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新闻主题	柴油发电机组曲轴的分类、作用和工作条件

 

摘要：曲轴工作时，会承受气体压力、惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并承受交变负荷的冲击作用；其次，由于连杆传来的力是周期性变化的，在某些瞬时还是冲击性的；这些周期作用的力，还将引起曲轴的扭转振动而产生附加应力；曲轴的转速很高，它与轴承之间的相对滑动速度很大；因此，曲轴受力条件相当复杂，除了旋转质量的离心力外，还承受周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷。为保证工作可靠，曲轴必须要有足够的强度和刚度，各工作表面要耐磨，而且润滑良好。为了提高疲劳强度，还经过淬火、滚压强化等独特的工艺措施。康明斯公司在本文中对柴油发电机部件中曲轴的作用、工作条件、制造方法及类型和零件组成做了详细介绍。

 

一、曲轴的工作条件

 

      曲轴的功用是将气体压力转变为扭矩输出，以驱动与其相连的动力装置。此外，它还要驱动柴油发电机本身的配气机构及各种附件，如喷油泵、水泵和冷却风扇等。

      曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩(扭矩和弯矩)共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。实践局理论表明，对于各种曲轴，弯曲载荷具有决定性意义，而扭转载荷仅占次要地位(不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏， 由于目前多缸发动机曲轴普遍采用减振措施，这种情形很少发生)。曲轴破坏的统计分析表明， 80％左右是由弯曲疲劳产生的。因此， 曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。

      曲轴形状复杂、应力集中现象相当严重，特别在曲柄至轴颈的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象尤为突出。疲劳裂纹的发源地几乎全部产生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处。弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45°折断曲柄；扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45°折断曲柄。所以在设计曲轴时要使它具有足够的疲劳强度，特别要注意强化应力集中部位，设法缓和应力集中现象，也就是采用局部强化的方法来解决曲轴强度不足的矛盾。’

      曲轴各轴颈在很高的比压下， 以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。这些轴承杯实际变工况运转条件下并不总能保证液体恩德，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面道到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以，·设计曲铀时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件。

      曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不足， 就会大大恶化活塞、连秤、轴承等重要零件的工作条件，影响它们的工作可靠性和耐磨性， 甚至使曲轴箱局部损坏。曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动：轻则引起噪音，加速曲轴上齿轮等传动件的磨损；重则使曲轴断裂。所以，了没计曲轴时。应保证它有尽可能高的弯曲刚度和钮转刚度。／ 所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都应该在轻的结构重量下实现。同时．随着内燃机的不断发展，各项指标的强化， 曲轴的结构也应留有发展的余地。

      不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。例如，为了提高曲轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作而言，可以降低轴承比压，但高转速下轴承圆周速度变大，从而引起摩擦功率损失增加，轴承温度升高，降低了轴承工作的可靠性。此外， 曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷加大。这时，可能引起来用斜切口连杆的必要，·而这种连杆刚性较差，而且制造成本较高。曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量的加大，可能使刚度对扭振带来的好处得而复失。正是这些内在的矛盾推动着曲轴设计的发展，而在曲轴强度矛盾的总体中，应力集中处的最大应力与该力作用点的材料抗力的矛盾是它的主要矛盾。影响这个主要矛盾的主要因素有： 曲轴的结构、材料和加工工艺等三方面，这三种因素各自有独立的作用，相互又有影响，必须辩证地进行分析，在设计曲轴时，不应只注重结构尺寸的设计一个方面。

      由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映客现实际的理论公式可供通用。因此， 目前曲轴的设计主要是依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料，借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设计、强度复核、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。

 

二、制造方法

 

      曲轴毛坯制造采用铸造和锻造两种方法。

1、锻造曲轴

      锻造曲轴主要用于强化程度高的柴油发电机，这类曲轴一般采用强度极限和屈服极限较高的合金钢（如40Cr、35CrMo等）或中碳钢（如45号钢）制造。

      在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。因此，必须根据内燃机的用途及强化程度，正确地选用曲轴材料。在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。以铸代银，以铁代钢。作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求有高度的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。 钢制曲轴除极少数应用铸钢以外，绝大多数采用锻造。锻造曲铀的材料有碳素钢和合金钢。

      碳素钢的弹性模数与合金钢相近，在刚度方面两种材料的曲轴并无多大差别。合全钢的强度虽比碳素钢高，但对缺口的敏感性很强，因而对机械加工要求严格。无论在材料价格还是生产费用上碳素钢都要便宜得多，所以在单缸内燃机这一类强化程度不太高的中高速内燃机上，广泛采用中碳钢45模锻曲轴。模锻曲轴的自由表面(如曲柄表面)——般不进行机械加工，这使加工工艺简化。但曲铀于锻造后应进行第——次热处理(退火或正火)，其目的是消除金属中的内应力和降低硬度以便于杉I‘械加工。庄精磨前应进行第二次热处理(调质)以改善钢的机械性能并提高轴颈表面硬度。对轴颈表面、回角和油孔边缘均应抛光， 以提高曲轴的疲劳强度。先进的连续纤维挤压锻造曲轴的出；现，使强度较自由锻提高20％。

2、铸造曲轴

      铸造曲轴广泛应用于中小功率柴油发电机，通常采用高强度球墨铸铁铸造，其优占：过方，成本低；能够铸出合理的结构形状；对扭转振动的阻尼作用优于钢材。

      由于曲轴模锻设备十分庞大，一直想用铸造曲轴代替锻造曲轴，而且锻造又大又费材料和加工工时，所以长期以来人们高强度球墨铸铁的出现为铸造曲轴的广泛采用提供了前提。

    球墨铸铁就其机械性能和使用性能而言(除减振性外)，比其它多种铸铁都要好。通过加入合金元素、热处理及表面强化等措施，球铁性能的提高也比其它铸铁曲铀要大的多。结合我国有丰富的稀土金属资源的特点，铸造曲铀普遍采用稀土镁合金球墨铸铁。

    球墨铸铁材料经正火处理后的机械性能已接近或超过一般中碳钢。但延伸率、冲击韧性、弹性模数以及材料本身的疲劳强度较低，综合机械性能仍低于中碳钢。因此，在结构上球铁曲轴有较粗的轴颈和较厚的曲柄，并采用全支承曲轴(支承数比曲拐数多，以补偿抗弯刚度之不足。就光滑试样而言，45钢的疲劳强度要比球铁高得多。但实际曲轴上总是有油孔、困角和材质上的缺陷，这些地方易形成应力集中，降低了曲轴的疲劳强度。而球铁曲轴可以铸成复杂的合理的结构形状，使其应力分布均匀，金属材料更有效地利用，加上球铁材料对断面缺口的敏感性小，使得球铁曲轴的实际弯曲疲劳强度与正火中碳铜相近。而且球铁曲轴承受20—30％超负荷的能力要比钢好，因45钢轴颈是经过高频淬火的，表面上分布有大小不等的裂纹，  由于超过疲劳极限应力的超负荷多次循环造成裂纹的迅速发展以致曲轴断裂。而应力在疲劳极限以下很少产生断裂。因此，超负荷特性的好坏对曲轴的实际承载能力具有很大的意义。

 

图1  柴油机曲柄连杆机构结构图

图2  柴油机曲轴外形图.

 

二、曲轴的分类

 

1、按结构区分

      曲轴按各组成部分的连接情况，可分为组合式曲轴和整体式曲轴两种。

① 组合式曲轴

      即将曲轴分成若干部分，分别制造与加工，然后组装成一个整体。单元体的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴。

      大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用这种组合式结构的曲轴。因为大功率柴油机的曲轴粗而长，采用整体式结构则加工困难，有的甚至不可能。这么大的曲轴，由于受到设备的限制不能制成整体式，只得采用组合式结构。小型单缸二冲程发动机围结构与润滑系统的简化，连杆轴承一般采用滚针(柱)轴承，这时把连杆大头做成整体式，其曲拐必须采用可分开的组合结构才能进行装配。在中型高速内燃机上，这种组合式曲轴用的不多。

      其优点是加工方便，便于产品系列化。缺点是拆装不方便，组装质量不易保证，重量大，成本高，采用滚动轴承，噪声大，难以适应高转速。

      此外，还有一种盘形组合曲轴，它的结构特点是采用球墨铸铁作曲轴材料，把圆盘形曲柄兼作主轴颈，采用滚动轴承作为主轴承。把单位曲拐制成后用螺栓紧固联成一根曲轴。扭矩的传递主要依靠结合面之间的摩擦力。 这种曲铀的主要优点是曲柄兼作主轴颈，可使缸心距缩短，柴油机的总长度减小；可适当增加曲柄销宽度，改善连杆大头轴承的工作条件，利于发展v型并列连杆系列产品：因主轴颈很大，使轴颈重叠度增加很多，因而曲轴刚度大， 自振频率高，扭振应力小； 由于各缸单位曲拐结构相同，用几个相同的曲拐就可以装配成不同缸数的曲轴，这就简化了曲轴的生产，有利于产品系列化；而且，在使用中任何一个曲拐有缺陷或损坏时，可以单独更换，不必将整根曲轴报废；采用滚动轴承摩擦损失小，机械效率高，寿命较长，在非增压柴油机上它的寿命可达15000小时。

      圆盘形组合曲轴的缺点是滚动轴承的采用要消耗大量合金钢材，成本约贵九倍。而且滚动轴承比滑动轴承要重得多，噪音大，拆装也不方便；这种曲轴要求隧道式机体，虽然机体的刚性较好，但比一般机体要重；结构复杂，有很多结合面，只有在高的制造精度的前提下，才能保证装配后曲轴的积累误差仍在正常规定范围内。

② 整体式曲轴

      即曲轴的各组成部分铸（或锻）造在一根曲轴毛坯上。整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根饲料锻造或用铸造方法浇铸出来。

    整体式曲轴具有工作可靠、重量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少，是中小型发动机曲轴广为应用的结构型式。只要工厂有条件制造。设计上总是尽量采用整体结构。但是，当曲轴尺寸较大，  曲拐数较多时，这种曲轴的加工比较困难，需要用大的专用设备，而且某一部分因加工不合格或使用中损坏时，整根曲轴便要报废。

    整体式曲轴一般与滑动轴承相配合。但是，单缸发动机的整体式曲轴却往往与滚动轴承配合，借以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。

 

图3  柴油机组合式曲轴结构图

图4  柴油机整体式曲轴结构图

 

2、按数目区分

      按照曲轴主轴颈数目，可分为全支承曲轴和非全支承曲轴。

① 全支承曲轴

      即是在任两个相邻曲拐之间都设有主轴颈的曲轴。其主轴颈总数比连杆轴数多一个。这种曲轴的优点是曲轴的刚度大，主轴承负荷轻。其缺点是柴油发电机轴向尺寸加长。

      它由轴承套、轴承座和滚珠串组成。轴承套是用来固定滚珠串的部件，轴承座是用来固定轴承套的部件。滚珠串是用来支撑轴承轴的部件。 全支撑曲轴需要严格按照设计要求进行安装和维护。安装时需要确保轴承座与轴承套的平行度和垂直度，同时确保滚珠串的正确安装。维护时需要定期检查滚珠串的磨损情况，并及时更换磨损严重的滚珠。

      总之，全支撑曲轴是一种高性能的轴承构件，在机械传动系统中具有重要作用。但是也需要严格按照设计要求进行安装和维护，以确保其正常运行。

② 非全支承曲轴

      非全支承式曲轴主轴颈总数等于或少于连杆轴颈数，在曲轴上仅安装部分连杆轴承的曲轴结构。在发动机工作时，支承轴承支撑着凸轮轴和连杆，将发动机进气、压缩、燃烧和排气四个环节的能量转换成机械能。而非全支承式曲轴通常只在高载荷部位设置轴承，以减少摩擦阻力，降低能量损失，提高发动机的效率和性能。

      其优点是尺寸小、结构简单、紧凑。缺点是刚度和强度较差，主轴承负荷较重。柴油机因负荷较重，一般多采用全支承曲轴。非全支承曲轴多用于负荷较轻的柴油发电机。

 

三、曲轴和主轴瓦零件图

 

      曲轴主要由曲轴前端（或称自由端）、连杆轴颈、主轴颈、曲柄、平衡块和曲轴后端凸缘（或称功率输出端）组成。以下为曲柄连杆结构的主要结构组成：

1、 主轴：也称为主轴颈，是曲轴的主干部分，连接连杆和飞轮。

2、连杆轴颈：也称为曲柄颈，是与连杆相连的部分，通常有多个。

3、连杆：将活塞的直线运动转换成旋转运动，连接曲轴和活塞。

4、飞轮轴颈：用于连接飞轮，平衡曲轴旋转时的惯性力。

5、飞轮：用于平衡曲轴旋转时的惯性力，增加发动机的平稳性。

6、前轴承和后轴承：支撑曲轴并降低摩擦，防止曲轴磨损。

表01    曲轴和主轴瓦     Crankshaft Main Bearing     BP 4010     BP 4016     BP 4026

 

总结：

      曲轴是柴油机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着柴油机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着柴油机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起柴油机其它零件的严重损坏，在柴油机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在设计曲铀时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果。 

 

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