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性能特点和作用说明 |
康明斯柴油发电机曲轴的材料及构造 |
摘要：曲轴连杆机构是发动机的重要组成部分，在工作的过程中受到各种冲击力、扭矩、磨损、应力等作用，并因此产生内部结构的变化和损伤，其工作环境相对较封闭且不易接触。在发动机工作循环中，曲轴连杆机构受周期性不断变化的燃气压力、往复运动质量的惯性力、旋转质量的离心惯性力及力矩等复杂的交变载荷，产生扭转和横向与纵向振动，承受拉、压、弯和磨损，要求其应具有足够的强度、刚度、韧性、耐磨性及良好的平衡性。因此，其结构设计的合理性和可靠性就至关重要。
一、曲轴的类别
曲轴的功用是将柴油发电机连杆传来的气体压力转变为转矩，然后传给传动装置。柴油发电机的和运动机构都是通过曲轴来驱动的。曲轴承受气体压力和往复惯性力、旋转惯性力及其力矩的作用。这些周期性变化的负荷在曲轴各部分产生弯曲、扭转、剪切、拉压等复杂交变应力，同时也造成曲轴的扭转振动和弯曲振动。为保证柴油发电机的正常工作，曲轴必须具有足够的强度和刚度。轴颈应有足够大的承受表面和耐磨性；曲轴质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分；曲轴的安装固定要可靠，必须加以轴向定位，限制其轴向移动。
1、按连接形式区分
按各组成部分的连接情况，可把曲轴分为整体式曲轴和组合式曲轴。
（1）整体式曲轴
柴油发电机整体式曲轴轴颈经淬硬处理，轴颈尺寸大；过渡圆角部分或全部淬硬处理，多采用滚压强化；曲轴油道孔口抛光，是曲轴具有抗疲劳破坏能力。各轴颈、轴承采用压力润滑。主轴颈和连杆轴颈之间有油道相通。气缸体上也有专门油道与主轴承孔的油道相通，如康明斯B系列柴油发电机主轴承上瓦有3个孔与气缸体上的3个孔相对应，中间孔与气缸体主轴通道相同，一个相邻小孔与凸轮轴孔相通，另一侧孔与冷却活塞喷嘴相同。图1是带飞轮盘曲轴的外形图，图2是整体式曲轴典型结构图。
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图1 柴油机整体式曲轴外形图（带飞轮盘） |
图2 柴油机整体式曲轴结构示意图 |
（2）组合式曲轴
组合式曲轴是将组成曲轴的各个部件分开进行加工，然后将各个部分通过螺钉连接在一起，典型结构外形如图3、图4所示。一般由于大型曲轴整体毛坯的制造能力受到限制，以及部分损坏时更换整根曲轴不经济，所以多采用组合式曲轴。组合式曲轴的优点是刚度好，而且可以得到较小的缸心距，易于实现系列化生产，但由于必须采用隧道式曲轴箝而使质量加大，因此装配较为复杂。
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图3 柴油机组合式曲轴典型结构一 |
图4 柴油机组合式曲轴典型结构二 |
2、按支撑点区分
曲轴通过多道主轴承被支承在气缸体上，根据支撑点的个数，曲轴又可分为全支承和非全支承两种。
（1）全支承曲轴
每个曲柄销（连杆轴颈）的两端都有支呈点（主轴颈），所以主轴颈数比曲柄销数多一个。
（2）非全支承曲轴
非全支承曲轴则是每个曲柄销共用一对支承点，鼓起主轴颈数少于或等于曲轴销数。若曲轴的每一个曲柄上都装有设平衡中则称为完全平衡。
3、按工艺分类
（1）锻造曲轴：
使用锻造工艺制造，通常选用碳素结构钢或合金结构钢，具有良好的机械性能和疲劳寿命。
（2）铸造曲轴：
通过铸造工艺制造，适用于低负荷、低转速的发动机，成本较低，但承载能力和抗疲劳能力较低。
（3）轧制曲轴：
利用轧制机将原料轧制成带肋钢材，再经过多道次挤压和拉伸成型，精度高、表面光滑，但成本较高。
4、按照曲柄杆结构分类
曲柄杆是指曲轴上分别与连杆和法兰相连的部分，曲轴按照曲柄杆的形式可以分为以下三种类型：
（1）平面型曲轴
平面型曲轴是指曲轴上的曲柄杆是平面的，通常用于柴油机等低速大功率的发动机。
（2）立体型曲轴
立体型曲轴是指曲轴上的曲柄杆呈立体的形状，可使曲轴的强度更高，适用于高速度和高功率的发动机。
（3）长钉型曲轴
长钉型曲轴是应用于某些低功率发动机中的一种特殊曲轴，其曲柄杆上采用了特殊形状的长钉，这种曲轴特点是结构简单，可在发生过载时自行断裂，保护其他重要部件。
5、按照使用方式分类
曲轴按照使用的方式分类主要有以下两种：
（1）灵活曲轴
灵活曲轴结构刚度较小，能够吸收振动能量，减少振动对机器的损伤。灵活曲轴的主要特点是结构短小，重量轻，衬套厚度较薄。
（2）硬性曲轴
硬性曲轴主要用于较高的功率发动机，如大型柴油发电机组等，硬性曲轴的结构刚度和强度都比较高，衬套厚度较厚，能承受较大的力矩和振动。硬性曲轴的主要特点是结构坚固，能承受较大的载荷和冲击力，使用寿命较长。
综上所述，曲轴按照不同的分类方式可以分为不同的类型，根据实际使用需求选择合适的曲轴类型，可以提高发动机的效率和使用寿命。
二、曲轴的结构组成
曲轴的结构由主轴颈、连杆轴颈、曲轴臂、平衡块、前轴端和后轴端等部分组成。其中一个连杆颈和它两端的曲臂以及前后两个主轴颈合在一起，称为曲拐。其材质一般由45、40Cr、35CrMoA、40CrNiMoA、38CrMoAIA等中碳钢或中碳合金钢模锻而成，现代中小型柴油机曲轴也采高强度球墨铸铁铸造。为提高疲劳强度和耐磨性，曲轴通常采用调质处理，中碳钢曲轴轴颈采用高频感应淬火；合金钢曲轴轴颈采用高频感应淬火或氮化处理；球墨铸铁通常进行正火、等温淬火或高频感应表面淬火。轴颈表面进行喷完处理，圆角处进行滚压处理。
1、主轴颈
主轴颈用来支撑曲轴，曲轴几即绕其中心线旋转。主轴颈支撑于滑动主轴承上，主轴颈结构和连杆轴颈类似，不同点于滑动主轴承上，主轴颈结构和连杆轴颈类似，不同点是内表面有油槽。主轴承盖用螺栓与上曲轴箱的主轴承座紧固在一起。为了使各主轴颈磨损相对均匀，对于受力交大的中部和两端的主轴颈制造得较宽。
2、连杆轴颈
连杆轴颈用来安装连杆大头。直列式柴油机的连杆轴项数与汽缸数相等；V型柴油机因为两个连杆共同装在一个连杆轴颈上，故连杆轴颈数为汽缸数的一半。连杆轴颈通常被制成中空，其目的是为了减轻曲拐旋转部分的质量，以减小离心力。中空的部分还可兼作油道和油腔，如图5所示。油腔不钻通，外端用螺塞封闭，并用开口销锁住。连杆中部插入一弯管，管口位于油腔中心。当曲轴旋转时，在曲轴油管机油中的较重的杂质被甩向油腔壁，而洁净的机油则经弯管流向连杆轴向表面，减轻了轴颈的磨损。
3、曲轴臂
将连杆轴颈和主轴颈连接到一起的部分称曲柄（或称曲柄臂），连杆轴颈和曲柄共同将连杆传来的力转变成曲轴的旋转力矩。轴颈与曲柄之间有过渡圆角，以增加强度。一个连杆轴颈和它两端的曲柄及相邻两个主轴颈构成一个曲拐。
4、曲轴的前轴端
通常的前轴端装有齿轮皮带轮、扭转减震器和启动爪等，如图6所示。为防止机油沿曲轴轴颈外漏，一般在正时齿轮前端装一个甩油盘，正时齿轮盖内孔周围还嵌有自紧式油封。当机油溅落在随着曲轴旋转的甩油盘上时，由于离心力的作用，被甩到正时齿轮盖的内壁上，油封挡住机油，是机油沿壁面流回油壳中。
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图5 柴油机曲轴内部的油道示意图 |
图6 曲轴扭转减振器和皮带轮正时标记 |
5、曲轴的后轴端
制有甩油突缘、回油螺纹和飞轮结合盘。飞轮结合盘是用来连接飞轮输出动力。甩油突缘与回油螺纹用来防止既有外漏，从主轴颈间隙流向后端的机油，主要被甩油突缘甩入主轴承座孔后边缘的凹槽内，并经回油孔流向底壳。少量的机油流至回油螺纹区，被回油螺纹返回到甩油突缘而甩回油低壳。为更可靠地防止漏油，有时柴油机还在最后一道主轴承盖的端面上装有油封，油封材料有橡胶，含石墨的石棉绳等。此外，最后一道主轴承盖与缸体结合面出还嵌有软木条或石棉绳等填料，起密封作用。
6、曲轴轴向限位装置
一般设置在某道主轴颈的两侧。其材料加工与滑动轴承类似，也是在钢背上浇注一层减磨合金，但是具体结构因车而异。有的是两片整圆形的止推垫圈，通常安装在前端轴上，有的是两片或四片半圆型的止推片；采用更多的是将四片半圆形止推片与主轴承制成一体而成为翻边轴瓦，，但轴承前后窜动是翻边轴瓦端面的减磨合金与相对应的曲轴臂止推面接触摩擦，限制了曲轴窜动。
曲轴工作时，要承受周期性变化的气体压力、往复惯性力和离心力，以及它们产生的扭矩和弯矩的共同作用，为了保证工作可靠，因此要求曲轴要有足够的刚度、强度，各工作表面要耐磨而且润滑良好，还必须有很高的动静平衡要求。
7、平衡重
平衡重的作用是平衡连杆大头、连杆轴颈和曲柄等产生的离心力及其力矩，有时也平衡活塞连杆组的往复惯性力及其力矩，以使柴油机运转平稳。图7为四缸发动机不装配平衡重的曲轴受力情况。1、4道连杆轴颈的离心力F₁、F₄与2、3道连杆轴颈的离心力F₂、F₃大小相等，方向相反。从整体上看，似乎在内部能相互平衡，但由于在F₁与F₂形成的力偶M1-2和F₃与F₄形成的力偶M3-4作用下，如果曲轴的刚度不足，则发生弯曲变形，加剧主轴颈的磨损。为此，需加宽轴颈，增加刚度，以减少磨损。但更有效的措施是在曲轴臂反方向延伸一块平衡块。平衡块与曲轴制成一体，也可单独制造，再用螺栓固装在曲轴臂上，加平衡块会导致曲轴质量和材料消耗增加，制造工艺复杂。因此，曲轴是否要加平衡块，应视具体情况而定。
平衡重的数量有4块、8块等几种模式。若只在部分曲柄臂上装设平衡重则称分段平衡法（4块平衡重），如图中（a）所示。若在曲轴的每个曲柄臂上都装设平衡重，则称完全平衡法（8块平衡重），如图中（b）所示；完全平衡法的平衡重数量较多，曲轴重量增加，工艺性变差。
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图7 曲轴无平衡轴状态受力示意图 |
图8 曲轴配平衡轴不同数量的状态示意图. |
三、曲轴检查与安装
在主轴瓦配好并安装主轴瓦下块后，即可将曲轴吊入机座，进行曲轴的安装测量和检查工作。曲轴安装分为曲轴着色检查和曲轴安装两步进行。
1、 曲轴着色检查
曲轴安装前应检查曲轴与主轴承轴瓦的贴合情况，具体过程如下：
① 机座主轴承座清理干净，按顺序号将主轴承下瓦安装到位，并用止动螺钉固定。
② 将曲轴各主轴颈清洗干净，涂一层色油后，吊入机座，转动曲轴一圈，再将曲轴吊出。
③ 检查主轴承下瓦瓦面着色情况，要求在120°范围内着色面积大于75%，且着色均匀。
2、曲轴安装
（1）将曲轴主轴颈处和主轴承下瓦处的色油清理干净后，在主轴瓦上加润滑油，然后将曲轴吊入机座。
（2）将主轴承上瓦扣在曲轴上，同时将主轴承盖吊装入机座，旋上螺母，并泵紧至1500bar。
（3）主轴承盖上进油孔堵住。
（4）测量臂距差应符合规定要求。自由端和输出端第一档≤0.47，其余各档≤0.18。
总结：
目前，曲轴通常采用合金钢或碳钢锻造。随着制造技术的不断进步，近年来曲轴较多采用球墨铸铁铸造。这主要是因为用球墨铸铁铸造的曲轴与锻钢相比，价格较低，制造工艺简单，性能，而且耐磨性比锻钢曲轴也要好。一般而言，康明斯柴油发电机组配置的曲轴通常是整体锻造形成自带平衡块的全平衡式曲轴，并且采用全支承结构。因其具有工作可靠性高、质量轻、成本低等特点，所以在实际的康明斯发电机组生产和应用中最为广泛。
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