性能特點和作用說明

康明斯柴油發電機曲軸的材料及構造

 

摘要：曲軸連桿機構是發動機的重要組成部分，在工作的過程中受到各種沖擊力、扭矩、磨損、應力等作用，并因此產生內部結構的變化和損傷，其工作環境相對較封閉且不易接觸。在發動機工作循環中，曲軸連桿機構受周期性不斷變化的燃氣壓力、往復運動質量的慣性力、旋轉質量的離心慣性力及力矩等復雜的交變載荷，產生扭轉和橫向與縱向振動，承受拉、壓、彎和磨損，要求其應具有足夠的強度、剛度、韌性、耐磨性及良好的平衡性。因此，其結構設計的合理性和可靠性就至關重要。

一、曲軸的類別

      曲軸的功用是將柴油發電機連桿傳來的氣體壓力轉變為轉矩，然后傳給傳動裝置。柴油發電機的和運動機構都是通過曲軸來驅動的。曲軸承受氣體壓力和往復慣性力、旋轉慣性力及其力矩的作用。這些周期性變化的負荷在曲軸各部分產生彎曲、扭轉、剪切、拉壓等復雜交變應力，同時也造成曲軸的扭轉振動和彎曲振動。為保證柴油發電機的正常工作，曲軸必須具有足夠的強度和剛度。軸頸應有足夠大的承受表面和耐磨性；曲軸質量應盡量??；對各軸頸的潤滑應該充分；曲軸的安裝固定要可靠，必須加以軸向定位，限制其軸向移動。

1、按連接形式區分

      按各組成部分的連接情況，可把曲軸分為整體式曲軸和組合式曲軸。

（1）整體式曲軸

      柴油發電機整體式曲軸軸頸經淬硬處理，軸頸尺寸大；過渡圓角部分或全部淬硬處理，多采用滾壓強化；曲軸油道孔口拋光，是曲軸具有抗疲勞破壞能力。各軸頸、軸承采用壓力潤滑。主軸頸和連桿軸頸之間有油道相通。氣缸體上也有專門油道與主軸承孔的油道相通，如康明斯B系列柴油發電機主軸承上瓦有3個孔與氣缸體上的3個孔相對應，中間孔與氣缸體主軸通道相同，一個相鄰小孔與凸輪軸孔相通，另一側孔與冷卻活塞噴嘴相同。圖1是帶飛輪盤曲軸的外形圖，圖2是整體式曲軸典型結構圖。

 

圖1  柴油機整體式曲軸外形圖（帶飛輪盤）

圖2  柴油機整體式曲軸結構示意圖

 

 （2）組合式曲軸

      組合式曲軸是將組成曲軸的各個部件分開進行加工，然后將各個部分通過螺釘連接在一起，典型結構外形如圖3、圖4所示。一般由于大型曲軸整體毛坯的制造能力受到限制，以及部分損壞時更換整根曲軸不經濟，所以多采用組合式曲軸。組合式曲軸的優點是剛度好，而且可以得到較小的缸心距，易于實現系列化生產，但由于必須采用隧道式曲軸箝而使質量加大，因此裝配較為復雜。

 

圖3  柴油機組合式曲軸典型結構一

圖4  柴油機組合式曲軸典型結構二

 

2、按支撐點區分

      曲軸通過多道主軸承被支承在氣缸體上，根據支撐點的個數，曲軸又可分為全支承和非全支承兩種。

（1）全支承曲軸

      每個曲柄銷（連桿軸頸）的兩端都有支呈點（主軸頸），所以主軸頸數比曲柄銷數多一個。

（2）非全支承曲軸

      非全支承曲軸則是每個曲柄銷共用一對支承點，鼓起主軸頸數少于或等于曲軸銷數。若曲軸的每一個曲柄上都裝有設平衡中則稱為完全平衡。

3、按工藝分類

（1）鍛造曲軸：

      使用鍛造工藝制造，通常選用碳素結構鋼或合金結構鋼，具有良好的機械性能和疲勞壽命。

（2）鑄造曲軸：

      通過鑄造工藝制造，適用于低負荷、低轉速的發動機，成本較低，但承載能力和抗疲勞能力較低。

（3）軋制曲軸：

      利用軋制機將原料軋制成帶肋鋼材，再經過多道次擠壓和拉伸成型，精度高、表面光滑，但成本較高。

4、按照曲柄桿結構分類

      曲柄桿是指曲軸上分別與連桿和法蘭相連的部分，曲軸按照曲柄桿的形式可以分為以下三種類型：

（1）平面型曲軸

      平面型曲軸是指曲軸上的曲柄桿是平面的，通常用于柴油機等低速大功率的發動機。

（2）立體型曲軸

      立體型曲軸是指曲軸上的曲柄桿呈立體的形狀，可使曲軸的強度更高，適用于高速度和高功率的發動機。

（3）長釘型曲軸

      長釘型曲軸是應用于某些低功率發動機中的一種特殊曲軸，其曲柄桿上采用了特殊形狀的長釘，這種曲軸特點是結構簡單，可在發生過載時自行斷裂，保護其他重要部件。

5、按照使用方式分類

      曲軸按照使用的方式分類主要有以下兩種：

（1）靈活曲軸

      靈活曲軸結構剛度較小，能夠吸收振動能量，減少振動對機器的損傷。靈活曲軸的主要特點是結構短小，重量輕，襯套厚度較薄。

（2）硬性曲軸

      硬性曲軸主要用于較高的功率發動機，如大型柴油發電機組等，硬性曲軸的結構剛度和強度都比較高，襯套厚度較厚，能承受較大的力矩和振動。硬性曲軸的主要特點是結構堅固，能承受較大的載荷和沖擊力，使用壽命較長。

      綜上所述，曲軸按照不同的分類方式可以分為不同的類型，根據實際使用需求選擇合適的曲軸類型，可以提高發動機的效率和使用壽命。

 

二、曲軸的結構組成

 

      曲軸的結構由主軸頸、連桿軸頸、曲軸臂、平衡塊、前軸端和后軸端等部分組成。其中一個連桿頸和它兩端的曲臂以及前后兩個主軸頸合在一起，稱為曲拐。其材質一般由45、40Cr、35CrMoA、40CrNiMoA、38CrMoAIA等中碳鋼或中碳合金鋼模鍛而成，現代中小型柴油機曲軸也采高強度球墨鑄鐵鑄造。為提高疲勞強度和耐磨性，曲軸通常采用調質處理，中碳鋼曲軸軸頸采用高頻感應淬火；合金鋼曲軸軸頸采用高頻感應淬火或氮化處理；球墨鑄鐵通常進行正火、等溫淬火或高頻感應表面淬火。軸頸表面進行噴完處理，圓角處進行滾壓處理。

1、主軸頸

      主軸頸用來支撐曲軸，曲軸幾即繞其中心線旋轉。主軸頸支撐于滑動主軸承上，主軸頸結構和連桿軸頸類似，不同點于滑動主軸承上，主軸頸結構和連桿軸頸類似，不同點是內表面有油槽。主軸承蓋用螺栓與上曲軸箱的主軸承座緊固在一起。為了使各主軸頸磨損相對均勻，對于受力交大的中部和兩端的主軸頸制造得較寬。

2、連桿軸頸

      連桿軸頸用來安裝連桿大頭。直列式柴油機的連桿軸項數與汽缸數相等；V型柴油機因為兩個連桿共同裝在一個連桿軸頸上，故連桿軸頸數為汽缸數的一半。連桿軸頸通常被制成中空，其目的是為了減輕曲拐旋轉部分的質量，以減小離心力。中空的部分還可兼作油道和油腔，如圖5所示。油腔不鉆通，外端用螺塞封閉，并用開口銷鎖住。連桿中部插入一彎管，管口位于油腔中心。當曲軸旋轉時，在曲軸油管機油中的較重的雜質被甩向油腔壁，而潔凈的機油則經彎管流向連桿軸向表面，減輕了軸頸的磨損。

3、曲軸臂

      將連桿軸頸和主軸頸連接到一起的部分稱曲柄（或稱曲柄臂），連桿軸頸和曲柄共同將連桿傳來的力轉變成曲軸的旋轉力矩。軸頸與曲柄之間有過渡圓角，以增加強度。一個連桿軸頸和它兩端的曲柄及相鄰兩個主軸頸構成一個曲拐。

4、曲軸的前軸端

      通常的前軸端裝有齒輪皮帶輪、扭轉減震器和啟動爪等，如圖6所示。為防止機油沿曲軸軸頸外漏，一般在正時齒輪前端裝一個甩油盤，正時齒輪蓋內孔周圍還嵌有自緊式油封。當機油濺落在隨著曲軸旋轉的甩油盤上時，由于離心力的作用，被甩到正時齒輪蓋的內壁上，油封擋住機油，是機油沿壁面流回油殼中。

 

圖5  柴油機曲軸內部的油道示意圖

圖6  曲軸扭轉減振器和皮帶輪正時標記

 

5、曲軸的后軸端

      制有甩油突緣、回油螺紋和飛輪結合盤。飛輪結合盤是用來連接飛輪輸出動力。甩油突緣與回油螺紋用來防止既有外漏，從主軸頸間隙流向后端的機油，主要被甩油突緣甩入主軸承座孔后邊緣的凹槽內，并經回油孔流向底殼。少量的機油流至回油螺紋區，被回油螺紋返回到甩油突緣而甩回油低殼。為更可靠地防止漏油，有時柴油機還在最后一道主軸承蓋的端面上裝有油封，油封材料有橡膠，含石墨的石棉繩等。此外，最后一道主軸承蓋與缸體結合面出還嵌有軟木條或石棉繩等填料，起密封作用。

6、曲軸軸向限位裝置

      一般設置在某道主軸頸的兩側。其材料加工與滑動軸承類似，也是在鋼背上澆注一層減磨合金，但是具體結構因車而異。有的是兩片整圓形的止推墊圈，通常安裝在前端軸上，有的是兩片或四片半圓型的止推片；采用更多的是將四片半圓形止推片與主軸承制成一體而成為翻邊軸瓦，，但軸承前后竄動是翻邊軸瓦端面的減磨合金與相對應的曲軸臂止推面接觸摩擦，限制了曲軸竄動。

      曲軸工作時，要承受周期性變化的氣體壓力、往復慣性力和離心力，以及它們產生的扭矩和彎矩的共同作用，為了保證工作可靠，因此要求曲軸要有足夠的剛度、強度，各工作表面要耐磨而且潤滑良好，還必須有很高的動靜平衡要求。

7、平衡重

      平衡重的作用是平衡連桿大頭、連桿軸頸和曲柄等產生的離心力及其力矩，有時也平衡活塞連桿組的往復慣性力及其力矩，以使柴油機運轉平穩。圖7為四缸發動機不裝配平衡重的曲軸受力情況。1、4道連桿軸頸的離心力F?、F?與2、3道連桿軸頸的離心力F?、F?大小相等，方向相反。從整體上看，似乎在內部能相互平衡，但由于在F?與F?形成的力偶M_1-2和F?與F?形成的力偶M_3-4作用下，如果曲軸的剛度不足，則發生彎曲變形，加劇主軸頸的磨損。為此，需加寬軸頸，增加剛度，以減少磨損。但更有效的措施是在曲軸臂反方向延伸一塊平衡塊。平衡塊與曲軸制成一體，也可單獨制造，再用螺栓固裝在曲軸臂上，加平衡塊會導致曲軸質量和材料消耗增加，制造工藝復雜。因此，曲軸是否要加平衡塊，應視具體情況而定。

      平衡重的數量有4塊、8塊等幾種模式。若只在部分曲柄臂上裝設平衡重則稱分段平衡法（4塊平衡重），如圖中（a）所示。若在曲軸的每個曲柄臂上都裝設平衡重，則稱完全平衡法（8塊平衡重），如圖中（b）所示；完全平衡法的平衡重數量較多，曲軸重量增加，工藝性變差。

 

圖7  曲軸無平衡軸狀態受力示意圖

圖8  曲軸配平衡軸不同數量的狀態示意圖.

 

三、曲軸檢查與安裝

 

      在主軸瓦配好并安裝主軸瓦下塊后，即可將曲軸吊入機座，進行曲軸的安裝測量和檢查工作。曲軸安裝分為曲軸著色檢查和曲軸安裝兩步進行。

1、 曲軸著色檢查

      曲軸安裝前應檢查曲軸與主軸承軸瓦的貼合情況，具體過程如下：

① 機座主軸承座清理干凈，按順序號將主軸承下瓦安裝到位，并用止動螺釘固定。

② 將曲軸各主軸頸清洗干凈，涂一層色油后，吊入機座，轉動曲軸一圈，再將曲軸吊出。

③ 檢查主軸承下瓦瓦面著色情況，要求在120°范圍內著色面積大于75%，且著色均勻。

2、曲軸安裝

（1）將曲軸主軸頸處和主軸承下瓦處的色油清理干凈后，在主軸瓦上加潤滑油，然后將曲軸吊入機座。

（2）將主軸承上瓦扣在曲軸上，同時將主軸承蓋吊裝入機座，旋上螺母，并泵緊至1500bar。

（3）主軸承蓋上進油孔堵住。

（4）測量臂距差應符合規定要求。自由端和輸出端第一檔≤0.47，其余各檔≤0.18。

 

總結：

      目前，曲軸通常采用合金鋼或碳鋼鍛造。隨著制造技術的不斷進步，近年來曲軸較多采用球墨鑄鐵鑄造。這主要是因為用球墨鑄鐵鑄造的曲軸與鍛鋼相比，價格較低，制造工藝簡單，性能，而且耐磨性比鍛鋼曲軸也要好。一般而言，康明斯柴油發電機組配置的曲軸通常是整體鍛造形成自帶平衡塊的全平衡式曲軸，并且采用全支承結構。因其具有工作可靠性高、質量輕、成本低等特點，所以在實際的康明斯發電機組生產和應用中最為廣泛。

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