主轴的类别、功能、零件构造图和工作要素

　　      曲轴的作用是将气体压力转变为功率输出，以驱动与其相连的动力装置。此外，它还要驱动柴油发电机本身的配气机构及各种附件，如燃油泵、水泵和冷却风扇等。

　　      主轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动品质的惯性力以及它们的力矩(功率和弯矩)共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。实践局理论表明，对于各种曲轴，弯曲载荷具有决定性意义，而扭转载荷仅占次要地位(不包括因扭转震动而发生的扭转疲劳破坏， 因为目前多缸发电机主轴普遍采取减振途径，这种状况很少产生)。曲轴破坏的统计剖析表明， 80％左右是由弯曲疲劳产生的。因此， 曲轴构造强度研究的重点是弯曲疲劳强度。

　　      曲轴形状复杂、应力集中现状相当严重，特别在曲柄至轴颈的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现状尤为突出。疲劳裂痕的发源地几乎全部产生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处。弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45°折断曲柄；扭转疲劳破坏一般是从机械加工不好的油孔边缘开始，约成45°折断曲柄。于是在设计主轴时要使它具有足够的疲劳强度，特别要注意强化应力集中部位，设法缓和应力集中情形，也就是采取局部强化的程序来排查曲轴强度不足的矛盾。’

　　      主轴各轴颈在很高的比压下， 以很大的相对速度在轴承中产生滑动摩擦。这些轴承杯实际变工况运行条件下并不总能保证液体恩德，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面道到强烈的磨料损伤，使得曲轴的实际使用年限大大降低。所以，·规划曲铀时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的作业因素。

　　      曲轴是曲柄连杆装置中的中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不足， 就会大大恶化活塞、连秤、轴承等重要零件的工作因素，危害它们的作业可靠性和耐磨性， 甚至使曲轴箱局部故障。主轴扭转刚度不足则可能在工作速度范围内产生强烈的扭转震动：轻则致使噪声，加载曲轴上齿轮等传动件的磨损；重则使主轴断裂。故而，了没计主轴时。应保证它有尽可能高的弯曲刚度和钮转刚度。／ 所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都该当在轻的组成重量下实现。同时．随着内燃机的不断发展，各项指标的强化， 主轴的结构也应留有发展的余地。

　　      不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要点之间是存在矛盾的。例如，为了提升主轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径，对轴承工作而言，可以减小轴承比压，但高转速下轴承圆周转速变大，从而致使摩擦功率损失增加，轴承温度升高，减少了轴承工作的可靠性。此外， 曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷加大。这时，可能致使来用斜切口连杆的必要，·而这种连杆刚性较差，而且制造成本过高。曲柄销加大带来的主轴连杆装置旋转品质的加大，可能使刚度对扭振带来的好处得而复失。正是这些内在的矛盾推动着曲轴规划的发展，而在主轴强度矛盾的总体中，应力集中处的最大应力与该力用途点的材料抗力的矛盾是它的详细矛盾。危害这个主要矛盾的详细要素有： 主轴的结构、材料和加工工艺等三方面，这三种要素各自有独立的作用，相互又有危害，必须辩证地进行分析，在布置曲轴时陕西康明斯发电机，不应只注重结构尺寸的布置一个方面。

　　      由于主轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在布置曲轴时，至今还没有一个能完全反映客现实际的理论公式可供通用。因此， 目前曲轴的布置主要是依靠经验规划，即利用许多现有的主轴构成与尺寸的统计资料，借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的布置、强度复核、主轴样品试验，最后确定主轴的组成、尺寸与加工工艺等。

　　      锻造曲轴主要用于强化程度高的柴油发电机，这类曲轴通常选用强度极限和屈服极限过高的合金钢（如40Cr、35CrMo等）或中碳钢（如45号钢）制造。

　　      在构造规划和加工工艺正确合理的要素下，详细是材料强度决定着主轴的体积、净重和寿命。因此，必须根据内燃机的用途及强化程度，准确地选购主轴材料。在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。以铸代银，以铁代钢。作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要点有高度的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。同时也要使主轴的加工容易和造价低廉郑州康明斯发电机。钢制曲轴除极少数应用铸钢以外，绝大多数选择锻造。锻造曲铀的材料有碳素钢和合金钢。

　　      碳素钢的弹性模数与合金钢相近，在刚度方面两种材料的主轴并无多大区别。合全钢的强度虽比碳素钢高，但对缺口的敏感性很强，因而对机械加工要点严格。无论在材料价格还是生产费用上碳素钢都要便宜得多，所以在单缸内燃机这一类强化程度不过高的中高速内燃机上，广泛采用中碳钢45模锻主轴。模锻主轴的自由表面(如曲柄表面)——般不进行机械加工，这使加工工艺简化。但曲铀于锻造后应进行第——次热解决(退火或正火)，其目的是消除金属中的内应力和减少硬度以便于杉I‘械加工。庄精磨前应进行第二次热消除(调质)以改善钢的机械性能并提升轴颈表面硬度。对轴颈表面、回角和油孔边缘均应抛光， 以提高曲轴的疲劳强度。领先的持续纤维挤压锻造曲轴的出；现，使强度较自由锻提高20％。

　　      铸造曲轴广泛应用于中小功率柴油发电机，一般选择高强度球墨铸铁铸造，其优占：过方，成本低；能够铸出合理的结构形状；对扭转振动的阻尼功用优于钢材。

　　      由于主轴模锻装备十分庞大，一直想用铸造主轴代替锻造曲轴，而且锻造又大又费材料和加工工时，于是长久以来人们高强度球墨铸铁的出现为铸造主轴的广泛选用提供了前提。

　　    球墨铸铁就其机械性能和使用性能而言(除减振性外)，比其它多种铸铁都要好。通过加入合金元素、热处置及表面强化等途径，球铁性能的提升也比其它铸铁曲铀要大的多。结合我国有丰富的稀土金属资源的优点，铸造曲铀普遍选取稀土镁合金球墨铸铁。

　　    球墨铸铁材料经正火清除后的机械性能已接近或超过一般中碳钢。但延伸率、冲击韧性、弹性模数以及材料本身的疲劳强度偏低，综合机械性能仍低于中碳钢。因此，在构成上球铁曲轴有较粗的轴颈和较厚的曲柄，并选择全支承曲轴(支承数比曲拐数多，以补偿抗弯刚度之不足。就光滑试样而言，45钢的疲劳强度要比球铁高得多。但实际曲轴上总是有油孔、困角和材质上的弊端，这些地方易形成应力集中，减少了主轴的疲劳强度。而球铁曲轴可以铸成复杂的合理的构造形状，使其应力分布均匀，金属材料更高效地利用，加上球铁材料对断面缺口的敏感性小，使得球铁主轴的实际弯曲疲劳强度与正火中碳铜相近。而且球铁曲轴承受20—30％超负荷的能力要比钢好，因45钢轴颈是经较高频淬火的，表面上分布有大小不等的裂痕，  由于超过疲劳极限应力的超负荷多次循环造成裂纹的迅速发展以致主轴断裂。而应力在疲劳极限以下很少产生断裂。因此，超负荷特性的好坏对主轴的实际承载能力具有很大的意义。

　　      主轴按各构成部分的连接状况，可分为组合式主轴和整体式主轴两种。

　　      即将曲轴分成若干部分，分别制造与加工，然后组装成一个整体。单元体的不同，又可分为全组合式主轴与半组合式曲轴。

　　      大功率柴油发电机和小型二冲程发电机上常采取这种组合式结构的曲轴。因为大功率柴油发电机的主轴粗而长，选取整体式构成则加工困难，有的甚至不可能。这么大的主轴，因为受到设备的限制不能制成整体式，只得采取组合式组成。小型单缸二冲程发电机围结构与润滑装置的简化，连杆轴承通常选择滚针(柱)轴承，这时把连杆大头做成整体式，其曲拐必须选取可分开的组合结构才能进行装配景德康明斯发电机。在中型高速内燃机上，这种组合式主轴用的不多。

　　      其优点是加工方便，便于产品系列化。弊端是拆除不方便，组装质量不易保证，毛重大，成本高，采取滚动轴承，噪声大，难以适应高转速。

　　      此外，还有一种盘形组合主轴，它的构造特点是选择球墨铸铁作主轴材料，把圆盘形曲柄兼作曲轴颈，采取滚动轴承作为主轴承。把单位曲拐制成后用螺栓紧固联成一根曲轴。功率的传递详细依靠结合面之间的摩擦力。这种曲铀的具体优势是曲柄兼作主轴颈，可使缸心距缩短，柴油发电机的总长度减轻；可适当增加曲柄销宽度，改善连杆大头轴承的作业条件，利于发展v型并联连杆系列产品：因主轴颈很大，使轴颈重迭度增加很多，因而曲轴刚度大， 自振频率高，扭振应力小； 因为各缸单位曲拐构成相同，用几个相同的曲拐就可以安装成不一样缸数的主轴，这就简化了主轴的生产，有利于产品系列化；而且，在操作中任何一个曲拐有缺陷或损坏时，可以单独更换，不必将整根主轴报废；采用滚动轴承摩擦损失小，机械效率高，寿命较长，在非增压柴油发电机上它的寿命可达15000小时。

　　      圆盘形组合主轴的缺点是滚动轴承的选择要消耗大量合金钢材，成本约贵九倍。而且滚动轴承比滑动轴承要重得多，噪声大，拆卸也不方便；这种曲轴要求隧道式机体，虽然机体的刚性较好，但比通常缸体要重；构成复杂，有很多结合面，只有在高的制造精度的前提下，才能保证安装后主轴的积累误差仍在正常规定范围内。

　　      即曲轴的各结构部分铸（或锻）造在一根主轴毛坯上。整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根饲料锻造或用铸造步骤浇铸出来。

　　    整体式曲轴具有工作可靠、毛重轻的特征，而且刚度和强度过高，加工表面也比较少，是中小型发电机主轴广为运用的结构型式。只要工厂有要素制造。规划上总是尽量选择整体结构。但是，当曲轴尺寸较大，  曲拐数较多时，这种主轴的加工比较困难，需要用大的专用设备，而且某一部分因加工不合格或操作中损坏时，整根曲轴便要报废。

　　    整体式曲轴通常与滑动轴承相配合。但是，单缸发电机的整体式曲轴却往往与滚动轴承配合，借以提升机械效率和减轻对轴承的润滑要求。

　　      按照主轴曲轴颈数目，可分为全支承曲轴和非全支承曲轴。

　　      即是在任两个相邻曲拐之间都设有曲轴颈的主轴。其曲轴颈总数比连杆轴数多一个。这种主轴的特征是曲轴的刚度大，曲轴承负载轻。其弊端是柴油发电机轴向尺寸加长。

　　      它由轴承套、轴承座和滚珠串构成。轴承套是用来固定滚珠串的部件，轴承座是用来固定轴承套的部件。滚珠串是用来支撑轴承轴的部件。全支撑曲轴需要严格按照规划要求进行装配和维护。装配时需要确保轴承座与轴承套的平行度和垂直度，同时确保滚珠串的准确安装。保养时需要按期察看滚珠串的损伤状况，并及时替换磨损严重的滚珠。

　　      总之，全支撑曲轴是一种高性能的轴承构件，在机械传动系统中具有重要功能。但是也需要严格按照规划要点进行装配和维护，以确保其正常运行。

　　      非全支承式主轴主轴颈总数等于或少于连杆轴颈数，在主轴上仅安装部分连杆轴承的曲轴构成。在发电机作业时，支承轴承支撑着凸轮轴和连杆，将发电机进气、压缩、燃烧和排烟四个环节的能量切换成机械能。而非全支承式曲轴通常只在高载荷部位设置轴承，以减小摩擦阻力，减少能量损失，提高发电机的效率和性能。

　　      其优势是尺寸小、构成大概、紧凑。缺点是刚度和强度较差，曲轴承负荷较重。柴油发电机因负载较重，通常多选取全支承主轴。非全支承曲轴多用于负荷较轻的柴油发电机。

　　      主轴主要由曲轴前端（或称自由端）、连杆轴颈、曲轴颈、曲柄、平衡块和主轴后端凸缘（或称容量输出端）结构。以下为曲柄连杆构成的主要构成结构：

　　表01    曲轴和曲轴瓦     Crankshaft Main Bearing     BP 4010     BP 4016     BP 4026

　　      主轴是柴油发电机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅危害着柴油发电机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着柴油发电机的可靠性与寿命。曲轴的破坏损坏可能致使柴油发电机其它零件的严重损坏，在柴油发电机的结构改良中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，使曲轴的作业因素愈加苛刻。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在规划曲铀时必须正确选型主轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果。 

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