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變?yōu)榕ぞ剌敵?，以驅動與其相連的動力裝置。此外，它還要驅動內(nèi)燃機本身的配氣機構及各種附件，如噴油泵、水泵和冷卻風扇等。

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），并易產(chǎn)生扭轉振動，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；除了利用上述三種方法來提高汽缸的空氣壓力外，還有利用進排氣管內(nèi)的氣體動力效應來提高汽缸充氣效率的慣性增壓系統(tǒng)以及利用進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；在使用轉速范圍內(nèi)不能產(chǎn)生扭轉振動；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。能夠鑄出合理的結構形狀；對扭轉振動的阻尼作用優(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，難以適應高轉速。

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)點是結構簡單緊湊、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、結構簡單、緊湊。內(nèi)燃機對配氣機構及進排氣系統(tǒng)的要求是：進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內(nèi)燃機。

配氣機構的結構形式及工作過程

氣門式配氣機構由氣門組（氣門、氣門導管、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；進排氣系統(tǒng)由空氣濾清器、進氣管、排氣管和消聲器等組成。

內(nèi)燃機配氣機構的結構形式較多，按照氣門相對于汽缸的位置不同可分為兩種形式：氣門布置在汽缸側面的稱為側置式氣門配氣機構；氣門布置在汽缸頂部的稱為頂置式氣門配氣機構。采用側置式氣門配氣機構布置的燃燒室橫向面積大，結構不緊湊，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。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。當輸出轉矩大于阻力矩時，則轉速將升高，如不能達到新的平衡，則轉速將不斷上升，會發(fā)生“飛車”事故。

頂置式氣門配氣機構由凸輪軸、挺柱、推桿、氣門搖臂和氣門等零件組成。進、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動氣門，使機構較為復雜，整個系統(tǒng)的剛性較差。

頂置式氣門配氣機構工作過程如下：凸輪軸由曲軸通過齒輪驅動。當內(nèi)燃機工作時，凸輪軸即隨曲軸轉動，對于四沖程內(nèi)燃機而言，凸輪軸的轉速為曲軸轉速的1/2，即曲軸轉兩轉完成一個工作循環(huán)，而凸輪軸轉一轉，使進、排氣門各開啟一次。當凸輪軸轉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，使柴油機輸出轉矩與外界阻力相適應的，這樣，柴油機的轉速就會出現(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。當凸輪軸凸起部分的高點轉過挺柱平面以后，挺柱及推桿隨凸輪的轉動而下落，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，使氣門關閉。氣門彈簧在安裝時就有一定的預緊力，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)燃機的進氣、壓縮、做功和排氣等過程都是在活塞到達上止點和到達下止點時開始或完成。但是為了進氣更充分，排氣更干凈，進、排氣門要提早打開、延遲關閉。內(nèi)燃機的進、排氣門開始開啟和關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、排氣配氣相位（正時）關系的環(huán)形圖，稱配氣相位（正時）圖。

在上止點附近，進、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、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，達不到預期改善換氣質(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確，在曲軸與凸輪軸驅動機構之間通常設有專門的記號，在裝配過程中必須按照相關說明書的要求將記號對準，不得隨意改動。