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受交变的拉压应力，而主轴颈圆角处主要承受压应力。对于锻造曲轴材料，其抗压强度要远高于抗拉强度，因此曲轴的弯曲强度最危险的部位出现在轴颈过渡圆角处。曲轴的安全系数表示曲轴本身的疲劳强度与工作应力之比，即为曲轴强度的储备系数。可由公式（3.3）来求得曲轴弯曲疲劳强度安全系数。
n??式中，
??1 （3.3） k?????a?m?????1——曲轴材料对称循环弯曲疲劳极限；??1=495MPa。
k?——曲轴弯曲时圆角处应力集中系数，取值 1.55.
?——强化系数（或工艺影响系数），表示不同的加工方法和工艺措施对曲轴圆角部位疲劳强度的影响，取值 1.5；
??——绝对尺寸影响系数，取值 0.75； ?a——曲轴弯曲名义应力幅；
?m——曲轴弯曲时的名义平均应力；
??——材料对应力循环不对称敏感系数，取值 0.33。
由以上计算数据可得：
n????1495?=1.4813 k?1.55?178.45+0.33?267.65????1.5?0.75a?m???对于钢质曲轴在制造和加工工艺稳定的情况下，安全系数一般介于 1.3-1.8之间。从以上计算分析得出，曲轴的静强度满足疲劳强度设计要求。
3.4 曲轴的一般破坏形式
曲轴在工作时承受缸内的气体力、往复和旋转质量惯性力、扭转力等的作用。施加在连杆轴颈上的径向力使曲轴承受弯曲作用，切向力使曲轴承受扭矩，同时轴系带来的扭转振动、纵向振动、曲轴形状弯曲等都影响曲轴强度。曲轴承受的切向力和径向力都是随时间周期变化的量，曲轴各处的应力也具有周期变化的性质。对曲轴断裂事故进行实际分析证明，大多数断轴事故是疲劳破坏。疲劳问题的特点是指结构在交变载荷的作用下，才会发生；疲劳破坏由应力或者应变较高的部位开始，形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生，应力集中处，常是疲劳破坏的起源；疲劳是一个发展的过程，是在足够多次的交变载荷作用之后，形成裂纹
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和瞬时断裂。表3.1是曲轴的一般破环形式：
表3.1 曲轴的一般破坏形式
破坏形式及图示
特 征
裂纹由圆角处产生，向曲柄臂发展，导致曲柄臂断裂。这是最常见的曲轴破坏形式，任何曲轴都可能发生，常发生在曲轴全长2／3的部位 裂纹起源于油孔，沿与轴线成45°方向发展
主要原因
1.圆角半径过小
2.圆角加工不良 3.曲柄臂太薄
4.主轴承不均匀磨损产生过大的附加弯曲应力
5.材质不良
1.过大的扭转振动 2.油孔过渡圆角太小 3.油孔边缘加工不良
1.由于不对称循环转矩引起最大应力，导致疲劳破坏
2.圆角加工不良及热加工工艺不完善，造成材料组织不均匀
3.油孔边缘加工不良 4.连杆轴颈太细
1.过渡圆角太小，引起过大的应力集中 2.材料有缺陷
润滑油中含有腐蚀性物质
裂纹起源于过渡圆角或油孔，且只沿一个方向发展，裂纹与轴线成45?°? 裂纹沿过渡圆角周向同时发生，断口呈径向锯齿形
裂纹由圆角蚀点处产生
腐蚀疲劳破坏
3.4.1 曲轴圆角处的疲劳破坏
作为空压机的主要运动件，其性能优劣直接影响到空压机的可靠性和寿命。在周期性变化的动载荷作用下，曲轴内将产生交变的弯曲应力和扭转应力，极易在过渡圆角等应力集中部位发生弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。高压空压机曲轴工作时承受很大载荷，在交变应力的作用下最易发生疲劳破坏的部位就要属曲轴的过渡圆角了。由圆角引起的疲劳破坏主要的形式为裂纹由圆角处产生，向曲柄臂发展，导致曲柄臂断裂。这是最常见的曲轴破坏形式，任何曲轴都可能发生，常发生在曲轴全长2／3的部位。以及裂纹沿过渡圆角周向同时发生，断口呈径向锯齿形。
经过大量生产时间和资料查阅，过渡圆角处为空压机曲轴最易发生失效的部位，几乎半数以上的曲轴疲劳破坏都是发生在过渡圆角处。弯曲载荷是造成曲轴各圆角部分破坏的主要原因，弯曲疲劳破坏的疲劳裂纹的发源地几乎全部产生于过渡圆角处，曲轴在工作中承受交变载荷，圆角过渡处由于应力集中的原因属于
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薄弱环节，尤其是主轴颈和连杆颈的过渡处更为严重。轴颈经过磨削加工后留下的刀痕引起的应力集中，在长时间的循环后便会产生裂纹，最终发生疲劳断裂。如图3.2所示。
图3.2曲轴圆角处的疲劳破坏
因而，能够较准确地进行强度校核以及疲劳寿命的评估就显得尤为重要。因为曲轴的结构形状比较复杂，各个曲拐的受力又在发生周期性的变化，所以运用经典力学对其进行强度校核和寿命预测有一定的困难。本文对空压机曲轴进行了符合实际情况的proe 三维建模，采用有限元分析软件 ANSYS 13.0 对其进行了三维有限元分析，研究了曲轴单拐的变形和应力状况。 3.4.2 曲轴油孔处疲劳破坏
裂纹起源于油孔，沿与轴线成45°方向发展和裂纹起源于过渡圆角或油孔，且只沿一个方向发展，裂纹与轴线成45°。空压机曲轴工作时气缸内的燃气点燃产生的爆发压力通过活塞，连杆突然作用到曲轴上，反复冲击曲轴，此外还要受到往复运动和扭转运动的质量惯性力。同时曲轴是个形状复杂的零件其横断面沿轴线方向急剧变化，因而受力不均匀，尤其在曲柄臂和连杆颈，主轴颈的过度圆角处以及轴颈的油孔边沿会产生严重的应力集中成为危险的断裂部位。
油孔是很容易被忽视的地方，但是在油孔处我国的生产技术还不能保证质量绝对合格，油孔处很容易发生疲劳破坏，其原因是油孔处易受弯曲应力和扭转应力，以及交变应力的多重作用，进而在原有加工比较粗糙的地方即钻孔时产生表
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面拉应力的地方发生裂纹，裂纹逐渐扩大，最终造成疲劳断裂。
图3.3曲轴油孔处的受力及其破坏形式
3.4.3 曲轴轴颈处疲劳破坏
裂纹起源于轴颈表面不连续处，即表面粗加工留下的刀痕，以及划痕处。起初由于受到交变应力和摩擦的作用在表面产生微裂纹，后来随着交变应力的继续作用裂纹逐渐扩大，扩展成对曲轴轴颈有威胁的裂纹，这样的裂纹最终会逐渐扩大，最后在瞬间断裂失效。
但对空压机曲轴而言并不是主要的疲劳破坏形式，因为在加工过程当中由于轴颈出的工艺比较到，从铣，到粗磨，精磨工序比较完善合理，所以轴颈处的表面质量得到很大提高，不容产生微裂纹进而发生疲劳破坏，所以本文对其简要说明。
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4 高压空气压缩机动力计算
空压机是一种压缩气体、提高气体压力或输送气体的机械。按照 GB4976-85的标准，可分为容积式和动力式，容积式又分为回转式和往复式，本文所研究的对象是往复活塞式微型高压空气压缩机。曲轴的断裂原因如果不计加工缺陷，热处理的实际效果，装配等问题，最有可能的原因就是静强度、疲劳问题，而各种工况下的分析数据则需要通过研究微型空压机中曲轴的实际工作特点，建立力学模型，从详细的动力计算中获得，这是分析的前提。
4.1 曲柄连杆机构运动学
活塞式空压机的工作原理主要是采用曲柄连杆机构将原动机的旋转运动转化成空压机活塞的往复运动。在分析曲柄连杆机构的工作时，实际上由于扭矩不均匀，角速度是一个变量，在研究曲轴扭振和空压机平衡时，应该考虑角速度的变化，不涉及上述计算时，通常均假设曲轴的角速度ω值恒定，转角与时间成正比。
图4.1 曲柄连杆机构原理图
活塞的位移、速度和加速度可从曲柄连杆机构(图 4.1)的几何关系和运动关
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