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零件裝配與結構組成 |
圖解柴油機曲軸飛輪組工作原理及結構名稱(chēng) |
摘要：曲軸飛輪組的功用是將活塞連桿組傳來(lái)的力轉變成扭矩，從軸上輸出機械功，同時(shí)驅動(dòng)柴油機各機構及輔助系統，克服非做功沖程的阻力，還可儲存和釋放能量，使柴油機運轉平穩。它主要由皮帶輪、正時(shí)齒輪、飛輪、曲軸、扭轉減震器等組成。曲軸飛輪組在發(fā)動(dòng)機傳動(dòng)系統中起到重要的作用，通過(guò)合理的構造和設計，能夠提供平穩、穩定的轉動(dòng)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(dòng)系統中的重要部件之一，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(dòng)機自身的旋轉慣量，提供穩定的轉動(dòng)能量，并調整機械傳動(dòng)過(guò)程中的不平衡力。
1、平衡旋轉慣量
曲軸飛輪組通過(guò)合理的組合設計，能夠減小發(fā)動(dòng)機內部的振動(dòng)和沖擊，提高整機的平穩性和穩定性。
2、調整不平衡力
曲軸飛輪組可以調整機械傳動(dòng)過(guò)程中的不平衡力，提高機械系統的平衡性，減少額外的振動(dòng)和噪音。
3、穩定動(dòng)力輸出
曲軸能夠提供穩定的轉動(dòng)能量，使發(fā)動(dòng)機在高速運轉時(shí)仍能保持平衡，不會(huì )由于轉速變化而影響動(dòng)力輸出。曲軸安裝示意圖如圖2所示。
4、輔助啟動(dòng)功能
飛輪作為發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)的輔助部件，可以?xún)Υ婺芰?，并通過(guò)啟動(dòng)系統將其傳遞給發(fā)動(dòng)機，提高啟動(dòng)的可靠性和效率。
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圖1 柴油機曲軸飛輪組結構組成示意圖 |
圖2 柴油發(fā)電機曲軸安裝示意圖 |
二、 曲軸結構組成和作用
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變?yōu)榕ぞ剌敵?，以驅?dòng)與其相連的動(dòng)力裝置。此外，它還要驅動(dòng)柴油機本身的配氣機構及各種附件，如噴油泵、水泵和冷卻風(fēng)扇等。
（2）工作條件
曲軸在工作時(shí)，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，因此曲軸內部產(chǎn)生沖擊性的交變應力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉），并易產(chǎn)生扭轉振動(dòng)，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動(dòng)，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(dòng)平衡要好；在使用轉速范圍內不能產(chǎn)生扭轉振動(dòng)。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(lèi)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(diǎn)是：制造方便，成本低；能夠鑄出合理的結構形狀；對扭轉振動(dòng)的阻尼作用優(yōu)于鋼材。
2、曲軸的分類(lèi)
（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(gè)整體。其優(yōu)點(diǎn)是加工方便，便于產(chǎn)品系列化。缺點(diǎn)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(dòng)軸承，噪聲大，難以適應高轉速。
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(diǎn)是結構簡(jiǎn)單緊湊，強度及剛度好，重量輕，成本低。
（2） 按照曲軸主軸頸數目，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(gè)相鄰曲拐之間都設有主軸頸的曲軸，其主軸頸總數比連桿軸頸數多一個(gè)。這種曲軸的優(yōu)點(diǎn)是曲軸的剛度大，主軸承負荷輕。其缺點(diǎn)是柴油機軸向尺寸加長(cháng)。
② 非全支承曲軸的主軸頸總數等于或少于連桿軸頸數，其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，結構簡(jiǎn)單、緊湊。缺點(diǎn)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、曲軸的構造
曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸（曲柄銷(xiāo)）、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(lái)支承曲軸的，曲軸繞主軸頸中心高速旋轉。主軸頸多為實(shí)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(diǎn)是可以減少旋轉重量，從而減少其離心力；同時(shí)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(guò)曲柄臂中的斜油道被壓送至連桿軸頸空腔內，在旋轉離心力的作用下，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，內側干凈的機油通過(guò)油管流到連桿軸頸及軸承摩擦表面。
② 曲柄臂（簡(jiǎn)稱(chēng)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，增加運轉的平穩性。
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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(shí)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(dòng)爪1，另有一些高速柴油機曲軸前端裝有扭轉減振器，還有些工程機械用柴油機的曲軸前端設有動(dòng)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等結構。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(dòng)裝置。后端多裝有飛輪，通過(guò)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(xiāo)間的相互位置（即曲拐的布置）與沖程數、氣缸數、氣缸排列方式和各氣缸做功行程發(fā)生的順序（稱(chēng)為發(fā)火次序或工作順序）有關(guān)。曲軸的形狀要同時(shí)滿(mǎn)足慣性力的平衡和發(fā)動(dòng)機工作平穩性的要求。就四沖程發(fā)動(dòng)機而言，曲軸每轉兩圈（即一個(gè)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(shí)間（以CA表示）應力求均勻。設發(fā)動(dòng)機有i個(gè)氣缸，則發(fā)火間隔應為720°/i℃A，即曲軸每轉720°/i時(shí)，就應有一個(gè)缸做功，這樣才能使發(fā)動(dòng)機工作平穩?，F就常用的4缸、6缸和V形8缸發(fā)動(dòng)機說(shuō)明如下。
① 四沖程直列4缸
發(fā)動(dòng)機因缸數i＝4，所以發(fā)火間隔應為720°/4＝180℃A。4個(gè)曲柄銷(xiāo)布置在同一平面內，1、4缸的曲柄銷(xiāo)朝上時(shí)，2、3缸的朝下，1、4缸與2、3缸相隔180°。這種發(fā)動(dòng)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(zhù)是第3缸做功，依此類(lèi)推。這種發(fā)動(dòng)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(zhù)。
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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣
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540~720
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排氣
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進(jìn)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(guò)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(xiāo)（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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣
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540~720
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排氣
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做功
|
進(jìn)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(guò)，對某一特定的發(fā)動(dòng)機而言，由于發(fā)火次序還與其配氣機構等因素有關(guān)，其發(fā)火次序是確定的，不能隨意變更。使用一臺發(fā)動(dòng)機時(shí)，必須了解其發(fā)火次序。1-3-4-2和1-2-4-3兩種發(fā)火次序在工作平穩性和主軸承負荷方面，沒(méi)有什么區別。但大多數發(fā)動(dòng)機采用前一種，只有少數發(fā)動(dòng)機采用后一種發(fā)火次序。
② 四沖程直列6缸
發(fā)動(dòng)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(gè)曲柄銷(xiāo)分別布置在3個(gè)平面內（每平面內2個(gè)曲柄銷(xiāo)），各平面間互成120°。曲柄銷(xiāo)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(xiāo)朝上時(shí)，則2、5缸的曲柄銷(xiāo)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(jìn)氣
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壓縮
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做功
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進(jìn)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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120~180
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做功
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進(jìn)氣
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|||||
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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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||||
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240~300
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進(jìn)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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|||||
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360~540
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360~420
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做功
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進(jìn)氣
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||||
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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(jìn)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(jìn)氣
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|||||
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660~720
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壓縮
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||||||
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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(shí)際的發(fā)動(dòng)機上沒(méi)有應用，所以在這里就不再講述。曲柄銷(xiāo)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(zhù)火次序是1-4-2-6-3-5，只有少數進(jìn)口柴油機采用這種著(zhù)火次序。
由表3可以看出，按發(fā)火次序看，前后兩個(gè)氣缸的做功行程有60°是重疊的，這種現象是容易理解的。因為各氣缸間做功行程的間隔是120°，而每個(gè)氣缸的做功行程本身都是180°，就必然有前后兩個(gè)氣缸的做功行程有60°的重疊角。在這個(gè)60°中，兩個(gè)氣缸都在做功，前一個(gè)氣缸做功未完，后一個(gè)氣缸做功已經(jīng)開(kāi)始。這種做功行程重疊的現象對發(fā)動(dòng)機工作的平穩性是非常有利的。
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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(xiàn)夾角常取90°），曲柄布置如圖9所示。因其氣缸數i＝8，所以，各缸發(fā)火間隔應為720°/8＝90°CA。通常，這種發(fā)動(dòng)機左右兩列氣缸中相對的一對連桿共裝在一個(gè)曲柄銷(xiāo)上，所以V形8缸機只有4個(gè)曲柄銷(xiāo)。一般情況下，將4個(gè)曲柄銷(xiāo)布置在兩個(gè)互成90°的平面內（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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣
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90~180
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排氣
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做功
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進(jìn)氣
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壓縮
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|||||
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180~360
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180~270
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壓縮
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進(jìn)氣
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排氣
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做功
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||||
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270~360
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進(jìn)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(jìn)氣
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排氣
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450~540
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壓縮
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進(jìn)氣
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做功
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排氣
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|||||
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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(jìn)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(jìn)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(dòng)機運轉平穩。在發(fā)動(dòng)機完成一個(gè)工作循環(huán)的曲軸轉角內，每個(gè)汽缸都應作功一次，對于V型發(fā)動(dòng)機，則左右兩列汽缸應交替作功。對于汽缸數為i的四沖程發(fā)動(dòng)機而言，作功間隔角為720°/i。即曲軸每轉720°/i就應有一個(gè)缸作功，以保證發(fā)動(dòng)機運轉平穩。
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圖9 V型排列八缸發(fā)動(dòng)機的曲拐布置簡(jiǎn)圖 |
圖10 柴油發(fā)電機組V形8缸機的工作循環(huán)過(guò)程 |
三、飛輪的結構組成和作用
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(jìn)氣、壓縮和排氣沖程）的阻力，以保持曲軸旋轉的均勻性，使柴油機運轉平穩。其次，飛輪還具有克服柴油機短期超載的能力。有時(shí)它還可兼作動(dòng)力輸出的帶輪等。
2、結構
柴油發(fā)動(dòng)機的飛輪多用灰鑄鐵制造，當輪邊的圓周速度超過(guò)50m／s時(shí)，則選用強度較高的球墨鑄鐵或鑄鋼。飛輪的結構形狀（如圖11所示）是一個(gè)大圓盤(pán)，輪邊尺寸寬而厚，這在重量一定的條件下，可獲得較大的轉動(dòng)慣量。多缸柴油機的轉矩輸出較均勻，對飛輪的轉動(dòng)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(dòng)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(diǎn)的位置，供檢查氣門(mén)間隙、供油提前角和配氣定時(shí)使用。由于飛輪上刻有記號，飛輪與曲軸的位置，在安裝時(shí)不能隨意錯動(dòng)。
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(dòng)誤差不得大于0.15mm。
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圖11 柴油機飛輪外觀(guān)三維圖 |
圖12 發(fā)動(dòng)機飛輪平面度測量（百分表） |
總結：
曲軸飛輪組作為柴油機傳動(dòng)系統中的重要部件，承擔著(zhù)平衡旋轉慣量、調整不平衡力、提供穩定動(dòng)力輸出和輔助啟動(dòng)等多重作用。它的應用廣泛，并且隨著(zhù)科技的進(jìn)步，曲軸飛輪組也在不斷創(chuàng )新和優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需求。通過(guò)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(dòng)系統的設計和應用提供幫助和指導。不斷推動(dòng)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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