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直列和V型發動機的曲拐布置方式

 

摘要：所謂的曲拐布置方式，是指多缸發動機各曲拐之間的夾角，常見的三種夾角是90°、120°和180°，其中90°和120°稱為空間曲拐，180°稱為平面曲拐。曲拐的布置位置與發動機氣缸數量、氣缸的排列型式、發動機的平衡以及各氣缸的工作順序密切相關，并且具有一定的規律。一般來說，應遵循各氣缸的做功間隔角均衡、連續做功的兩個氣缸相隔較遠、V型發動機左右兩排氣缸盡量交替做功，曲拐布置應對稱、均勻，發動機工作平衡性較好等原則。

 

一、曲軸作用和結構

 

1、曲軸的作用及工作要求

      曲軸主要功用是承受連桿傳來的力，并由此產生繞自身軸線的旋轉力矩，該力矩通過飛輪對外輸出；另外，曲軸還用來驅動發動機的配氣機構和發電機等附件。

      曲軸是發動機最重要的部件之一，要求用強度、沖擊韌性和耐磨性都比較好的材料制造，一般采用中碳鋼（如45鋼）或中碳合金鋼（如35Mn2、40Cr等）模鍛而成。為了提高曲軸的耐磨性，其軸頸表面經高頻淬火或氨化處理，最后進行精加工，從而達到高的精度和低的表面粗糙度。

      為了提高曲軸的疲勞強度，消除應力集中，軸頸表面應進行噴丸處理，過渡圓角處要經滾壓處理。工作時，曲軸承受氣體壓力、慣性力及慣性力矩的作用，受力大而且受力復雜，并且承受交變負荷的沖擊作用。同時，曲軸又是高速旋轉件。因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤滑良好。

2、曲軸的結構

      如1圖所示，曲軸一般由前端、主軸頸、曲柄、平衡重、連桿軸頸和后端組成。由一個連桿軸頸和它左右主軸頸組成一個曲拐。曲軸的曲拐數取決于汽缸的數目和排列方式。單缸發動機的曲軸只有一個曲拐；直列式發動機曲軸的曲拐數等于汽缸數；V型發動機曲軸的曲拐數等于汽缸數的一半。

      在曲軸的前端軸上安裝有皮帶輪、正時齒輪等，用于驅動水泵、配氣機構等，曲軸前端結構平面圖如圖2所示。曲軸的主軸頸安裝在汽缸體主軸承座內，用于支撐曲軸。連桿軸頸用于安裝連桿，曲柄連接主軸頸與連桿軸頸，為了平衡曲軸旋轉時的離心力，在曲軸上設有平衡塊。在曲軸的后端設有連接凸緣，通過螺栓將飛輪連接到曲軸上。為潤滑連桿軸頸，從主軸頸向連桿軸頸鉆有潤滑油道。

2、曲軸的支承形式

      主軸頸是曲軸的支承部分。按照曲軸的主軸頸數可以把曲軸分為全支承曲軸和非全支承曲軸兩種。每個連桿軸頸兩邊都有一個主軸頸者稱為全支承曲軸；主軸頸數等于或少于連桿軸頸數者稱為非全支承曲軸。

      直列式發動機的全支承曲軸，其主軸頸數（包括曲軸前端和后端的主軸頸）比氣缸數多一個；V形發動機的全支承曲軸，其主軸頸數比氣缸數的一半多一個。全支承曲軸的優點是可以提高曲軸的剛度，并且可減輕主軸承的載荷；其缺點是曲軸長度較長，使發動機機體長度增加。

 

圖1  柴油機曲軸結構示意圖.

圖2  柴油機曲軸前端結構平面圖

 

二、曲拐布置基本原則

 

      曲軸的形狀和各曲拐的相對位置主要取決于汽缸數、汽缸的排列形式和各缸的工作順序，圖3為直列四缸四沖程發動機的曲拐布置簡圖，圖4為直列六缸四沖程發動機的曲拐布置簡圖。在安排柴油機工作順序時應盡量遵循基本原則，比如，使連續作功的兩缸盡可能相距遠些，以減輕主軸承的負荷，避免在進氣過程中發生相連兩氣門同時開啟，出現“搶氣”現象，影響柴油機的充氣效率。柴油機曲拐的布置原則主要包括以下幾點：

1、最小化不平衡力

      柴油機曲拐的布置應盡量使得不同連桿的活塞在任何工作點上都產生相同大小的力。這樣可以降低發動機的振動和噪音。

2、最小化摩擦損失

      柴油機曲拐的布置應盡量減少連桿和曲軸之間的摩擦。在布置過程中，要注意減小連桿離心力和軸向力的影響，以及減少柴油機曲拐部分的慣性力。

3、最大化功率傳輸

      柴油機曲拐的布置應能夠最大化發動機的功率輸出。要實現這一點，可以通過采用合適的連桿比例和柴油機曲拐的位置，以及最佳的曲軸軸向位置和連桿角度來實現。

4、綜合考慮空間限制

      柴油機曲拐的布置還需要考慮到發動機的整體尺寸和形狀。在有限的空間內，要盡量合理布置柴油機曲拐，以滿足其他部件的安裝和工作需求。

5、考慮制造和裝配的可行性

      柴油機曲拐的布置還需要考慮到制造和裝配的可行性。要選擇能夠實現高精度加工和裝配的布置方案，以確保柴油機曲拐的質量和性能。

 

圖3  直列四缸四沖程發動機的曲拐布置簡圖

圖4  直列六缸四沖程發動機的曲拐布置簡圖

 

三、曲拐布置特點和工作順序

 

       曲軸的形狀及曲柄銷間的相互位置（即曲拐的布置）與沖程數、汽缸數、汽缸排列方式和各汽缸做功行程發生的順序（稱為發火次序或工作順序）有關。曲軸的形狀要同時滿足慣性力的平衡和發動機工作平穩性的要求。就四沖程發動機而言，曲軸每轉兩圈（即一個工作循環），每缸都應發火做功一次。各缸的發火間隔時間（以°CA表示）應力求均勻。設發動機有個汽缸，則發火間隔應為720°/i°CA，即曲軸每轉720°/i時，就應有一個缸做功，這樣才能使發動機工作平穩。現就常用的4缸、6缸和V型8缸發動機說明如下。

1、四缸直列發動機

      直列四缸是最為常見的，它有四個曲拐，絕大多數都是互相成180°，屬于平面曲拐布置。V型以及水平對置發動機也有四個曲拐，也是互相成180°的平面曲拐布置，為了縮短發動機的長度，一般會采用半支撐式曲軸。四缸發動機在運行中可以平衡掉一階振動，但是二階振動無法平衡，所以絕大多數的四缸發動機還是有一個平衡軸的，布置圖如圖5所示。

（1）直列四沖程發動機曲拐布置特點（3min)

① 曲軸的形狀和各曲拐的布置取決于氣缸數、氣缸排列形式和發動機的發火順序，連續作功的兩缸相隔盡量遠些，以減少主軸承連續載荷和避免可能發生的進氣重疊現象。

② 各缸的作功間隔要盡量均勻，以使發動機運轉平穩。4缸發動機因缸數i=4，所以發火間隔應為720°/4一180°CA。其曲柄銷布置4個曲柄銷布置在同一平面內，1、4缸的曲柄銷朝上時，2、3缸的朝下，1、4缸與2、3缸相隔180°。

（2）發動機工作順序有：1-3-4-2和1-2-4-3兩種，工作演示如圖6所示。

表1    如果作功順序是1-3-4-2則工作順序表（5min）如下：

 

圖5  四缸機曲拐布置圖

圖6  四缸發動機點火順序演示圖

2、六缸直列發動機

      直列六缸發動機的六個曲拐均勻的布置在互成120°的三個平面內，恰好使活塞上下運動時產生的一階振動和二階振動互相抵消，并且各缸做功銜接完美，因此它可以完美的實現自平衡。在所有的發動機中，直列六缸發動機是唯一一個不用加裝任何平衡裝置就可以平穩運轉的。

（1）曲拐布置形式特點（5min)

      六個曲拐對稱布置于互成120°角的三個平面內。從曲軸前端看，一六曲拐正對，二五曲拐正對，三四曲拐正對。 作功間隔角720°/6 =120°，如圖7所示。

（2）發動機工作順序有：1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5兩種，如圖8所示。

表2    如果作功順序是1-5-3-6-2-4，則工作順序表（5min）如下：

 

圖7  直列六缸發動機曲拐布置圖

圖8  六缸發動機點火順序

 

 

3、V型缸發動機

      8缸機大多將汽缸排列成雙列v形（兩列汽缸的中心線夾角常取90°）。因其汽缸數i=8，所以，各缸發火間隔應為720°/8=90°CA。做功順序因發動機不同而不同，一般有1-5-4-8-6-3-7-2和1-5-4-2-6-3-7-8兩種。V8發動機有四個曲拐，這四個曲拐的布置方式有兩種。一種是互成180°的平面布置，一種是互成90°的空間布置。

（1）曲拐互成90°的空間布置方式

      一般被美系V8發動機采用。這種布置方式最大的優點就是運轉起來特別的平順，靜音效果也比較好，發動機的使用壽命也比較長。不過這種布置方式曲軸重量比較大，發動機比較笨重。此外，由于會有同側氣缸連續做功，因此會有排氣干涉現象，發動機會發出獨特的煮水聲排氣聲浪。

（2）曲拐互成180°的平面布置方式

      一般被歐系V8發動機采用。這種布置方式最大的優點就是曲軸重量輕、轉動慣量小，發動機轉速上升快，瞬間加載性能好。缺點是發動機的振動比較大，需要加裝平衡軸來平衡曲軸的轉動慣量。所以用起來性能優越，但是噪音、振動比較大。

 

總結：

      以上就是常見發動機的曲拐布置方式以及它們對發動機性能的影響，還有一些更大型的柴油發動機，比如12V、16V發動機等。它們的氣缸數更多，通常只能采用空間布置的曲拐布置方式。總而言之，柴油機曲拐的布置原則是為了實現平衡、高效、低噪音和高功率輸出的發動機運行，同時考慮到空間限制和制造可行性。

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