曲軸飛輪組的組成構(gòu)造和工作原理（圖解）

08-01

曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器、皮帶輪、正時(shí)齒輪（或鏈輪）等組成。

曲軸

01曲軸的作用及工作要求

曲軸主要功用是承受連桿傳來(lái)的力，并由此產(chǎn)生繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)力矩，該力矩通過(guò)飛輪對(duì)外輸出；另外，曲軸還用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)、水泵、轉(zhuǎn)向油泵、空氣壓縮機(jī)等附件。

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一，要求用強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性都比較好的材料制造，一般采用中碳鋼（如45鋼）或中碳合金鋼（如35Mn2、40Cr等）模鍛而成。為了提高曲軸的耐磨性，其軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，最后進(jìn)行精加工，從而達(dá)到高的精度和低的表面粗糙度。

為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度，消除應(yīng)力集中，軸頸表面應(yīng)進(jìn)行噴丸處理，過(guò)渡圓角處要經(jīng)滾壓處理。

工作時(shí)，曲軸承受氣體壓力、慣性力及慣性力矩的作用，受力大而且受力復(fù)雜，并且承受交變負(fù)荷的沖擊作用。同時(shí)，曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件。因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強(qiáng)度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤(rùn)滑良好。

02曲軸的構(gòu)造
曲軸一般由前端（自由端）、主軸頸、連桿軸頸（曲柄銷）、曲柄臂、平衡重和后端（或稱動(dòng)力輸出端，圖中未示出）等組成，如下圖所示。

曲軸前端用以安裝水泵皮帶輪、曲軸正時(shí)皮帶輪（或正時(shí)齒輪、正時(shí)鏈輪）、啟動(dòng)爪等，曲軸前端的結(jié)構(gòu)如下圖所示。曲軸后端凸緣用以安裝飛輪，在后端軸頸與飛輪凸緣之間有擋油凸緣與回油螺紋，以阻止機(jī)油向后竄漏。

曲軸前端的結(jié)構(gòu) ▼

曲軸上磨光的表面為軸頸。曲軸支承在曲軸箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)的軸頸為主軸頸，主軸頸的軸線都在同一條直線上。偏離主軸頸軸線用以安裝連桿的軸頸為連桿軸頸（或稱曲柄銷），連桿軸頸之間有一定夾角。連桿軸頸與主軸頸之間加工有潤(rùn)滑油道，如下圖所示。

曲軸內(nèi)部的油道 ▼

將連桿軸頸和主軸頸連接到一起的部分稱曲柄（或稱曲柄臂），連桿軸頸和曲柄共同將連桿傳來(lái)的力轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)力矩。軸頸與曲柄之間有過(guò)渡圓角，以增加強(qiáng)度，如下圖所示。一個(gè)連桿軸頸和它兩端的曲柄及相鄰兩個(gè)主軸頸構(gòu)成一個(gè)曲拐。

主軸頸、連桿軸頸和軸承上都鉆有徑向油孔，這些油孔通過(guò)斜油道相連。這樣機(jī)油就可以進(jìn)入主軸頸和連桿軸頸的工作表面進(jìn)行潤(rùn)滑。當(dāng)連桿軸頸上的油孔與連桿大頭上的油孔對(duì)準(zhǔn)時(shí)，機(jī)油可以從中噴出，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)和氣缸壁進(jìn)行飛濺潤(rùn)滑。

平衡重的作用是平衡連桿大頭、連桿軸頸和曲柄等產(chǎn)生的離心力及其力矩，如下圖所示，有時(shí)也平衡活塞連桿組的往復(fù)慣性力及其力矩，以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。平衡重的數(shù)量有4塊、6塊、8塊等。若在曲軸的每個(gè)曲柄臂上都裝設(shè)平衡重，則稱完全平衡法（8塊平衡重），如圖中（c）所示；若只在部分曲柄臂上裝設(shè)平衡重則稱分段平衡法（4塊平衡重），如圖中（b）所示。完全平衡法的平衡重?cái)?shù)量較多，曲軸重量增加，工藝性變差。

曲軸的平衡（1~8：平衡重） ▼

曲軸工作時(shí)，要承受周期性變化的氣體壓力、往復(fù)慣性力和離心力，以及它們產(chǎn)生的扭矩和彎矩的共同作用，為了保證工作可靠，因此要求曲軸要有足夠的剛度、強(qiáng)度，各工作表面要耐磨而且潤(rùn)滑良好，還必須有很高的動(dòng)靜平衡要求。

03曲軸的支承形式
主軸頸是曲軸的支承部分。按照曲軸的主軸頸數(shù)可以把曲軸分為全支承曲軸和非全支承曲軸兩種。每個(gè)連桿軸頸兩邊都有一個(gè)主軸頸者稱為全支承曲軸，如下圖中（a）所示；主軸頸數(shù)等于或少于連桿軸頸數(shù)者稱為非全支承曲軸，如下圖中（b）所示。

直列式發(fā)動(dòng)機(jī)的全支承曲軸，其主軸頸數(shù)（包括曲軸前端和后端的主軸頸）比氣缸數(shù)多一個(gè)；V 形發(fā)動(dòng)機(jī)的全支承曲軸，其主軸頸數(shù)比氣缸數(shù)的一半多一個(gè)。
全支承曲軸的優(yōu)點(diǎn)是可以提高曲軸的剛度，并且可減輕主軸承的載荷；其缺點(diǎn)是曲軸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體長(zhǎng)度增加。

04曲拐的布置
曲軸的形狀和各曲拐的相對(duì)位置取決于氣缸數(shù)、氣缸的排列形式和做功順序（即點(diǎn)火順序）。當(dāng)氣缸數(shù)和氣缸排列形式確定之后，曲拐的布置就只取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的做功順序。

多缸發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的做功間隔時(shí)間（以曲軸轉(zhuǎn)角表示，稱為做功間隔角）應(yīng)均勻。對(duì)于氣缸數(shù)為i 的直列四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，做功間隔角為720°/i 時(shí)，即曲軸每轉(zhuǎn)720°/i 時(shí)，就應(yīng)有一個(gè)氣缸做功，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

在安排多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的做功順序時(shí)，應(yīng)使連續(xù)做功的兩缸相隔盡量遠(yuǎn)，以減少主軸承的連續(xù)載荷，同時(shí)避免相鄰兩缸進(jìn)氣門同時(shí)開(kāi)啟造成的搶氣現(xiàn)象；V 形發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩列氣缸盡量交替做功。

常見(jiàn)的幾種多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐的布置和工作順序如下 ▼

05曲軸前、后端密封
曲軸前端是第一道主軸頸之前的部分，通常有鍵槽，用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)油泵的齒輪（有的機(jī)油泵通過(guò)皮帶傳動(dòng)）、驅(qū)動(dòng)水泵的皮帶輪等。曲軸后端是最后一道主軸頸之后的部分，有安裝飛輪用的凸緣。

此外，曲軸前端為了減小扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而裝有扭轉(zhuǎn)減振器，早期的一些中、小型貨車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸前端還裝有啟動(dòng)爪，以便必要時(shí)用人力轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

曲軸前后端都伸出曲軸箱，為了防止?jié)櫥脱剌S頸流出，在曲軸前后都設(shè)有防漏裝置。常用的防漏裝置主要是油封，如下圖所示。

曲軸前后端的密封裝置 ▼

06曲軸的主軸承
曲軸的主軸承俗稱大瓦，和連桿大頭軸承一樣，也是剖分為兩半的滑動(dòng)軸承，即主軸瓦（上瓦及下瓦）。主軸承上瓦裝在機(jī)體的主軸承座孔內(nèi)；而下瓦則裝在主軸承蓋內(nèi)。機(jī)體主軸承座和主軸承蓋是通過(guò)主軸承螺栓連接在一起的。主軸承的材料、結(jié)構(gòu)形式、安裝方式和定位方式等與連桿軸承基本相同。為了向連桿大頭軸承輸送機(jī)油，在主軸承上瓦上通常開(kāi)有油孔和油槽，如下圖所示，而主軸承下瓦由于受到較高的載荷，通常是不開(kāi)油孔和油槽的。安裝曲軸主軸承時(shí)，要注意軸承的位置、方向，不可將主軸承上、下瓦裝錯(cuò)。

07曲軸軸向定位
曲軸作為轉(zhuǎn)動(dòng)件，在工作的過(guò)程中，必然受到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的熱傳遞，以及自身的摩擦生熱，使得曲軸的自身溫度有一定程度上升。

這就使得曲軸產(chǎn)生一定的熱膨脹，而使曲軸長(zhǎng)度增加，所以，曲軸必須與其固定件之間有一定的軸向間隙。而且汽車行駛時(shí)，由于踩踏離合器而對(duì)曲軸施加軸向推力，或汽車上下坡時(shí)，均可能使曲軸發(fā)生軸向竄動(dòng)。過(guò)大的軸向竄動(dòng)將影響活塞連桿組的正常工作，破壞正確的配氣定時(shí)和柴油機(jī)的噴油定時(shí)。因此，為了保證曲軸軸向的正確定位，曲軸必須安裝有軸向定位裝置。

曲軸的軸向定位裝置一般采用推力軸承。推力軸承有整體式和止推片式兩種。整體式推力軸承是一種翻邊軸瓦（上圖所示），將軸瓦兩側(cè)翻邊作為止推面，在止推面上澆鑄減摩合金。

止推片為半圓環(huán)形，一般為四片，上、下各兩片，分別安裝在氣缸體和主軸承蓋上的淺槽中，用舌榫定位，防止其轉(zhuǎn)動(dòng)。止推片的材料和結(jié)構(gòu)與曲軸軸承相同，也是由鋼背和減摩合金層組成的。 ▼

每根曲軸只能在一個(gè)主軸頸上設(shè)置止推片，安裝時(shí)，止推片有減摩層的一面朝向轉(zhuǎn)動(dòng)件。曲軸軸向間隙可通過(guò)更換不同厚度的止推片來(lái)調(diào)整。

2. 曲軸皮帶輪和扭轉(zhuǎn)減振器

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸皮帶輪和扭振減振器都裝在曲軸的前端。前者用來(lái)驅(qū)動(dòng)冷卻水泵、發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等附件，后者用來(lái)消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

曲軸實(shí)際上是具有一定彈性和旋轉(zhuǎn)重量的軸，這是曲軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的原因。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，經(jīng)連桿傳給曲軸的作用力的大小和方向不斷變化，從而使得曲軸旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)角速度也不斷變化。這樣就造成曲軸相對(duì)于飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)忽快忽慢，使曲軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這種振動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作非常有害，一旦出現(xiàn)共振，會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)。所以，必須采取減振、消振措施，其中比較有效的就是在曲軸前端安裝扭轉(zhuǎn)減振器。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)最常用的曲軸扭轉(zhuǎn)減振器是摩擦式扭轉(zhuǎn)減振器，其可分為橡膠式曲軸扭轉(zhuǎn)減振器及硅油式扭轉(zhuǎn)減振器兩類。常用的是橡膠式曲軸扭轉(zhuǎn)減振器，如下圖所示。

橡膠式曲軸扭轉(zhuǎn)減振器 ▼

目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用的曲軸扭轉(zhuǎn)減振器一般都不單獨(dú)設(shè)慣性盤，而是利用曲軸皮帶輪兼作慣性盤，皮帶輪和減振器制成一體，稱減振皮帶輪。

為了保證曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與配氣機(jī)構(gòu)的配氣正時(shí)，通常在曲軸的皮帶輪上都有一個(gè)正時(shí)記號(hào)和點(diǎn)火提前角的曲軸角刻度盤。

曲軸皮帶輪上的正時(shí)標(biāo)記 ▼

3. 飛輪

01 飛輪的作用和材料 ▼
飛輪是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的圓盤，其主要功用是將在做功沖程中輸入于曲軸的動(dòng)能的一部分儲(chǔ)存起來(lái)，用以在其他沖程中克服阻力，帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)越過(guò)上止點(diǎn)和下止點(diǎn)，保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度和輸出扭矩盡可能均勻，并使發(fā)動(dòng)機(jī)有可能克服短時(shí)間內(nèi)的超載荷。此外，在結(jié)構(gòu)上飛輪又往往用做汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中摩擦離合器的驅(qū)動(dòng)件。

飛輪多采用灰鑄鐵制造，當(dāng)輪緣的線速度超過(guò)50m/s時(shí)要采用強(qiáng)度較高的球鐵或鑄鋼制造。

02 飛輪的結(jié)構(gòu) ▼

飛輪外緣上壓有一個(gè)齒環(huán)，可與起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，供啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)使用。飛輪上通常刻有第一缸發(fā)火正時(shí)記號(hào)，以便校準(zhǔn)發(fā)火時(shí)間。如下圖所示，解放CA6102型發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)記號(hào)是“上止點(diǎn)/1~6”，當(dāng)這個(gè)記號(hào)與飛輪殼上的刻線對(duì)正時(shí)，即表示1~6缸的活塞處在上止點(diǎn)位置。東風(fēng)EQ6100-1型發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上的這一記號(hào)為一個(gè)鑲嵌的鋼球。

飛輪結(jié)構(gòu)及正時(shí)標(biāo)記 ▼
多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪應(yīng)與曲軸一起進(jìn)行動(dòng)平衡，否則在旋轉(zhuǎn)時(shí)因重量不平衡而產(chǎn)生的離心力，將引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)并加速主軸承的磨損。為了在拆裝時(shí)不破壞它們的平衡狀態(tài)，飛輪與曲軸之間應(yīng)有嚴(yán)格的相對(duì)位置，并用定位銷或不對(duì)稱布置螺栓予以保證。