发动机曲轴轴向窜动由主轴承限制

时间：2024-11-04 百科知识版权反馈

【摘要】：曲轴飞轮组主要由曲轴8飞轮18、正时齿轮6，带轮4及曲轴扭转减振器3等组成，图2－29为发动机曲轴飞轮组分解图。曲轴基本上由若干个曲拐单元构成。多数发动机的曲轴，在其曲柄臂上装有平衡重。由单元曲拐组合装配而成的曲轴为组合式曲轴。其优点是抗弯曲能力强，并可以减轻主轴承载荷。但主轴颈多，加工面多，曲轴和机体相应较长。

2．3　曲轴飞轮组

曲轴飞轮组主要由曲轴8（图2－29）飞轮18、正时齿轮6，带轮4及曲轴扭转减振器3等组成，图2－29为发动机曲轴飞轮组分解图。

图2－29　发动机曲轴飞轮组分解图

1－起动爪　2－起动爪锁紧垫圈　3－扭转减振器　4－带轮　5－挡油片　6－正时齿轮　7－滚针轴承半圆键　8－曲轴9－主轴承上、下轴瓦　10－中间主轴承上、下轴瓦　11－止推片　12－螺栓13－直通式压注油杯　14－螺母　15－齿圈　16－圆柱销承　17－第一、六活塞压缩上止点记号用钢球　18－飞轮

2．3．1　曲轴

1．曲轴的功用及工作条件

曲轴的主要功用是将活塞连杆传来的气体压力转变为转矩，然后通过飞轮传递到汽车的底盘传动系；此外还用来驱动发动机的配气机构和水泵、发电机、空调机、风扇等辅助装置。

曲轴工作时，要承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力及扭矩和弯矩的共同作用。为保证工作可靠，要求曲轴具有足够的刚度、强度，各工作表面润滑良好、耐磨，达到较高的动平衡精度要求。

2．曲轴材料

曲轴多采用强度、冲击韧性和耐磨性都比较高的优质中碳钢或铬镍钢（18CrNi5）、铬铝钢（34CrA116）模锻而成，轴颈再经高频淬火或渗氮处理以提高耐磨性。例如，上海桑塔纳轿车发动机曲轴采用优质50中碳钢锻制而成，先正火后半精加工，经中频淬火后再精加工；圆角过渡处不淬火，采用冷滚压强化工艺，以提高疲劳强度。另外，也可以采用稀土球墨铸铁制造曲轴。

3．曲轴构造

曲轴基本上由若干个曲拐单元构成。一个连杆轴颈和左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐（图2－30）。具体由曲轴前端1、平衡重5、连杆轴颈4、主轴颈2、曲柄臂3和曲轴后端6（功率输出端）等组成。曲拐的数目取决于发动机的气缸数目及其排列方式。单缸发动机的曲轴只有一个曲拐，多缸直列式发动机曲轴的曲拐数与气缸数相同，V型发动机和对置式发动机的曲拐数目为气缸数的一半。将若干个单元曲拐按照一定的相位连接起来再加上曲轴前后端便构成一根曲轴。多数发动机的曲轴，在其曲柄臂上装有平衡重。

按单元曲拐连接方法的不同，曲轴分为整体式和组合式两类。

图2－30　曲轴各部位名称

1－曲轴前端　2－主轴颈　3－曲柄臂　4－连杆轴颈

5－平衡重　6－曲轴后端　7－单元曲拐

（1）整体式曲轴（图2－30）。各单元曲拐锻制或铸造成一个整体的曲轴为整体式曲轴。其优点是质量轻、结构简单，加工面少，工作可靠，中小型发动机常采用。

（2）组合式曲轴（图2－31）。由单元曲拐组合装配而成的曲轴为组合式曲轴。其优点是单元曲拐便于制造，即使是大型曲轴也无需大型专用制造设备，另外，单元曲拐如果加工超差或使用中损坏可以更换，而不必将整根曲轴报废。缺点，组合式曲轴结构复杂，拆装不便。

按曲轴主轴颈的数目，可以把曲轴分为全支承曲轴及非全支承曲轴：

（1）全支承曲轴。在相邻两曲拐间都设置一个主轴颈的曲轴称为全支承曲轴。其优点是抗弯曲能力强，并可以减轻主轴承载荷。但主轴颈多，加工面多，曲轴和机体相应较长。在直列式发动机中，全支承曲轴的主轴颈数比气缸数多一个。V型发动机全支承曲轴的主轴颈数比气缸数的一半多一个。现在的汽车发动机多采用全支承整体式曲轴。

图2－31　组合式曲轴

1，3—滚子轴承　2—连接螺栓　4—曲柄　5—定位螺栓

（2）非全支承曲轴。主轴颈数少于全支承曲轴的为非全支承曲轴，其优缺点恰好与全支承曲轴相反。

为减小质量和离心力，有时将连杆轴颈做成空心的。在主轴颈、连杆轴颈和轴承上都钻有径向油孔，通过斜向油道相连以使润滑油进入主轴颈和连杆轴颈的工作表面。当连杆轴颈上的油孔与连杆大头上的油孔对准时，润滑油可从中喷出，对配气机构和气缸壁进行飞溅润滑（如图2－32）。

图2－32　曲轴油道

1－连杆轴颈　2－曲柄　3－连杆轴颈　4－圆角　5－积污腔　6－吸油管

7－单元曲拐开口销　8－螺栓　9－油道　10－挡油盘　11－回油螺纹　12－后端凸缘

在连杆轴颈和轴承（瓦）上的径向油孔内，有时插入一吸油管（图2－33），管口位于油腔中心。曲轴旋转时，润滑油中的机械杂质因离心作用而甩向油腔壁，油腔中心的清洁机油就经吸油管流到连杆轴颈工作表面。

图2－33　空心曲柄销中吸油管示意图

1－连杆轴颈　2－吸油管

平衡重有的与曲轴制成一体（图2－31），有的单独制成后再用螺栓固定在曲轴上，称为装配式平衡重（图2－34）。有些刚度较大的全支承曲轴也可不设平衡重。曲轴都须经动平衡试验，对不平衡的曲轴常在其偏重的一侧钻去一些质量。

图2－34　装配平衡重的曲轴

1—曲柄　2—紧固螺钉　3—平衡重　4—紧固螺钉焊缝

平衡重用来平衡曲轴的离心力及离心力矩，有时也平衡一部分活塞连杆组的往复惯性力及离心力矩，使发动机运转平稳，并减小曲轴主轴承（瓦）的负荷。对四缸、六缸等直列多缸发动机，因曲拐对称布置，就整机而言其惯性力、离心力及其所产生的力矩是平衡的，但曲轴局部却受弯矩作用〔图2－35（a）〕。

图2－35　曲轴平衡重作用示意图

F₁、F₂、F₃、F₄—曲拐和活塞连杆组的惯性力　　　F₁、F₂、F₃、F₄—平衡重的离心力

图中惯性力F₁、F₄与F₂、F₃相平衡，力矩M1－2与M3－4相平衡，但M1－2与M3－4对曲轴产生弯曲载荷。因此，通常在曲柄的相反方向设置平衡重，使其产生的力矩与对应的惯性力矩相平衡〔图2－35（b）〕。

曲轴前端是第一道主轴颈之前的部分，装有驱动其他装置的零件（正时齿轮或正时链轮4、带轮7）及起动爪8、止推垫片3及扭转减振器等（图2－36）。

曲轴后端是最后一道主轴颈之后的部分，最后端的曲轴凸缘盘6与飞轮通过螺栓、螺母装配连接（图2－37）。

图2－36　曲轴前端的结构　

1，2—滑动推力轴承　3—止推垫片　　

4—正时齿轮或正时链轮　5—甩油盘

6—油封　7—带轮　8－起动爪

图2－37　曲轴后端的结构

1—轴承座（气缸体）　2—甩油盘

3—回油螺纹　4—飞轮　5—飞轮螺栓、螺母

6—曲轴凸缘盘　7—油封　8—轴承盖

曲轴前、后端都伸出曲轴箱，为防止润滑油漏失，都设有防漏装置。常用的有甩油盘、油封、自紧油封和回油螺纹等。一般发动机都采用复合式防漏结构，由甩油盘与其他一至二种防漏装置组成。如图2－36所示，在曲轴前端的甩油盘5随曲轴旋转，当被齿轮挤出和甩出的润滑油落到甩油盘上面时，因离心力的作用，润滑油被甩到齿轮盖室的壁面上，沿壁面流回油底壳中。即使有少量润滑油落到甩油盘前面的曲轴轴段上，也被压配在齿轮室盖上的油封6挡住，从甩油盘与油封的装配间隙中落到齿轮盖室下面，流回油底壳；曲轴后端通常加工出回油螺纹或其他封油装置，回油螺纹一般是矩形或梯形，为右旋螺纹。

曲轴轴承（瓦）按其承载方向可分为径向轴承和轴向（推力）轴承两种。

径向轴承用于支承曲轴，通常是剖分式的滑动轴承（图2－38），轴承底座是在气缸体的曲轴箱部分直接加工出来，再由轴承盖、螺栓共同将滑动轴承进行径向定位、紧固。

图2－38　曲轴滑动轴承（瓦）

推力轴承承受离合器传来的轴向力，用来限制曲轴的轴向窜动，保证曲柄连杆机构各零件正确的相对位置。在曲轴受热膨胀时，应允许其能自由伸缩，因此曲轴只能有一处设置轴向定位装置。曲轴轴承还可将径向轴承与推力轴承合二为一制成翻边轴承（图2－39）。

图2－39　多层推力轴承

1—凸肩　2—油槽　3—钢质薄壁　4—基层

5—镍涂层　6—磨耗层　7—油孔　8—卷边

曲轴的形状和各曲拐的相对位置，取决于气缸数、气缸排列方式和各缸的做功顺序（即点火次序））。设计各缸工作顺序的原则是：发动机每完成一个工作循环，各缸都应做功一次，并且各缸的做功间隔尽量均衡；对于缸数为i的四冲程发动机而言，其做功间隔为720°／i；应使连续做功的两缸相距尽可能远，以降低主轴承的负荷，同时要避免相邻两缸进气门同时开启而影响充气；V型发动机左右两排气缸尽量交替做功。

多缸发动机的曲拐布置如下：

（1）直列四缸四冲程发动机做功间隔角为720°／4＝180°。采用全支承曲轴时（图2－40），其四个曲拐布置在同一平面内，具有良好的平衡性。点火顺序有两种方式，即1－3－4－2或1－2－4－3。若以第一种为例，则其工作循环如表2－1所示。

图2－40　直列四缸发动机曲拐布置

图2－41　直列六缸发动机的曲拐布置

表2－1　直列四缸机工作循环表（点火顺序：1－3－4－2）

表2－2直列六缸机工作循环表（点火顺序：1－5－3－6－2－4）

（2）直列六缸四冲程发动机发火间隔角为720°／6＝120°，曲拐均匀布置在互成120°的三个平面内。国产汽车的六缸发动机常用的点火顺序为1－5－3－6－2－4，其曲拐布置见图2－41（a），工作循环如表2－2所示，这时发动机的前半部气缸与后半部气缸的做功行程是交替进行的；对应图2－41（b）所示曲轴的曲拐布置，其点火顺序为1－4－2－6－3－5，性能与前一种没有差别，日本车常用此种结构。

2．3．2　曲轴扭转减振器

在发动机的工作过程中，连杆作用于曲轴上的力呈周期性变化，从而使质量较小的曲拐相对于质量较大的飞轮发生扭转摆动，造成曲轴的扭转振动。当曲轴固有频率与连杆传来的呈周期性变化的激振力频率成整倍数关系时，曲轴就会发生共振，从而引起功率损失，曲轴扭转变形甚至断裂，正时齿轮或链条磨损严重、产生冲击噪声等后果。为此，有些发动机（特别是那些曲轴刚度较小、旋转质量大、缸数多及转速高的发动机）在曲轴前端都装配有曲轴扭转减振器。

汽车发动机常用的曲轴扭转减振器为摩擦式扭转减振器，主要包括橡胶式扭转减振器及硅油式扭转减振器两类。

在橡胶式扭转减振器中（图2－42），减振器圆盘3用螺栓与带轮盘6及带轮毅2紧固在一起，减振器圆盘和惯性盘5都同橡胶垫4硫化粘接在一起。当曲轴发生扭转振动时减振器圆盘就同频率振动，而惯性盘（相当于小飞轮）瞬时角速度均匀，所以二者之间产生角振动，共同的作用使橡胶垫的橡胶层发生内摩擦，从而消耗扭转振动的能量、减小振幅，达到减振的效果。天津夏利、上海桑塔纳、一汽奥迪100型轿车发动机的曲轴上都装有此类减振器。

图2－43所示为四缸发动机所采用的橡胶摩擦式扭转减振器，它与曲轴带轮装配在一起。减振器结构由外圈、橡胶层、内圈三部分组成（图2－43），带轮4，6外面为外圈，里面是橡胶层，带轮固定盘3即为内圈）。曲轴旋转时，内圈通过弹性橡胶层带动外圈一起转动。当曲轴发生扭转时，外圈因惯量大角速度均匀，于是橡胶层产生很大的交变剪切变形，消耗了扭转能量，减少了扭振。