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零件裝配與結(jié)構(gòu)組成 |
圖解柴油機曲軸飛輪組工作原理及結(jié)構(gòu)名稱 |
摘要：曲軸飛輪組的功用是將活塞連桿組傳來的力轉(zhuǎn)變成扭矩，從軸上輸出機械功，同時驅(qū)動柴油機各機構(gòu)及輔助系統(tǒng)，克服非做功沖程的阻力，還可儲存和釋放能量，使柴油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。它主要由皮帶輪、正時齒輪、飛輪、曲軸、扭轉(zhuǎn)減震器等組成。曲軸飛輪組在發(fā)動機傳動系統(tǒng)中起到重要的作用，通過合理的構(gòu)造和設計，能夠提供平穩(wěn)、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動能量，保證整機的正常運行。因此，它的存在使柴油發(fā)電機組具備更好的性能和可靠性。
一、曲軸飛輪組的作用
曲軸飛輪組是機械傳動系統(tǒng)中的重要部件之一，由曲軸和飛輪兩部分組成，如圖1所示。它的主要作用是平衡發(fā)動機自身的旋轉(zhuǎn)慣量，提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動能量，并調(diào)整機械傳動過程中的不平衡力。
1、平衡旋轉(zhuǎn)慣量
曲軸飛輪組通過合理的組合設計，能夠減小發(fā)動機內(nèi)部的振動和沖擊，提高整機的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。
2、調(diào)整不平衡力
曲軸飛輪組可以調(diào)整機械傳動過程中的不平衡力，提高機械系統(tǒng)的平衡性，減少額外的振動和噪音。
3、穩(wěn)定動力輸出
曲軸能夠提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動能量，使發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)時仍能保持平衡，不會由于轉(zhuǎn)速變化而影響動力輸出。曲軸安裝示意圖如圖2所示。
4、輔助啟動功能
飛輪作為發(fā)動機啟動的輔助部件，可以儲存能量，并通過啟動系統(tǒng)將其傳遞給發(fā)動機，提高啟動的可靠性和效率。
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圖1 柴油機曲軸飛輪組結(jié)構(gòu)組成示意圖 |
圖2 柴油發(fā)電機曲軸安裝示意圖 |
二、 曲軸結(jié)構(gòu)組成和作用
1、曲軸的功用、工作條件及制造方法
（1）作用
曲軸的功用是將氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ剌敵觯则?qū)動與其相連的動力裝置。此外，它還要驅(qū)動柴油機本身的配氣機構(gòu)及各種附件，如噴油泵、水泵和冷卻風扇等。
（2）工作條件
曲軸在工作時，由于承受很高的氣體力、往復慣性力、離心力及其力矩的作用，因此曲軸內(nèi)部產(chǎn)生沖擊性的交變應力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)），并易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，從而引起曲軸的疲勞破壞。另外由于各軸頸在很高的壓力下做高速轉(zhuǎn)動，使軸頸與軸承磨損嚴重，所以，對曲軸的要求是：耐疲勞，耐沖擊；有足夠的強度和剛度；軸頸表面的耐磨性好并經(jīng)常保持良好的潤滑狀態(tài)；靜平衡與動平衡要好；在使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。安裝固定可靠并加以軸向定位或限制軸向位移。
（3）制造
曲軸毛坯制造采用鑄造和鍛造兩種方法。鍛造曲軸主要用于強化程度高的柴油機，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鋼）制造。鑄造曲軸廣泛應用于中小功率柴油機，通常采用高強度球墨鑄鐵鑄造，其優(yōu)點是：制造方便，成本低；能夠鑄出合理的結(jié)構(gòu)形狀；對扭轉(zhuǎn)振動的阻尼作用優(yōu)于鋼材。
2、曲軸的分類
（1）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。其優(yōu)點是加工方便，便于產(chǎn)品系列化。缺點是拆裝不方便，組裝質(zhì)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(zhuǎn)速。
② 整體式曲軸如圖3所示，即曲軸的各組成部分鑄（或鍛）造在一根曲軸毛坯上。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，強度及剛度好，重量輕，成本低。
（2） 按照曲軸主軸頸數(shù)目，可分為全支承曲軸和非全支承曲軸兩種。
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(shù)比連桿軸頸數(shù)多一個。這種曲軸的優(yōu)點是曲軸的剛度大，主軸承負荷輕。其缺點是柴油機軸向尺寸加長。
② 非全支承曲軸的主軸頸總數(shù)等于或少于連桿軸頸數(shù)，其優(yōu)點是尺寸小，結(jié)構(gòu)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機。
3、曲軸的構(gòu)造
曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸（曲柄銷）、曲柄臂、平衡重（并非所有曲軸都有）、前端（自由端）和后端（功率輸出端）等組成。
① 主軸頸與連桿軸頸
柴油機的主軸頸與連桿軸頸都是尺寸精度較高和粗糙度較低的圓柱體，它們以較大的圓弧半徑與曲柄臂相連接。主軸頸是用來支承曲軸的，曲軸繞主軸頸中心高速旋轉(zhuǎn)。主軸頸多為實心的，而球墨鑄鐵的曲軸主軸頸與連桿軸頸大多是空心的，其優(yōu)點是可以減少旋轉(zhuǎn)重量，從而減少其離心力；同時可作為潤滑油離心濾清的空腔。主軸頸與連桿軸頸采用壓力潤滑，潤滑油通過曲柄臂中的斜油道被壓送至連桿軸頸空腔內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，將機油中密度大的金屬磨屑及其他雜質(zhì)甩向空腔的外壁，內(nèi)側(cè)干凈的機油通過油管流到連桿軸頸及軸承摩擦表面。
② 曲柄臂（簡稱曲柄）
曲柄臂的作用是連接主軸頸與連桿軸頸，通常制成橢圓形或圓形，其厚度與寬度應使曲軸有足夠的剛度和強度。
③ 平衡重
如圖4所示，平衡重通常設在與連桿軸頸相對的一側(cè)曲柄臂上，其形狀多為扇形。平衡重的作用是平衡連桿軸頸及曲柄臂的重量、離心力及其力矩，以減輕主軸承的載荷，增加運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。
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圖3 柴油發(fā)電機組整體式曲軸 |
圖4 柴油發(fā)電機組曲軸曲柄上的平衡重 |
④ 曲軸前端
曲軸前端制成有臺肩的圓柱形，如圖5所示。其上分別裝有正時齒輪7、擋油圈6、油封5、帶輪2和止推片8等零件。有些中小功率柴油機曲軸前端設有啟動爪1，另有一些高速柴油機曲軸前端裝有扭轉(zhuǎn)減振器，還有些工程機械用柴油機的曲軸前端設有動力輸出裝置。
⑤ 曲軸后端
如圖6所示，一般曲軸后端設有油封6、回油螺槽7、后凸緣8等結(jié)構(gòu)。曲軸后端的尾部伸出機體外，以便將柴油機的功率輸送給配套機具的傳動裝置。后端多裝有飛輪，通過花鍵或凸緣與其相配，然后用螺栓固緊。由于飛輪尺寸大而重，因此對螺栓的緊固有一定的要求。
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圖5 柴油發(fā)電機組曲軸曲軸前端 |
圖6 柴油發(fā)電機組曲軸曲軸后端 |
4、曲軸的形狀和發(fā)火次序
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(shù)、氣缸數(shù)、氣缸排列方式和各氣缸做功行程發(fā)生的順序（稱為發(fā)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(fā)動機工作平穩(wěn)性的要求。就四沖程發(fā)動機而言，曲軸每轉(zhuǎn)兩圈（即一個工作循環(huán)），每缸都應發(fā)火做功一次。各缸的發(fā)火間隔時間（以CA表示）應力求均勻。設發(fā)動機有i個氣缸，則發(fā)火間隔應為720°/i℃A，即曲軸每轉(zhuǎn)720°/i時，就應有一個缸做功，這樣才能使發(fā)動機工作平穩(wěn)?，F(xiàn)就常用的4缸、6缸和V形8缸發(fā)動機說明如下。
① 四沖程直列4缸
發(fā)動機因缸數(shù)i＝4，所以發(fā)火間隔應為720°/4＝180℃A。4個曲柄銷布置在同一平面內(nèi)，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°。這種發(fā)動機可能采用的一種發(fā)火次序如表1所示。如表1所示的發(fā)火次序為1-3-4-2，我們習慣上以第1缸為準，1缸做功后接著是第3缸做功，依此類推。這種發(fā)動機的各缸就是按照1-3-4-2的順序循環(huán)，周而復始地工作著。
表1 4缸機工作循環(huán)（發(fā)火次序1-3-4-2）
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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0~180
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進氣
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壓縮
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排氣
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做功
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180~360
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壓縮
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做功
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進氣
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排氣
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360~540
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做功
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排氣
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壓縮
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進氣
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540~720
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排氣
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進氣
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做功
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壓縮
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如果將上述的2、3缸工作過程互換，則可得到表2所示的另一種發(fā)火次序。這種互換之所以可能，是因為2、3缸的曲柄銷（連桿軸頸）以及活塞的位置是相同的。這樣就得到另一種發(fā)火次序：1-2-4-3。
表2 4缸機工作循環(huán)（發(fā)火次序1-2-4-3）
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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0~180
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進氣
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排氣
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壓縮
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做功
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180~360
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壓縮
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進氣
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做功
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排氣
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360~540
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做功
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壓縮
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排氣
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進氣
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540~720
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排氣
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做功
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進氣
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壓縮
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因此，圖7所示的4缸機可能采用兩種發(fā)火次序：1-3-4-2和1-2-4-3。不過，對某一特定的發(fā)動機而言，由于發(fā)火次序還與其配氣機構(gòu)等因素有關，其發(fā)火次序是確定的，不能隨意變更。使用一臺發(fā)動機時，必須了解其發(fā)火次序。1-3-4-2和1-2-4-3兩種發(fā)火次序在工作平穩(wěn)性和主軸承負荷方面，沒有什么區(qū)別。但大多數(shù)發(fā)動機采用前一種，只有少數(shù)發(fā)動機采用后一種發(fā)火次序。
② 四沖程直列6缸
發(fā)動機的發(fā)火間隔應為720°/6＝120°CA，其曲軸形狀如圖6所示。6個曲柄銷分別布置在3個平面內(nèi)（每平面內(nèi)2個曲柄銷），各平面間互成120°。曲柄銷的具體布置可有兩種方式。第一種方式如圖8所示，當1、6缸的曲柄銷朝上時，則2、5缸的曲柄銷朝左，3、4缸的朝右，其發(fā)火次序是1-5-3-6-2-4，如表3所示。我國絕大多數(shù)6缸機都采用這種曲軸和發(fā)火次序。
表3 6缸機工作循環(huán)（發(fā)火次序1-5-3-6-2-4）
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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5缸
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6缸
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0~180
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0~60
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進氣
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壓縮
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做功
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進氣
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排氣
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做功
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60~120
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排氣
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壓縮
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|||||
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120~180
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做功
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進氣
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180~360
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180~240
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壓縮
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排氣
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240~300
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進氣
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做功
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|||||
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300~360
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排氣
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壓縮
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360~540
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360~420
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做功
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進氣
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420~480
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壓縮
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排氣
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|||||
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480~540
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進氣
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做功
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|||||
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540~720
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540~600
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排氣
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壓縮
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600~660
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做功
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進氣
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660~720
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壓縮
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排氣
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當然，上述兩種6缸機的曲軸還可能采用其他的發(fā)火次序，但是，在實際的發(fā)動機上沒有應用，所以在這里就不再講述。曲柄銷的另一種布置形式是將上述第一種方式的2、5缸分別與3、4缸互換。這種方式的著火次序是1-4-2-6-3-5，只有少數(shù)進口柴油機采用這種著火次序。
由表3可以看出，按發(fā)火次序看，前后兩個氣缸的做功行程有60°是重疊的，這種現(xiàn)象是容易理解的。因為各氣缸間做功行程的間隔是120°，而每個氣缸的做功行程本身都是180°，就必然有前后兩個氣缸的做功行程有60°的重疊角。在這個60°中，兩個氣缸都在做功，前一個氣缸做功未完，后一個氣缸做功已經(jīng)開始。這種做功行程重疊的現(xiàn)象對發(fā)動機工作的平穩(wěn)性是非常有利的。
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圖7 柴油發(fā)電機組直列4缸的曲拐布置 |
圖8 柴油發(fā)電機組直列6缸的曲拐布置. |
③ 四沖程V形8缸機。
四沖程8缸機大多將氣缸排列成雙列V形（兩列氣缸的中心線夾角常取90°），曲柄布置如圖9所示。因其氣缸數(shù)i＝8，所以，各缸發(fā)火間隔應為720°/8＝90°CA。通常，這種發(fā)動機左右兩列氣缸中相對的一對連桿共裝在一個曲柄銷上，所以V形8缸機只有4個曲柄銷。一般情況下，將4個曲柄銷布置在兩個互成90°的平面內(nèi)（如圖10所示）。V形8缸機常用的發(fā)火次序為1-5-4-2-6-3-7-8，工作循環(huán)進行的情況如表4所示。
表4 V形8缸機的工作循環(huán)
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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5缸
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6缸
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7缸
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8缸
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0~180
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0~90
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進氣
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做功
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壓縮
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排氣
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排氣
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做功
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壓縮
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進氣
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90~180
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排氣
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做功
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進氣
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壓縮
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180~360
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180~270
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壓縮
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進氣
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排氣
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做功
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270~360
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進氣
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排氣
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壓縮
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做功
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|||||
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360~540
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360~450
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做功
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壓縮
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進氣
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排氣
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450~540
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壓縮
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進氣
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做功
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排氣
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540~720
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540~630
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排氣
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做功
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壓縮
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進氣
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630~720
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做功
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壓縮
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排氣
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進氣
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曲柄布置原則是各汽缸的作功間隔角應該相等，以利于發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在發(fā)動機完成一個工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，每個汽缸都應作功一次，對于V型發(fā)動機，則左右兩列汽缸應交替作功。對于汽缸數(shù)為i的四沖程發(fā)動機而言，作功間隔角為720°/i。即曲軸每轉(zhuǎn)720°/i就應有一個缸作功，以保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
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圖9 V型排列八缸發(fā)動機的曲拐布置簡圖 |
圖10 柴油發(fā)電機組V形8缸機的工作循環(huán)過程 |
三、飛輪的結(jié)構(gòu)組成和作用
1、作用
柴油機飛輪的主要功用是存儲做功沖程產(chǎn)生的能量，克服輔助沖程（進氣、壓縮和排氣沖程）的阻力，以保持曲軸旋轉(zhuǎn)的均勻性，使柴油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。其次，飛輪還具有克服柴油機短期超載的能力。有時它還可兼作動力輸出的帶輪等。
2、結(jié)構(gòu)
柴油發(fā)動機的飛輪多用灰鑄鐵制造，當輪邊的圓周速度超過50m／s時，則選用強度較高的球墨鑄鐵或鑄鋼。飛輪的結(jié)構(gòu)形狀（如圖11所示）是一個大圓盤，輪邊尺寸寬而厚，這在重量一定的條件下，可獲得較大的轉(zhuǎn)動慣量。多缸柴油機的轉(zhuǎn)矩輸出較均勻，對飛輪的轉(zhuǎn)動慣量要求較小，因此飛輪的尺寸小些。相反，單缸機飛輪相應做得大些。通常在飛輪的外圓上裝有啟動齒圈，并在外圓上刻有記號或鉆有小孔，用以指示某一缸（通常為第1缸）在上止點的位置，供檢查氣門間隙、供油提前角和配氣定時使用。由于飛輪上刻有記號，飛輪與曲軸的位置，在安裝時不能隨意錯動。
3、飛輪的檢測
首先檢查飛輪外齒圈，其次飛輪工作平面的平面度誤差不得大于0.10mm，測量方法如圖12所示。飛輪厚度極限減薄量為1mm，與曲軸裝配后的端面圓跳動誤差不得大于0.15mm。
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圖11 柴油機飛輪外觀三維圖 |
圖12 發(fā)動機飛輪平面度測量（百分表） |
總結(jié)：
曲軸飛輪組作為柴油機傳動系統(tǒng)中的重要部件，承擔著平衡旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)整不平衡力、提供穩(wěn)定動力輸出和輔助啟動等多重作用。它的應用廣泛，并且隨著科技的進步，曲軸飛輪組也在不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，以滿足不同領域的需求。通過對曲軸飛輪組的深入了解，我們可以更好地理解其重要性和作用，為機械傳動系統(tǒng)的設計和應用提供幫助和指導。不斷推動曲軸飛輪組技術(shù)的發(fā)展，將為柴油發(fā)電機行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。
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