损失增加，因此主轴颈的尺寸也要加以限制。
（2）曲柄臂
现在发动机设计中都会充分考虑扭振的影响，因此发动机曲轴的主要破坏型式为弯曲破坏（占到80%以上）。曲柄臂往往是曲轴中最薄弱的部位之一。首先要选择合适的厚度h、宽度b，还要尽可能使曲柄臂的形状设计的更合理，充分减小应力集中造成的损坏。曲柄在曲拐中抗弯曲能力用抗弯断面模数Wσ来表征。
因此在曲柄臂设计中，尽可能的增加曲柄臂的厚度，对增加曲轴的强度和刚度是大有好处的。但是由于发动机紧凑性的要求，发动机缸心距参数控制非常严格，往往曲柄臂厚度能够挖掘的潜力有限，可以增加曲柄臂的宽度，来增强强度，为了少增加重量，现在大都采用眼镜蛇结构，即：在危险截面上尽量增加宽度，其余地方减小宽度，见图2.1。眼镜蛇式曲柄臂的设计能够达到以的重量换取限度的增加曲轴刚度和强度的作用。这一点，我们简单的做一个离心力仿真计算来加以验证。在这里，为了节省时间，可以直接再PRO/Engineer软件的Mechanica模块进行曲柄臂离心力仿真计算。使用这个模块进行CAE仿真时，可以直接使用设计出来的3D数模文件，只需将软件窗口从设计功能切换到Mechanica功能即可进行分析。在这个模块中，PRO/E自动的根据曲柄臂数模来划分高阶四面体网格，通过人工添加约束和材料后，建立计算分析，运行分析后得到如图2.2所示的离心力云图。从离心力云图中我们可以看出在危险截面位置应力值较低，尤其在曲柄臂最宽处已经基本上没有明显的应力。如果考虑到发动机在实际工作中爆发压力的影响，作用力会比这里大很多，但是应力分布状况应该和这里的分布趋势相近，不会造成危险断面处断裂。
（3）平衡重
曲轴的平衡重的主要作用是平衡曲轴本身不平衡旋转力和内弯矩。不同缸数的发动机曲轴有着不同的平衡方案，本论文主要涉及的是四缸发动机，在此重点针对四缸发动机讨论。四缸发动机因为曲拐夹角为180 o，同时设计上是对称的，本身已经达到动平衡，但是因为其有着较大的内弯矩，为了平衡内弯矩常采用的平衡方案主要有完全平衡法即8块平衡重设计和分段平衡法4块平衡重设计。因为4块平衡重对曲轴内弯矩的平衡效果不如8块平衡重，考虑到本论文项目发动机转速为6000rpm，在某些特定情况还有可能更高，如此高的转速下，曲轴的内弯矩是很大的，所以本论文设计采用完全平衡法8块平衡块设计方案。确定了平衡方案后，对平衡块的设计，要使平衡重上尽可能多的质量远离曲轴旋转中心，采用最小的重量，达到的平衡效果，符合曲轴轻量化设计的要求。平衡块的径向尺寸和厚度尺寸，以不碰活塞裙部和与连杆发生运动干涉为限。
（4）止推
曲轴止推的设计，主要考虑两方面，一是曲轴本身在工作时由于温度的升高而造成的膨胀变形，使得轴承位置的轴向偏移，而且这个偏移量是自止推面起是累加的。要尽量考虑止推面设计位置能使曲轴各个部位综合变形对轴系影响最小。另一个要考虑曲轴两端轴向负荷的大小，尽可能的使曲轴止推靠近施加轴向力的那一侧，已尽量减少轴向推力对曲轴轴承影响的数量。一般曲轴后端因为有变速箱，变速箱中斜齿轮机构会产生一定的轴向推力，因此在四缸机中常见的止推设计在第三主轴颈两侧或设计在第四主轴颈两侧。另外还要根据轴向负荷的大小，考虑是否采用4片止推片设计。本论文发动机所配变速箱，轴向负荷较低，所以最终选定止推面位置设计在第3主轴颈两侧，采用2片止推片设计。（以上由正航仪器供稿，未完待续。）
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