新聞主題	柴油發(fā)電機組曲軸的分類、作用和工作條件

 

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

 

一、曲軸的工作條件

 

      曲軸的功用是將氣體壓力轉變?yōu)榕ぞ剌敵?，以驅動與其相連的動力裝置。此外，它還要驅動柴油發(fā)電機本身的配氣機構及各種附件，如噴油泵、水泵和冷卻風扇等。

      曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復和旋轉運動質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，使曲軸既扭轉又彎曲，產生疲勞應力狀態(tài)。實踐局理論表明，對于各種曲軸，彎曲載荷具有決定性意義，而扭轉載荷僅占次要地位(不包括因扭轉振動而產生的扭轉疲勞破壞， 由于目前多缸發(fā)動機曲軸普遍采用減振措施，這種情形很少發(fā)生)。曲軸破壞的統計分析表明， 80％左右是由彎曲疲勞產生的。因此， 曲軸結構強度研究的重點是彎曲疲勞強度。

      曲軸形狀復雜、應力集中現象相當嚴重，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力集中現象尤為突出。疲勞裂紋的發(fā)源地幾乎全部產生于應力集中最嚴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；扭轉疲勞破壞通常是從機械加工不良的油孔邊緣開始，約成45°折斷曲柄。所以在設計曲軸時要使它具有足夠的疲勞強度，特別要注意強化應力集中部位，設法緩和應力集中現象，也就是采用局部強化的方法來解決曲軸強度不足的矛盾。’

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

      曲軸是曲柄連桿機構中的中心環(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。曲軸扭轉剛度不足則可能在工作轉速范圍內產生強烈的扭轉振動：輕則引起噪音，加速曲軸上齒輪等傳動件的磨損；重則使曲軸斷裂。所以，了沒計曲軸時。應保證它有盡可能高的彎曲剛度和鈕轉剛度。／ 所有這些要求，在高速內燃機的條件下，都應該在輕的結構重量下實現。同時．隨著內燃機的不斷發(fā)展，各項指標的強化， 曲軸的結構也應留有發(fā)展的余地。

      不難看出，上述強度、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，對軸承工作而言，可以降低軸承比壓，但高轉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，軸承的離心負荷加大。這時，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旋轉質量的加大，可能使剛度對扭振帶來的好處得而復失。正是這些內在的矛盾推動著曲軸設計的發(fā)展，而在曲軸強度矛盾的總體中，應力集中處的最大應力與該力作用點的材料抗力的矛盾是它的主要矛盾。影響這個主要矛盾的主要因素有： 曲軸的結構、材料和加工工藝等三方面，這三種因素各自有獨立的作用，相互又有影響，必須辯證地進行分析，在設計曲軸時，不應只注重結構尺寸的設計一個方面。

      由于曲軸受力復雜，幾何斷面形狀比較特殊，在設計曲軸時，至今還沒有一個能完全反映客現實際的理論公式可供通用。因此， 目前曲軸的設計主要是依靠經驗設計，即利用許多現有的曲軸結構與尺寸的統計資料，借以初步確定曲軸的基本尺寸，然后進行結構細節(jié)的設計、強度復核、曲軸樣品試驗，最后確定曲軸的結構、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化程度高的柴油發(fā)電機，這類曲軸一般采用強度極限和屈服極限較高的合金鋼（如40Cr、35CrMo等）或中碳鋼（如45號鋼）制造。

      在結構設計和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強度決定著曲軸的體積、重量和壽命。因此，必須根據內燃機的用途及強化程度，正確地選用曲軸材料。在保證曲軸有足夠強度的前提下，盡可能采用一般材料。以鑄代銀，以鐵代鋼。作為曲軸的材料，除了應具有優(yōu)良的機械性能以外，還要求有高度的耐磨性、耐疲勞性和沖擊韌性。同時也要使曲軸的加工容易和造價低廉。 鋼制曲軸除極少數應用鑄鋼以外，絕大多數采用鍛造。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。合全鋼的強度雖比碳素鋼高，但對缺口的敏感性很強，因而對機械加工要求嚴格。無論在材料價格還是生產費用上碳素鋼都要便宜得多，所以在單缸內燃機這一類強化程度不太高的中高速內燃機上，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)——般不進行機械加工，這使加工工藝簡化。但曲鈾于鍛造后應進行第——次熱處理(退火或正火)，其目的是消除金屬中的內應力和降低硬度以便于杉I‘械加工。莊精磨前應進行第二次熱處理(調質)以改善鋼的機械性能并提高軸頸表面硬度。對軸頸表面、回角和油孔邊緣均應拋光， 以提高曲軸的疲勞強度。先進的連續(xù)纖維擠壓鍛造曲軸的出；現，使強度較自由鍛提高20％。

2、鑄造曲軸

      鑄造曲軸廣泛應用于中小功率柴油發(fā)電機，通常采用高強度球墨鑄鐵鑄造，其優(yōu)占：過方，成本低；能夠鑄出合理的結構形狀；對扭轉振動的阻尼作用優(yōu)于鋼材。

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

    球墨鑄鐵就其機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、熱處理及表面強化等措施，球鐵性能的提高也比其它鑄鐵曲鈾要大的多。結合我國有豐富的稀土金屬資源的特點，鑄造曲鈾普遍采用稀土鎂合金球墨鑄鐵。

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

 

圖1  柴油機曲柄連桿機構結構圖

圖2  柴油機曲軸外形圖.

 

二、曲軸的分類

 

1、按結構區(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。

      大功率柴油機和小型二沖程發(fā)動機上常采用這種組合式結構的曲軸。因為大功率柴油機的曲軸粗而長，采用整體式結構則加工困難，有的甚至不可能。這么大的曲軸，由于受到設備的限制不能制成整體式，只得采用組合式結構。小型單缸二沖程發(fā)動機圍結構與潤滑系統的簡化，連桿軸承一般采用滾針(柱)軸承，這時把連桿大頭做成整體式，其曲拐必須采用可分開的組合結構才能進行裝配。在中型高速內燃機上，這種組合式曲軸用的不多。

      其優(yōu)點是加工方便，便于產品系列化。缺點是拆裝不方便，組裝質量不易保證，重量大，成本高，采用滾動軸承，噪聲大，難以適應高轉速。

      此外，還有一種盤形組合曲軸，它的結構特點是采用球墨鑄鐵作曲軸材料，把圓盤形曲柄兼作主軸頸，采用滾動軸承作為主軸承。把單位曲拐制成后用螺栓緊固聯成一根曲軸。扭矩的傳遞主要依靠結合面之間的摩擦力。 這種曲鈾的主要優(yōu)點是曲柄兼作主軸頸，可使缸心距縮短，柴油機的總長度減??；可適當增加曲柄銷寬度，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，扭振應力?。? 由于各缸單位曲拐結構相同，用幾個相同的曲拐就可以裝配成不同缸數的曲軸，這就簡化了曲軸的生產，有利于產品系列化；而且，在使用中任何一個曲拐有缺陷或損壞時，可以單獨更換，不必將整根曲軸報廢；采用滾動軸承摩擦損失小，機械效率高，壽命較長，在非增壓柴油機上它的壽命可達15000小時。

      圓盤形組合曲軸的缺點是滾動軸承的采用要消耗大量合金鋼材，成本約貴九倍。而且滾動軸承比滑動軸承要重得多，噪音大，拆裝也不方便；這種曲軸要求隧道式機體，雖然機體的剛性較好，但比一般機體要重；結構復雜，有很多結合面，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。

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。整體式曲軸的結構是整體的，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，而且剛度和強度較高，加工表面也比較少，是中小型發(fā)動機曲軸廣為應用的結構型式。只要工廠有條件制造。設計上總是盡量采用整體結構。但是，當曲軸尺寸較大，  曲拐數較多時，這種曲軸的加工比較困難，需要用大的專用設備，而且某一部分因加工不合格或使用中損壞時，整根曲軸便要報廢。

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

 

圖3  柴油機組合式曲軸結構圖

圖4  柴油機整體式曲軸結構圖

 

2、按數目區(qū)分

      按照曲軸主軸頸數目，可分為全支承曲軸和非全支承曲軸。

① 全支承曲軸

      即是在任兩個相鄰曲拐之間都設有主軸頸的曲軸。其主軸頸總數比連桿軸數多一個。這種曲軸的優(yōu)點是曲軸的剛度大，主軸承負荷輕。其缺點是柴油發(fā)電機軸向尺寸加長。

      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。 全支撐曲軸需要嚴格按照設計要求進行安裝和維護。安裝時需要確保軸承座與軸承套的平行度和垂直度，同時確保滾珠串的正確安裝。維護時需要定期檢查滾珠串的磨損情況，并及時更換磨損嚴重的滾珠。

      總之，全支撐曲軸是一種高性能的軸承構件，在機械傳動系統中具有重要作用。但是也需要嚴格按照設計要求進行安裝和維護，以確保其正常運行。

② 非全支承曲軸

      非全支承式曲軸主軸頸總數等于或少于連桿軸頸數，在曲軸上僅安裝部分連桿軸承的曲軸結構。在發(fā)動機工作時，支承軸承支撐著凸輪軸和連桿，將發(fā)動機進氣、壓縮、燃燒和排氣四個環(huán)節(jié)的能量轉換成機械能。而非全支承式曲軸通常只在高載荷部位設置軸承，以減少摩擦阻力，降低能量損失，提高發(fā)動機的效率和性能。

      其優(yōu)點是尺寸小、結構簡單、緊湊。缺點是剛度和強度較差，主軸承負荷較重。柴油機因負荷較重，一般多采用全支承曲軸。非全支承曲軸多用于負荷較輕的柴油發(fā)電機。

 

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。以下為曲柄連桿結構的主要結構組成：

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。

3、連桿：將活塞的直線運動轉換成旋轉運動，連接曲軸和活塞。

4、飛輪軸頸：用于連接飛輪，平衡曲軸旋轉時的慣性力。

5、飛輪：用于平衡曲軸旋轉時的慣性力，增加發(fā)動機的平穩(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：

      曲軸是柴油機中最重要的機件之一。它的尺寸參數在很大程度上不僅影響著柴油機的整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著柴油機的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起柴油機其它零件的嚴重損壞，在柴油機的結構改進中，曲軸的改進也占有重要地位。隨著內燃機的發(fā)展與強化，使曲軸的工作條件愈加苛刻。因此，曲軸的強度和剛度問題就變得更加嚴重，在設計曲鈾時必須正確選擇曲軸的尺寸參數、結構型式、材料與工藝，以求獲得最經濟最合理的效果。 

 

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