曲轴组件
第六节曲轴组件曲轴组件包括曲轴、飞轮等，如图2-51示。
曲轴总体构造由中间的若干单位曲柄（曲拐）和自由端及飞轮端组成。单位曲柄是组成曲轴的基本部份，它由主轴颈1、曲柄臂2和曲柄销3所组成，有的还在曲柄臂上装有平衡重块，它是每一气缸所对应的曲轴部份。自由端通常设有驱动柴油机各种辅助设备的驱动齿轮。飞轮端设有联接法兰与飞轮及功率输出轴相联并经其输出功率。
一、曲轴组件功用、工作条件和要求
1．功用
①把活塞的往复运动通过连杆变成回转运动；②把各缸所作的功汇集起来向外输出；③带动柴油机的附属设备。
2．工作条件
曲轴的工作条件是比较苛刻的，这主要表现在以下几个方面：①受力复杂；②应力集中严重；③附加应力很大；④轴颈遭受磨损。
它既受变化的空间力系作用，又受到高速滑动摩擦危害。气体作用力、往复运动惯性力及连杆大端回转惯性力直接作用于曲柄销，经曲柄传给主轴颈。它们使各单位曲柄在空间不同方向受到弯曲与扭曲，各曲柄间也存在相互扭转。诸力的作用，使曲柄销和主轴颈均受到弯、扭的联合作用；使曲柄臂受拉、压、弯、扭的复合载荷。由于诸力和力矩均随曲柄转角变化，均为重复脉动载荷，对曲轴产生疲劳损伤。
受力特征：①由形状复杂，沿轴线方向截面变化急骤，应力集中现象十分严重。曲柄销与曲柄臂过度圆角处应力值往往是曲柄销中央截面的2～3倍。如图2-52所示，这种应力集中在主轴颈与曲横臂过度处，油口边缘处也严重存在。这种应力集中往往是疲劳裂纹源。 ②由于曲轴细长刚性较差。在轴线长度方向，会因各档主轴承不同心而产生曲轴中心线挠曲。在曲轴旋转时，挠曲的曲轴在曲柄销与曲柄臂过度处就会出现时拉时压的附加弯曲应力。这往往是曲轴裂纹的主要原因。同样，扭转中还存在各段轴颈间的扭转振动，其附加扭曲应力也会影响曲轴寿命。③曲轴各轴颈与轴承间的摩擦很严重。摩擦表面的比压大，相对摩擦速度高，加上轴颈负荷周期变化的冲击性，故不容易形成良好的液体摩擦条件。
3．对曲轴的技术要求
曲轴是柴油机中最长最重的部件，直接影响整台柴油机的尺寸和重量。曲轴形状复杂，加工质量要求很高，制造工艺难度大，因此也是柴油机中造价最高的部件。曲轴的工作好坏对整台柴油机有直接影响。对曲轴的主要要求是：疲劳强度高，工作安全可靠；有足够的刚性，工作时变形小，使轴承负荷均匀；有足够的轴颈承压面积，以保证较低的轴承比压；曲轴的轴颈要有良好的耐磨性能，并允许多次车削修复；曲柄的布置要兼顾动力均匀、主轴承负荷低、平衡性好、扭转振动小、有利于增压系统的布置。以上这些要求是互相关联的，有些又是相互矛盾的，要权衡利弊妥善解决。
二、曲轴结构
柴油机曲轴按其结构特点有以下几种形式：
1）整体式曲轴：整根曲轴由整体锻造或铸造而成，在中、小型柴油机中广泛应用。由于大型锻造设备的出现，大型低速柴油机也有采用整体式曲轴。
2）套合式曲轴（图2-53）：有半套合式和全套合式两种。半套合式（图a））曲柄销和曲柄臂制成一体，主轴颈单独制造，再用“红套”法将其结合成整根曲轴。全套合式（图b））主轴颈、曲柄销以及曲柄臂都是单独制造，然后用“红套”法结合成整根曲轴。套合式曲轴常用于大型低速柴油机中。
3）焊接式曲轴（图2-54）：各单位曲轴柄在主轴颈中央部位通过窄缝埋弧焊，连成一整体。这种焊接工艺是近代曲轴制造工艺中一个重要成就。它不仅消除了大件锻造的困难，而且还能使曲轴的重量较套合式有大幅度降低。此外，对超长行程十字头式柴油机，焊接式曲轴由于其曲柄臂底部能与主轴颈外圆接近齐平，能使连杆长度得以缩短，发动机高度大为减低。
4）组合式曲轴：有分段式和圆盘式两种。分段式曲轴是将缸数较多、曲轴长度较大的大型柴油机曲轴分为两段制造，用法兰连接成整根曲轴。圆盘式曲轴如图2-55所示，是将主轴颈和曲柄臂合并成一个大圆盘并与曲柄销制成一体构成一个单位曲柄，然后用螺栓连接成整根曲轴。常用于采用滚动轴承的高速柴油机中。
曲柄销与主轴颈采用空心结构，可以减轻曲轴的重量，改善应力集中情况。尤其是采用空心曲柄销还可以减小曲轴的不平衡回转质量和离心力。
轴颈与曲柄臂相连接的过渡圆角处截面急剧变化，成为应力集中最严重、曲轴强度最薄弱的部位。因此，过渡圆角处应采用足够大的过渡圆弧半径和较小的表面粗糙度值，也有的采用对过渡圆角处进行滚压等强化处理。
常用的曲柄臂形状如图2-53、图2-56和图2-57所示。图2-53是套合式曲轴常用的曲柄臂形状。图2-56a）、d）的多角形和圆形曲柄臂易于加工。对曲柄臂肩部斜削也可减小曲轴的质量和离心力。曲柄臂在弯曲时，其抗弯截面模数W=1/6 bh，所以增加曲柄臂厚度h比增大曲臂宽度b对保证曲柄臂抗弯强度更为有效。从增加曲轴强度、刚度和减轻曲轴重量的角度看，图2-56b）、c)所示的椭圆形曲柄臂形状比圆形曲柄臂更为合理。当主轴颈和曲柄销在曲柄上发生重叠时，可使截面变化得到缓和，有利于缓和应力集中和增强曲轴的刚性。平衡重块与曲柄臂的连接方式较多，图 2-53 b）是将平衡重块与曲柄臂浇铸成一体，图2-57是将平衡重块
单独加工，再与曲柄臂连接的几种方式，图中a）的连接螺栓要承受平衡重块的离心力的拉伸作用；图b）、图c）由凸肩承受平衡重块的离心力，因而连接螺栓受力小，工作可靠，但其加工比较麻烦。
多数筒状活塞式柴油机用于润滑曲轴各轴承和冷却活塞的润滑油，是由润滑油总管送入主轴承，再通过曲轴内的油孔送往大端轴承和活塞组。曲轴内油道的形式如图2-58所示。图a）、c）是直角多线油孔，两轴颈上的径向油孔几乎垂直于曲柄平面，处于曲轴在最大燃烧压力作用下弯曲的中性平面；此处也是曲柄销名义扭转剪切应力的最小处，因此，对提高曲轴的疲劳强度有利。图b)是倾斜单线油孔，加工方便，但斜孔在轴承颈表面上形成椭圆孔口，将削弱曲轴的疲劳强度，而且混入润滑油中的杂质会流入曲柄销轴承引起偏磨。图c）利用曲轴内空腔作为润滑油通道，空腔的两端必须进行密封。
图2-59的油孔形式对润滑油有离心净化作用，可防止润滑油中的杂质进入曲柄销轴承。从曲轴强度出发，曲轴油孔应开设在对曲轴强度削弱为最小的部位。从输送足够润滑油的角度，主轴颈上的油孔应开设在轴颈负荷较大的部位，以保证建立起足够高的润滑油压力；曲柄销上的油孔应开设在轴颈负荷较小的部位,以保证有足够的润滑油流量。
油孔在轴颈表面孔口处也是应力集中较严重的部位，应对孔口进行修圆并抛光。
三、曲轴的排列
多缸柴油机曲轴中各曲柄的排列，与柴油机的冲程数、气缸数和发火顺序有关。曲柄排列应考虑以下几点：
1）为了使柴油机输出的扭矩均匀，各缸间的发火间隔角应相等。如果有i只气缸，则单列式柴油机的发火间隔角为： 四冲程柴油机的发火间隔角φ=720°/i二冲程柴油机的发火间隔角φ=360°/i。
以5缸和6缸柴油机为例，四冲程柴油机发火间隔角应为720°/5=144°。和720°/6=120°而二冲程柴油机发火间隔角为360°/5=72°和360°/6=60°如图2-60所示。
由此可以看出，四冲程偶数缸数的单列式柴油机的曲轴，必然出现两个曲柄处于同一方向的情形。而四冲程奇数缸数的和二冲程的单列式柴油机曲轴的每个曲柄则都处在不同的方向上。
2）为了减轻主轴承的负荷，改善曲轴的受力状态，应尽量避免相邻气缸连续发火。例如发火顺序为1—5—3—6—2—4，其相邻各缸都避免了连续发火。
3）柴油机的平衡性好，或者最容易采取平衡措施予以平衡。此外，还应考虑发火顺序对曲轴扭转振动的影响，以及有利于排气系统的布置和制造加工等要求。
在中、小型柴油机中，曲轴的自由端通常装有驱动冷却水泵、润滑油泵等辅助设备的传动齿轮。曲轴飞轮端常装有驱动凸轮轴的“定时”齿轮，以及连接飞轮的法兰或锥形轴段。在中、大型船用主机中，曲轴飞轮端通常还设有推力盘。
为了适应船舶海上运输安全的需要，保证船舶具备安全航行的技术条件，而曲轴又是船舶柴油机中最重要和最昂贵的部件，因此，我国船级社制定的《钢质海船入级与建造规范》（1989年），从强度的观点，对曲轴的材料、尺寸、扭转振动做了一系列规定。船舶柴油机的建造必须遵守这些规定。
四、飞轮
飞轮的主要功用是使柴油机回转角速度趋于均匀，协助柴油机起动，保证柴油机空车运转的稳定性。
柴油机的飞轮通常用铸铁、铸钢或锻钢制成轮缘形结构，使其大部分质量集中在轮缘处，以较小的质量获得尽可能大的转动惯量。根据柴油机的起动和盘车的不同方式，飞轮轮缘上有的装有飞轮齿圈（电动机起动用）或涡轮（电动盘车机用）或制出盘车杠杆孔。飞轮轮缘上还刻有各缸上止点等定时标记，作为定时调整的基准。
www.ap5u.com
页:
[1]