重康动力（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

康明斯柴油机曲轴结构和技术要求

 

摘要：柴油机曲轴是内燃机的核心部件之一，是在发动机内部连接活塞和飞轮的部件，它的作用主要是把活塞的直线运动转化为旋转运动，包括转换运动、传递动力、驱动附件能力。由于其工作条件涉及到高温、高压、高转速和承受周期性的力，因此，其常见的失效形式是疲劳断裂、轴颈磨损或划伤、弯曲变形以及腐蚀损伤等问题，这时候工作条件中的高负荷和交变应力就显得重要了。

 

一、曲轴作用和工作条件

 

 

      曲轴主要分为全支承曲轴和半支承曲轴，如图1所示。两款结构方面基本相同，主要由曲轴前端、连杆轴颈、主轴颈、曲柄、平衡块和曲轴后端凸缘组成，如图2所示。

1、曲轴的主要作用

（1）能量转换：将活塞的往复直线运动转换为旋转运动，为柴油机提供动力输出。活塞通过连杆推动曲轴，曲轴的旋转运动最终传递到飞轮和传动系统，驱动车辆行驶。

（2）动力传递：通过飞轮将扭矩传递到离合器或液力变矩器，进而驱动传动系统。

（3）驱动附件：通过皮带轮或齿轮驱动柴油机附属设备，如凸轮轴、水泵、发电机等。

（4）平衡惯性力：曲轴设计时通常配有平衡块，用于抵消活塞和连杆运动产生的往复惯性力，减少柴油机振动。

2、曲轴的工作条件

      曲轴在极端复杂的环境下工作，需承受多种载荷和挑战：

（1）高机械负荷

① 交变应力：活塞的爆发压力周期性冲击曲轴，导致交变弯曲和扭转应力，易引发疲劳断裂。

② 高速旋转：50HZ柴油机转速可达1500rpm，60HZ柴油机为1800 rpm，产生巨大的离心力。

② 扭转振动：燃烧爆发的脉冲扭矩可能引发曲轴扭振，需配合减振器使用。

（2）热负荷：高温燃气通过活塞、连杆传递热量，曲轴表面温度可达100~200°C，局部区域（如连杆轴颈）可能更高，导致材料强度下降。

（3）摩擦与磨损：轴颈（主轴颈、连杆轴颈）与轴承之间高速滑动摩擦，若润滑不良易导致磨损或“烧瓦”。

（4）腐蚀环境：接触机油中的酸性物质（燃烧副产物）和水分，可能引起化学腐蚀。

（5）动态平衡要求：微小的质量分布不均会导致剧烈振动，需精密动平衡处理（通常允许不平衡量小于1~10 g·cm）。

 

图1  柴油机曲轴分类图

图2  柴油机曲轴结构图

 

二、曲轴的要求及材料

 

1、要求

① 足够的抗弯、抗扭的疲劳强度和刚度(轴颈大、长度短）;

② 足够的承压面积和较高的耐磨性，可多次车前修复;(加工复杂，造价最贵)

③ 合理的曲柄排列和发火顺序。

2、曲轴的设计与材料

（1）材料：多采用高强度合金钢（如40Cr、42CrMo）或球墨铸铁，经调质处理（淬火+高温回火）提高硬度和韧性。

（2）工艺：精密锻造或铸造，轴颈表面高频淬火、渗氮或喷涂耐磨涂层，并经过精细磨削（粗糙度Ra≤0.2μm）。

（3）结构：空心轴设计可减重，油道设计确保润滑（机油通过主轴颈油孔流向连杆轴颈）。

3、优缺点

（1）优点：

① 铸造，不用大型锻造设备，造价低;

② 对应力集中不敏感，疲劳强度接近中碳钢；

③ 耐磨性好，对扭转振动阻尼作用远胜于钢。

（2）缺点：韧性较低。

      康明斯柴油柴油机曲轴采用整体式全支撑曲轴，即每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈，共七道主轴颈。曲轴的材料由合金钢锻制而成。主轴颈和连杆轴颈表面经过高频淬火，表面硬度可达HRC45-HRC50，它们的表面都经过热处理并进行精磨。曲柄与主轴颈和连杆轴颈的过渡圆角处经过淬火处理和表面滚压，以提高疲劳强度。东风柴油机曲轴有8个平衡块，初期生产的是可拆结构，大批生产后改成整体式结构。主轴颈为137mm，连杆轴颈为101.6mm。

 

三、曲轴结构特点

 

1、普通曲轴特点

（1）空心结构改善应力，减轻重量；

（2）轴颈与曲柄臂相连接的过渡圆角，车入式较好；

（3）平衡重与曲柄臂的连接(铸造、螺栓、凸肩）；

      曲轴平衡重的作用：F₁和F₂形成的力矩M1-2,以及F₃和F₄形成的力矩M3-4使曲轴弯曲变形，引起主轴颈和轴承的偏磨，为此，在曲柄相反方向设置平衡重，如图3和图4所示。

（4）油通布置：

① 直线孔：对提高曲轴的疲劳强度有利；

② 斜线孔：加工方便，前弱疲劳强度，混入润滑油中的杂质引起偏磨；

③ 利用内空腔：有离心净化作用；

④ 油孔要求有较大的圆弧和倒角，并仔细抛光。

 

图3 曲轴平衡重力矩示意图

图4 曲轴平衡重位置图

 

2、康明斯曲轴部件的特点

（1）曲轴的曲柄臂是从曲轴的前端起按顺序编号的，这些号码用钢印打在曲柄臂上。

（2）曲轴上均带有用螺栓紧固的平衡块。它们的编号和被安装的曲柄臂的编号相同。

（3）早期的曲轴和平衡块之间形成一种压配合；现在设计的曲轴和平衡块之间有一个开口环形定位销，使平衡块定位于曲轴上。旧的零件和新的零件是不能互换的。

（4）在修理时如果拆下平衡块，必须记住记号，装回原曲轴上正确位置处。如果装错将损坏曲轴。要更换平衡块时，必须做动平衡实验。

（5）6BT柴油发电机曲轴前端装有正时齿轮，经凸轮轴正时齿轮驱动凸轮轴。凸轮轴正时齿轮经附件驱动齿轮驱动PT燃油泵，同时经机油泵驱动齿轮驱动机油泵。在配时这些齿轮上的正时记号应相互对准。KTTA型柴油发电机传动齿轮的布置。在曲轴的前端还装有扭转减振器。减振器有两种形式：橡胶原价减振器和贴性减振器。减振器能使曲轴的扭振幅限制在0.2°的范围内。带轮和减振器用螺钉固定在一起。

（6）在KTA19、KTA38、KTA50型柴油发电机曲轴的后端装有曲轴齿轮。曲轴上的后吃了有两种形式：窄的和宽的。当柴油发电机不需要安装后齿轮驱动下部总成时，仅在工厂生产时安装的齿轮。这种窄的齿轮仅能驱动机油泵。在维修中不提供窄的齿轮。

（7）当柴油发电机需要安装后齿轮传动总成时，应安装宽的齿轮；在柴油发电机不安装后齿轮传动总成时，也能装用宽的齿轮，维修用的曲轴仅装宽齿轮。

（8）柴油机上的曲轴，在前轴端和后轴端和后轴端均装有定位销钉或卷筒销，使用这种销钉可以将减振器、曲轴连接法兰盘和飞轮正确对正，如图5所示。

（9）柴油机上所有的曲轴油封都是特氟隆（聚盖氟乙烯）覆盖唇口型（涡卷型），位置如图6所示。这种特氟隆覆盖唇口型油封，在油封唇口的背面没有弹簧，油封的唇口是一片薄而硬的特氟隆。有湿式飞轮壳油封和干式飞轮壳油封两种。湿式飞轮壳油封有一只双唇密封元件。干式飞轮壳油封有一只密封元件和防尘唇，干式应用苛刻的运输环境下，如具有多灰尘的工地等环境下使用。

 （10）曲轴前油封两只油唇不得接触台阶和油封安装套筒。油封必须与齿轮室孔的倒角齐平或不低于0.51mm。

（11）特氟隆性油封在装配以前必须是干的，不要用润滑脂或油润滑油封唇边和轴劲，必须保持油封和曲轴清洁和干燥，否则将产生漏油。因为具有特氟隆降的油封在轴开始旋转后，油封唇口将一层特氟隆薄膜涂到轴劲上，油封将产生泄漏。

（12）曲轴的后端突缘上装有飞轮。曲轴的轴向定位在曲轴的后端，即在第七道主轴承的前后，上、下共嵌入四个半圆形止推环，以限制曲轴的轴向移动。装配时，止推轴承上槽必须指向曲轴上的法兰一侧。

 

图5 柴油机飞轮曲轴连接外形图

曲轴后油封示意图

 

总结：

曲轴是柴油机的“动力枢纽”，需在高压、高温、高转速和复杂载荷下可靠工作。其设计和制造水平直接影响柴油机的寿命、效率和振动噪声性能。现代柴油机通过轻量化设计、强化润滑系统（如可变机油泵）和先进材料（如碳纤维复合材料）进一步优化曲轴性能。

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