新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組曲軸的分類、作用和工作條件

 

摘要：曲軸工作時(shí)，會(huì)承受氣體壓力、慣性力及慣性力矩的作用，受力大而且受力復(fù)雜，并承受交變負(fù)荷的沖擊作用；其次，由于連桿傳來的力是周期性變化的，在某些瞬時(shí)還是沖擊性的；這些周期作用的力，還將引起曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而產(chǎn)生附加應(yīng)力；曲軸的轉(zhuǎn)速很高，它與軸承之間的相對(duì)滑動(dòng)速度很大；因此，曲軸受力條件相當(dāng)復(fù)雜，除了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力外，還承受周期性變化的氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷。為保證工作可靠，曲軸必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度，各工作表面要耐磨，而且潤滑良好。為了提高疲勞強(qiáng)度，還經(jīng)過淬火、滾壓強(qiáng)化等獨(dú)特的工藝措施。康明斯公司在本文中對(duì)柴油發(fā)電機(jī)部件中曲軸的作用、工作條件、制造方法及類型和零件組成做了詳細(xì)介紹。

 

一、曲軸的工作條件

 

      曲軸的功用是將氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ剌敵觯则?qū)動(dòng)與其相連的動(dòng)力裝置。此外，它還要驅(qū)動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)本身的配氣機(jī)構(gòu)及各種附件，如噴油泵、水泵和冷卻風(fēng)扇等。

      曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩(扭矩和彎矩)共同作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)踐局理論表明，對(duì)于各種曲軸，彎曲載荷具有決定性意義，而扭轉(zhuǎn)載荷僅占次要地位(不包括因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞， 由于目前多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸普遍采用減振措施，這種情形很少發(fā)生)。曲軸破壞的統(tǒng)計(jì)分析表明， 80％左右是由彎曲疲勞產(chǎn)生的。因此， 曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的重點(diǎn)是彎曲疲勞強(qiáng)度。

      曲軸形狀復(fù)雜、應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，特別在曲柄至軸頸的圓角過渡區(qū)、潤滑油孔附近以及加工粗糙的部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。疲勞裂紋的發(fā)源地幾乎全部產(chǎn)生于應(yīng)力集中最嚴(yán)重的過渡圓角和油孔處。彎曲疲勞裂縫從軸頸根部表面的圓角處發(fā)展到曲柄上，基本上成45°折斷曲柄；扭轉(zhuǎn)疲勞破壞通常是從機(jī)械加工不良的油孔邊緣開始，約成45°折斷曲柄。所以在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)要使它具有足夠的疲勞強(qiáng)度，特別要注意強(qiáng)化應(yīng)力集中部位，設(shè)法緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象，也就是采用局部強(qiáng)化的方法來解決曲軸強(qiáng)度不足的矛盾。’

      曲軸各軸頸在很高的比壓下， 以很大的相對(duì)速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。這些軸承杯實(shí)際變工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體恩德，尤其當(dāng)潤滑油不潔凈時(shí)，軸頸表面道到強(qiáng)烈的磨料磨損，使得曲軸的實(shí)際使用壽命大大降低。所以，·設(shè)計(jì)曲鈾時(shí)，要使其各摩擦表面耐磨，各軸頸應(yīng)具有足夠的承壓面積同時(shí)給予盡可能好的工作條件。

      曲軸是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的中心環(huán)節(jié)，其剛度亦很重要。如果曲軸彎曲剛度不足， 就會(huì)大大惡化活塞、連秤、軸承等重要零件的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性， 甚至使曲軸箱局部損壞。曲軸扭轉(zhuǎn)剛度不足則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：輕則引起噪音，加速曲軸上齒輪等傳動(dòng)件的磨損；重則使曲軸斷裂。所以，了沒計(jì)曲軸時(shí)。應(yīng)保證它有盡可能高的彎曲剛度和鈕轉(zhuǎn)剛度。／ 所有這些要求，在高速內(nèi)燃機(jī)的條件下，都應(yīng)該在輕的結(jié)構(gòu)重量下實(shí)現(xiàn)。同時(shí)．隨著內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，各項(xiàng)指標(biāo)的強(qiáng)化， 曲軸的結(jié)構(gòu)也應(yīng)留有發(fā)展的余地。

      不難看出，上述強(qiáng)度、剛度、耐磨、輕巧的要求之間是存在矛盾的。例如，為了提高曲軸的剛度而增大主軸頸和曲柄銷直徑，對(duì)軸承工作而言，可以降低軸承比壓，但高轉(zhuǎn)速下軸承圓周速度變大，從而引起摩擦功率損失增加，軸承溫度升高，降低了軸承工作的可靠性。此外， 曲柄銷的增大，使得連桿大頭以更大的比例加大加重，軸承的離心負(fù)荷加大。這時(shí)，可能引起來用斜切口連桿的必要，·而這種連桿剛性較差，而且制造成本較高。曲柄銷加大帶來的曲軸連桿系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加大，可能使剛度對(duì)扭振帶來的好處得而復(fù)失。正是這些內(nèi)在的矛盾推動(dòng)著曲軸設(shè)計(jì)的發(fā)展，而在曲軸強(qiáng)度矛盾的總體中，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力與該力作用點(diǎn)的材料抗力的矛盾是它的主要矛盾。影響這個(gè)主要矛盾的主要因素有： 曲軸的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝等三方面，這三種因素各自有獨(dú)立的作用，相互又有影響，必須辯證地進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，不應(yīng)只注重結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)一個(gè)方面。

      由于曲軸受力復(fù)雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，至今還沒有一個(gè)能完全反映客現(xiàn)實(shí)際的理論公式可供通用。因此， 目前曲軸的設(shè)計(jì)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即利用許多現(xiàn)有的曲軸結(jié)構(gòu)與尺寸的統(tǒng)計(jì)資料，借以初步確定曲軸的基本尺寸，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度復(fù)核、曲軸樣品試驗(yàn)，最后確定曲軸的結(jié)構(gòu)、尺寸與加工工藝等。

 

二、制造方法

 

      曲軸毛坯制造采用鑄造和鍛造兩種方法。

1、鍛造曲軸

      鍛造曲軸主要用于強(qiáng)化程度高的柴油發(fā)電機(jī)，這類曲軸一般采用強(qiáng)度極限和屈服極限較高的合金鋼（如40Cr、35CrMo等）或中碳鋼（如45號(hào)鋼）制造。

      在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強(qiáng)度決定著曲軸的體積、重量和壽命。因此，必須根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的用途及強(qiáng)化程度，正確地選用曲軸材料。在保證曲軸有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能采用一般材料。以鑄代銀，以鐵代鋼。作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能以外，還要求有高度的耐磨性、耐疲勞性和沖擊韌性。同時(shí)也要使曲軸的加工容易和造價(jià)低廉。 鋼制曲軸除極少數(shù)應(yīng)用鑄鋼以外，絕大多數(shù)采用鍛造。鍛造曲鈾的材料有碳素鋼和合金鋼。

      碳素鋼的彈性模數(shù)與合金鋼相近，在剛度方面兩種材料的曲軸并無多大差別。合全鋼的強(qiáng)度雖比碳素鋼高，但對(duì)缺口的敏感性很強(qiáng)，因而對(duì)機(jī)械加工要求嚴(yán)格。無論在材料價(jià)格還是生產(chǎn)費(fèi)用上碳素鋼都要便宜得多，所以在單缸內(nèi)燃機(jī)這一類強(qiáng)化程度不太高的中高速內(nèi)燃機(jī)上，廣泛采用中碳鋼45模鍛曲軸。模鍛曲軸的自由表面(如曲柄表面)——般不進(jìn)行機(jī)械加工，這使加工工藝簡化。但曲鈾于鍛造后應(yīng)進(jìn)行第——次熱處理(退火或正火)，其目的是消除金屬中的內(nèi)應(yīng)力和降低硬度以便于杉I‘械加工。莊精磨前應(yīng)進(jìn)行第二次熱處理(調(diào)質(zhì))以改善鋼的機(jī)械性能并提高軸頸表面硬度。對(duì)軸頸表面、回角和油孔邊緣均應(yīng)拋光， 以提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。先進(jìn)的連續(xù)纖維擠壓鍛造曲軸的出；現(xiàn)，使強(qiáng)度較自由鍛提高20％。

2、鑄造曲軸

      鑄造曲軸廣泛應(yīng)用于中小功率柴油發(fā)電機(jī)，通常采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵鑄造，其優(yōu)占：過方，成本低；能夠鑄出合理的結(jié)構(gòu)形狀；對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的阻尼作用優(yōu)于鋼材。

      由于曲軸模鍛設(shè)備十分龐大，一直想用鑄造曲軸代替鍛造曲軸，而且鍛造又大又費(fèi)材料和加工工時(shí)，所以長期以來人們高強(qiáng)度球墨鑄鐵的出現(xiàn)為鑄造曲軸的廣泛采用提供了前提。

    球墨鑄鐵就其機(jī)械性能和使用性能而言(除減振性外)，比其它多種鑄鐵都要好。通過加入合金元素、熱處理及表面強(qiáng)化等措施，球鐵性能的提高也比其它鑄鐵曲鈾要大的多。結(jié)合我國有豐富的稀土金屬資源的特點(diǎn)，鑄造曲鈾普遍采用稀土鎂合金球墨鑄鐵。

    球墨鑄鐵材料經(jīng)正火處理后的機(jī)械性能已接近或超過一般中碳鋼。但延伸率、沖擊韌性、彈性模數(shù)以及材料本身的疲勞強(qiáng)度較低，綜合機(jī)械性能仍低于中碳鋼。因此，在結(jié)構(gòu)上球鐵曲軸有較粗的軸頸和較厚的曲柄，并采用全支承曲軸(支承數(shù)比曲拐數(shù)多，以補(bǔ)償抗彎剛度之不足。就光滑試樣而言，45鋼的疲勞強(qiáng)度要比球鐵高得多。但實(shí)際曲軸上總是有油孔、困角和材質(zhì)上的缺陷，這些地方易形成應(yīng)力集中，降低了曲軸的疲勞強(qiáng)度。而球鐵曲軸可以鑄成復(fù)雜的合理的結(jié)構(gòu)形狀，使其應(yīng)力分布均勻，金屬材料更有效地利用，加上球鐵材料對(duì)斷面缺口的敏感性小，使得球鐵曲軸的實(shí)際彎曲疲勞強(qiáng)度與正火中碳銅相近。而且球鐵曲軸承受20—30％超負(fù)荷的能力要比鋼好，因45鋼軸頸是經(jīng)過高頻淬火的，表面上分布有大小不等的裂紋，  由于超過疲勞極限應(yīng)力的超負(fù)荷多次循環(huán)造成裂紋的迅速發(fā)展以致曲軸斷裂。而應(yīng)力在疲勞極限以下很少產(chǎn)生斷裂。因此，超負(fù)荷特性的好壞對(duì)曲軸的實(shí)際承載能力具有很大的意義。

 

圖1  柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機(jī)曲軸外形圖.

 

二、曲軸的分類

 

1、按結(jié)構(gòu)區(qū)分

      曲軸按各組成部分的連接情況，可分為組合式曲軸和整體式曲軸兩種。

① 組合式曲軸

      即將曲軸分成若干部分，分別制造與加工，然后組裝成一個(gè)整體。單元體的不同，又可分為全組合式曲軸與半組合式曲軸。

      大功率柴油機(jī)和小型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上常采用這種組合式結(jié)構(gòu)的曲軸。因?yàn)榇蠊β什裼蜋C(jī)的曲軸粗而長，采用整體式結(jié)構(gòu)則加工困難，有的甚至不可能。這么大的曲軸，由于受到設(shè)備的限制不能制成整體式，只得采用組合式結(jié)構(gòu)。小型單缸二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)圍結(jié)構(gòu)與潤滑系統(tǒng)的簡化，連桿軸承一般采用滾針(柱)軸承，這時(shí)把連桿大頭做成整體式，其曲拐必須采用可分開的組合結(jié)構(gòu)才能進(jìn)行裝配。在中型高速內(nèi)燃機(jī)上，這種組合式曲軸用的不多。

      其優(yōu)點(diǎn)是加工方便，便于產(chǎn)品系列化。缺點(diǎn)是拆裝不方便，組裝質(zhì)量不易保證，重量大，成本高，采用滾動(dòng)軸承，噪聲大，難以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速。

      此外，還有一種盤形組合曲軸，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用球墨鑄鐵作曲軸材料，把圓盤形曲柄兼作主軸頸，采用滾動(dòng)軸承作為主軸承。把單位曲拐制成后用螺栓緊固聯(lián)成一根曲軸。扭矩的傳遞主要依靠結(jié)合面之間的摩擦力。 這種曲鈾的主要優(yōu)點(diǎn)是曲柄兼作主軸頸，可使缸心距縮短，柴油機(jī)的總長度減小；可適當(dāng)增加曲柄銷寬度，改善連桿大頭軸承的工作條件，利于發(fā)展v型并列連桿系列產(chǎn)品：因主軸頸很大，使軸頸重疊度增加很多，因而曲軸剛度大， 自振頻率高，扭振應(yīng)力小； 由于各缸單位曲拐結(jié)構(gòu)相同，用幾個(gè)相同的曲拐就可以裝配成不同缸數(shù)的曲軸，這就簡化了曲軸的生產(chǎn)，有利于產(chǎn)品系列化；而且，在使用中任何一個(gè)曲拐有缺陷或損壞時(shí)，可以單獨(dú)更換，不必將整根曲軸報(bào)廢；采用滾動(dòng)軸承摩擦損失小，機(jī)械效率高，壽命較長，在非增壓柴油機(jī)上它的壽命可達(dá)15000小時(shí)。

      圓盤形組合曲軸的缺點(diǎn)是滾動(dòng)軸承的采用要消耗大量合金鋼材，成本約貴九倍。而且滾動(dòng)軸承比滑動(dòng)軸承要重得多，噪音大，拆裝也不方便；這種曲軸要求隧道式機(jī)體，雖然機(jī)體的剛性較好，但比一般機(jī)體要重；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有很多結(jié)合面，只有在高的制造精度的前提下，才能保證裝配后曲軸的積累誤差仍在正常規(guī)定范圍內(nèi)。

② 整體式曲軸

      即曲軸的各組成部分鑄（或鍛）造在一根曲軸毛坯上。整體式曲軸的結(jié)構(gòu)是整體的，它的毛坯由整根飼料鍛造或用鑄造方法澆鑄出來。

    整體式曲軸具有工作可靠、重量輕的特點(diǎn)，而且剛度和強(qiáng)度較高，加工表面也比較少，是中小型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸廣為應(yīng)用的結(jié)構(gòu)型式。只要工廠有條件制造。設(shè)計(jì)上總是盡量采用整體結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)曲軸尺寸較大，  曲拐數(shù)較多時(shí)，這種曲軸的加工比較困難，需要用大的專用設(shè)備，而且某一部分因加工不合格或使用中損壞時(shí)，整根曲軸便要報(bào)廢。

    整體式曲軸一般與滑動(dòng)軸承相配合。但是，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的整體式曲軸卻往往與滾動(dòng)軸承配合，借以提高機(jī)械效率和降低對(duì)軸承的潤滑要求。

 

圖3  柴油機(jī)組合式曲軸結(jié)構(gòu)圖

圖4  柴油機(jī)整體式曲軸結(jié)構(gòu)圖

 

2、按數(shù)目區(qū)分

      按照曲軸主軸頸數(shù)目，可分為全支承曲軸和非全支承曲軸。

① 全支承曲軸

      即是在任兩個(gè)相鄰曲拐之間都設(shè)有主軸頸的曲軸。其主軸頸總數(shù)比連桿軸數(shù)多一個(gè)。這種曲軸的優(yōu)點(diǎn)是曲軸的剛度大，主軸承負(fù)荷輕。其缺點(diǎn)是柴油發(fā)電機(jī)軸向尺寸加長。

      它由軸承套、軸承座和滾珠串組成。軸承套是用來固定滾珠串的部件，軸承座是用來固定軸承套的部件。滾珠串是用來支撐軸承軸的部件。 全支撐曲軸需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝和維護(hù)。安裝時(shí)需要確保軸承座與軸承套的平行度和垂直度，同時(shí)確保滾珠串的正確安裝。維護(hù)時(shí)需要定期檢查滾珠串的磨損情況，并及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的滾珠。

      總之，全支撐曲軸是一種高性能的軸承構(gòu)件，在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中具有重要作用。但是也需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝和維護(hù)，以確保其正常運(yùn)行。

② 非全支承曲軸

      非全支承式曲軸主軸頸總數(shù)等于或少于連桿軸頸數(shù)，在曲軸上僅安裝部分連桿軸承的曲軸結(jié)構(gòu)。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，支承軸承支撐著凸輪軸和連桿，將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣四個(gè)環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。而非全支承式曲軸通常只在高載荷部位設(shè)置軸承，以減少摩擦阻力，降低能量損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和性能。

      其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。缺點(diǎn)是剛度和強(qiáng)度較差，主軸承負(fù)荷較重。柴油機(jī)因負(fù)荷較重，一般多采用全支承曲軸。非全支承曲軸多用于負(fù)荷較輕的柴油發(fā)電機(jī)。

 

三、曲軸和主軸瓦零件圖

 

      曲軸主要由曲軸前端（或稱自由端）、連桿軸頸、主軸頸、曲柄、平衡塊和曲軸后端凸緣（或稱功率輸出端）組成。以下為曲柄連桿結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)組成：

1、 主軸：也稱為主軸頸，是曲軸的主干部分，連接連桿和飛輪。

2、連桿軸頸：也稱為曲柄頸，是與連桿相連的部分，通常有多個(gè)。

3、連桿：將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連接曲軸和活塞。

4、飛輪軸頸：用于連接飛輪，平衡曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力。

5、飛輪：用于平衡曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)性。

6、前軸承和后軸承：支撐曲軸并降低摩擦，防止曲軸磨損。

表01    曲軸和主軸瓦     Crankshaft Main Bearing     BP 4010     BP 4016     BP 4026

 

總結(jié)：

      曲軸是柴油機(jī)中最重要的機(jī)件之一。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著柴油機(jī)的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著柴油機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起柴油機(jī)其它零件的嚴(yán)重?fù)p壞，在柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)中，曲軸的改進(jìn)也占有重要地位。隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展與強(qiáng)化，使曲軸的工作條件愈加苛刻。因此，曲軸的強(qiáng)度和剛度問題就變得更加嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)曲鈾時(shí)必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、材料與工藝，以求獲得最經(jīng)濟(jì)最合理的效果。 

 

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