曲軸的功用、工作條件及制造方法

曲軸的功用是將氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ剌敵?，以?qū)動與其相連的動力裝置。此外，它還要驅(qū)動內(nèi)燃機本身的配氣機構(gòu)及各種附件，如噴油泵、水泵和冷卻風(fēng)扇等。

曲軸在工作時，由于承受很高的氣體力、往復(fù)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(yīng)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作高速轉(zhuǎn)動，使軸頸與軸承磨損嚴(yán)重，所以，對曲軸的要求是：耐疲勞、耐沖擊；除了利用上述三種方法來提高汽缸的空氣壓力外，還有利用進(jìn)排氣管內(nèi)的氣體動力效應(yīng)來提高汽缸充氣效率的慣性增壓系統(tǒng)以及利用進(jìn)排氣的壓力交換來提高汽缸空氣壓力的氣波增壓器。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)多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。

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內(nèi)燃機，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號鋼）制造：造曲軸廣泛應(yīng)用于中小功率內(nèi)燃機，通常采用高強度球墨鑄鐵鑄造，其優(yōu)占：過方，成本低；①焊修前的準(zhǔn)備先將曲軸放在堿水中煮洗清潔，除去油污，再用鑿刀沿著裂紋表面鑿成“U”形槽。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。

曲軸的分類

①白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。

即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(yīng)高轉(zhuǎn)速。

整體式曲軸，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。

全支承曲軸即是在任兩個相鄰曲拐之間都設(shè)有主軸頸的曲軸。其主軸頸總數(shù)比連桿軸數(shù)多一個。這種曲軸的優(yōu)點是曲軸的剛度大，主軸承負(fù)荷輕。其缺點是內(nèi)燃機軸向尺寸加長。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。內(nèi)燃機對配氣機構(gòu)及進(jìn)排氣系統(tǒng)的要求是：進(jìn)入汽缸的新鮮氣或可燃混合氣要盡可能多，排氣要盡可能充分。缺點是剛度和強度較差，主軸承負(fù)荷較重。柴油機因負(fù)荷較重，一般多采用全支承曲軸。非全支承曲軸多用于負(fù)荷較輕的內(nèi)燃機。

配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及工作過程

氣門式配氣機構(gòu)由氣門組（氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座及氣門彈簧等）和氣門傳動組（推桿、搖臂、凸輪軸和正時齒輪等）組成；進(jìn)排氣系統(tǒng)由空氣濾清器、進(jìn)氣管、排氣管和消聲器等組成。

內(nèi)燃機配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式較多，按照氣門相對于汽缸的位置不同可分為兩種形式：氣門布置在汽缸側(cè)面的稱為側(cè)置式氣門配氣機構(gòu)；氣門布置在汽缸頂部的稱為頂置式氣門配氣機構(gòu)。采用側(cè)置式氣門配氣機構(gòu)布置的燃燒室橫向面積大，結(jié)構(gòu)不緊湊，而高度又受氣流和氣門運動的限制不能太小，所以當(dāng)壓縮比大于7.5時，燃燒室就很難布置。對于柴油機，由于壓縮比不能太低，所以廣泛采用頂置式氣門配氣機構(gòu)。按凸輪軸的布置位置可分為上置凸輪軸式、中置凸輪軸式和下置凸輪軸式；按曲軸與凸輪軸之間的傳動方式可分為齒輪傳動式和鏈條傳動式；按每缸的氣門數(shù)目可分為二氣門、三氣門、四氣門和五氣門機構(gòu)。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時，則轉(zhuǎn)速將升高，如不能達(dá)到新的平衡，則轉(zhuǎn)速將不斷上升，會發(fā)生“飛車”事故。

頂置式氣門配氣機構(gòu)由凸輪軸、挺柱、推桿、氣門搖臂和氣門等零件組成。進(jìn)、排氣門都布置在汽缸蓋上，氣門頭部朝下，尾部朝上。如凸輪軸為了傳動方便而靠近曲軸，則凸輪與氣門之間的距離就較長。齒輪式傳動方式通常在曲軸齒輪和配氣正時齒輪之間加裝中間齒輪，使齒輪直徑減小，以免機體橫向尺寸增大。中間必須通過挺柱、推桿、搖臂等一系列零件才能驅(qū)動氣門，使機構(gòu)較為復(fù)雜，整個系統(tǒng)的剛性較差。

頂置式氣門配氣機構(gòu)工作過程如下：凸輪軸由曲軸通過齒輪驅(qū)動。當(dāng)內(nèi)燃機工作時，凸輪軸即隨曲軸轉(zhuǎn)動，對于四沖程內(nèi)燃機而言，凸輪軸的轉(zhuǎn)速為曲軸轉(zhuǎn)速的1/2，即曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)完成一個工作循環(huán)，而凸輪軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，使進(jìn)、排氣門各開啟一次。當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)到凸起部分與挺柱相接觸時，挺柱開始升起。通過推桿和調(diào)整螺釘使搖臂繞搖臂軸轉(zhuǎn)動，搖臂的另一端即壓下氣門，使氣門開啟。由于工作機械的阻力矩會隨著工作情況的變化而頻繁變化，操作入員是不可能及時靈敏地調(diào)節(jié)供油量，使柴油機輸出轉(zhuǎn)矩與外界阻力相適應(yīng)的，這樣，柴油機的轉(zhuǎn)速就會出現(xiàn)劇烈的波動，從而影響工作機械的正常工作。在壓下氣門的同時，內(nèi)、外兩個氣門彈簧也受到壓縮。當(dāng)凸輪軸凸起部分的高點轉(zhuǎn)過挺柱平面以后，挺柱及推桿隨凸輪的轉(zhuǎn)動而下落，被壓緊的氣們彈簧通過氣門彈簧座和氣門鎖片，將氣門向上抬起，后壓緊在氣門座上，使氣門關(guān)閉。氣門彈簧在安裝時就有一定的預(yù)緊力，以保證氣門與氣門座貼合緊密而不致漏氣。

配氣相位

原理上內(nèi)燃機的進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣等過程都是在活塞到達(dá)上止點和到達(dá)下止點時開始或完成。但是為了進(jìn)氣更充分，排氣更干凈，進(jìn)、排氣門要提早打開、延遲關(guān)閉。內(nèi)燃機的進(jìn)、排氣門開始開啟和關(guān)閉終了的時刻以及開啟的延續(xù)時間，通常用相對于上、下止點時的曲軸轉(zhuǎn)角來表示，稱為配氣相位或配氣定時。油水分離器為了除去柴油中水分，有的柴油機在燃油箱與輸油泵之間還裝有專門的油水分離器。表示每缸進(jìn)、排氣配氣相位（正時）關(guān)系的環(huán)形圖，稱配氣相位（正時）圖。

在上止點附近，進(jìn)、排氣門同時開啟的角度稱為氣門重疊角（以℃A表示）。由于新鮮氣體（或可燃混合氣）和廢氣流動慣性都很大，雖然進(jìn)、排氣門同時開啟，但氣流并不互相錯位與混合。只要氣門重疊角取得合適，可以使進(jìn)氣更充分、排氣更干凈。

氣門重疊角必須根據(jù)內(nèi)燃機具體狀況通過試驗來確定。重疊角過小，達(dá)不到預(yù)期改善換氣質(zhì)量的目的，過大則可能產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象，降低內(nèi)燃機的工作性能。

配氣相位要根據(jù)內(nèi)燃機的使用工況和常用轉(zhuǎn)速來確定。不同的內(nèi)燃機，其配氣相位是不同的。配氣相位的數(shù)值要通過試驗確定。

為保證配氣相位的準(zhǔn)確，在曲軸與凸輪軸驅(qū)動機構(gòu)之間通常設(shè)有專門的記號，在裝配過程中必須按照相關(guān)說明書的要求將記號對準(zhǔn)，不得隨意改動。