第二章 曲柄连杆机构

飞轮的主要功用是①使柴油机回转角速度趋于均匀。 ②协助柴油机起动。（根据柴油机的起动和盘车的 不同方式，飞轮轮缘上有的装有飞轮齿圈或涡轮） ③保证柴油机空车运转的稳定性。④飞轮轮缘上还 刻有各缸上止点等定时标记，作为定时调整的基准。 柴油机的飞轮通常用铸铁、铸钢或锻钢制成轮缘形 结构，使其大部分质量集中在轮缘处，以较小的质 量获得尽可能大的转动惯量。
7．典型曲轴介绍 由若干个曲柄、自由端（首端）和功率输出端（尾端） 三部分组成。 （1）曲柄臂和主轴颈及曲柄销之间的连接处采用车 入式圆角，经冷滚压加工，以提高疲劳强度。 （2）自由端法兰可连接轴向减振器。 （3）推力轴和曲轴为一体，可缩短柴油机长度。 （4）推力环用于传递推力和轴向定位。 （5）飞轮
①按说明书规定的预紧力上紧。 ②按工艺要求装配轴承间隙。 ③不得扭伤、碰伤螺纹和螺栓。 ④注意防松。
7．十字头轴承工作条件分析和提高可靠性措施
a)6ESCZ76/160型柴油机的十字头 1-十字头销；2-十字头滑块；3-十字头 端盖板；4-固定块；5-活塞杆螺母；6十字头轴承座；7-十字头轴承盖
b)L-MC/MCE型柴油机十字头 1-连杆小端轴承盖；2-连杆小端轴瓦；3-滑 块；4-导轨；5-耳轴；6-十字头销本体；7调整垫片；8-连杆螺栓；9-连杆小端下瓦； 10-连杆小端轴承座；11-杆身
8． 曲轴常见故障 曲轴常见故障有磨损、腐蚀、裂纹、折断和红套滑移等。 （1）曲轴的裂纹与折断： ①疲劳损坏的断面特征： 弯曲疲劳损坏是由交变弯曲应力引起的，其断面与轴 线成垂直，裂纹线为波浪线。 扭曲疲劳损坏是由交变扭曲应力引起的，其断面与轴 线成45°，裂纹线为螺旋线。 ②疲劳损坏的部位：
弯曲疲劳裂纹首先发生在曲柄销圆角或主轴颈圆 角处，然后向曲柄臂发展，一般发生在长期运转中。 原因：轴颈不均匀磨损或轴承不均匀磨损，使主轴承 有高低；机座或船体变形；材料有缺陷，加工工艺不 善、轴上有缺陷； 扭曲疲劳裂纹发生在油孔或圆角处，轴颈的疲劳 裂纹多从油孔开始，然后向与轴线成45°角方向发展， 出现两条对称裂纹。圆角处的扭曲疲劳裂纹，多从圆 角部位向轴颈发展。扭曲疲劳损坏一般发生在运转初 期。原因：油孔处有缺陷；飞车或超负荷；共振；材 料有缺陷；滑油受污染对油孔处腐蚀等。
2）筒形活塞式连杆:有平切口和斜切口
（1）小端为不剖分面，内装青铜衬套，并开有油槽。 （2）杆身截面为工字形，可使在摆动平面内杆身的截面惯 性矩为垂直平面的杆身截面惯性矩的4倍，提高其抗压稳定 性。 （3）连杆大端做成斜切口，可增加曲柄销直径、方便掉缸。 （4）大端轴承用薄壁三层金属式结构，在薄的钢背（低碳 钢瓦背）上浇于铜铅合金，再在表面上镀一层铅锡合金。 目的是提高轴瓦的强度和表面性能。 （5）在剖分面上做成锯齿形结构，防结合面产生滑动，并 使连杆螺栓不受剪切力作用。 （6）大端轴瓦设有定位舌，防轴瓦在座内作圆周和轴向运 动而把油孔堵住。 （7）杆身内钻有油孔。
（2）二冲程机曲柄的排列 例：某六缸二冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4 ①满足曲柄的排列原则。 ②若第一缸处于上止点发火时刻，则其它缸处于何位 置？ （3）四冲程机曲柄的排列 例1：某六缸四冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4 ①满足曲柄的排列原则。 ②若第一缸处于上止点发火时刻，则其它缸处于何位 置？ 例2：某六缸四冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4，若第 六缸处于下止点排气时刻，则其它缸处于何位置？
（4）连杆螺栓断裂的原因 ①没按照工艺要求装配，预紧力过大或过小。 ②螺纹配合过紧或过松。 ③轴承配合间隙过大产生很大的冲击载荷。 ④材料不符合要求或有缺陷。 ⑤拆装时扭伤螺纹。 连杆螺栓的断裂多发生在四冲程高速机中，主要是往复惯 性力使连杆螺栓产生了很大的交变拉应力引起的。
（5）预防连杆螺栓断裂的措施
3）V型柴油机连杆
（1）并列式连杆： （2）主副连杆：可缩短气缸间距和整机长度，减小柴油机重 量和尺寸，增大曲轴刚性。采用主副式（MAN VV40/54）。主 连杆用螺栓连接到大端，副连杆用2只螺栓与副连杆销相连。 大端轴瓦为薄壁铅青铜，镀有磨合层，轴承盖与轴承体有凹凸 配合，以避免连杆螺栓受到剪切作用。拆检活塞可不拆大端， 副连杆销的连接螺栓底部易裂纹。
（1）由连杆杆身、小端和大端组成，小端与十字头 销相连，大端与曲柄销相连。 （2）轴承座与杆身、轴承座与轴承盖用定位销定位。 （3）小端轴承座上设有薄壁轴瓦以提高抗疲劳强度。 （4）大端轴承座上没有轴瓦，白合金直接浇铸在轴 承座和轴承盖上，这样可提高轴颈直径并有利于散热。 （5）杆身与连杆大端轴承座上有垫片，用于调整压 缩比。 （6）连杆螺栓为柔性螺栓，可提高抗疲劳强度。 （7）螺栓杆身上设有定位环带，可降低拧紧力对螺 栓的弯曲作用。
③附加应力很大：曲轴在径向力、切向力和扭矩的作 用下会产生扭转振动、横向振动和纵向振动。当曲轴 的自振频率较低时，在柴油机工作转速范围内可能出 现共振，而使振幅大大增加，产生很大的附加应力。 ④轴颈遭受磨损——在润滑不良、机座或船体变形、 轴承间隙不合适、超负荷或经常起停时磨损明显加剧。 3．对曲轴的要求 （1）具有足够的强度和刚度； （2）各轴颈应具有足够的承压面积和较高的耐磨性； （3）具有合理的曲柄排列和发火顺序。 （4）疲劳强度高，工作安全可靠。
②应力集中严重：一根曲轴是由若干个彼此间错开一 定角度的曲柄以及功率输出端和自由端构成。每个曲 柄是由主轴颈、曲柄销和曲柄臂组成，曲轴上还钻有 润滑油孔。各种因素使曲轴内部的应力分布极不均匀， 在曲柄臂和轴颈的过渡圆角处及润滑油孔周围将产生 严重的应力集中。其中以曲柄臂与曲柄销的过渡圆角 处最为危险。
6．曲柄的排列
曲轴的曲柄都是以气缸的号数命名的。气缸的排号有 两种方法，一种是由自由端排起，另一种是由动力端 排起。我国和大部分国家都是采用自由端排起。曲柄 的排列是由气缸数、发火间隔角和发火顺序决定的， 而气缸的发火间隔角和发火顺序要考虑以下几点： （1）曲柄的排列原则： ①动力输出要均匀，各缸间的发火间隔角应相等。因 此，各缸间发火间隔角应等于完成一个工作循环所需 要的曲轴转角度数除以气缸数目所得的商。如果有i只 气缸，则单列式柴油机的发火间隔角为：
四冲程柴油机的发火间隔角=720˚/i； 二冲程柴油机的发火间隔角=360˚/i。
②要避免相邻气缸连续发火，以减轻主轴承的负荷。 ③要使柴油机有良好的平衡性。曲轴合理的排列可使 引起振动的力和力矩减至最小。 ④应考虑发火顺序对曲轴扭转振动的影响。发火顺序 不同，各段轴上扭矩的交变情况也不同，对轴系扭转 振动的影响也不同。要力求减轻扭转振动。 ⑤在脉冲增压式柴油机中，为防止扫、排气相互干扰， 各缸排气管要分组，要求柴油机有相应的发火顺序。
5.分类：按结构分类： （1）直列式——十字头式、筒状活塞式 （2）V型及多列式——并列式、叉骑式、主付式
6．结构分析： 1）十字头式活塞连杆
右图:1-连杆小端轴承 盖；2-小端轴承座； 3-薄壁轴瓦；4、10连杆螺栓；5-杆身； 6-垫片；7-大端轴承 座；8-大端轴承盖； 9-锁紧装置；11-定位 环带；12-固定螺栓； 13-输油槽
②套合式：有半套合式和全套合式两种。目前大 型低速柴油机常用半套合式曲轴。
③焊接式：焊接工艺是近代曲轴制造工艺中一个重要成就。 它不仅消除了大件锻造的困难，而且还能使曲轴的重量较 套合式结构有大幅度降低。此外，焊接式曲轴由于其曲柄 臂底部能与主轴颈外圆接近齐平，因而能使连杆长度得以 缩短，从而使发动机高度大为减低。
4．材料：常用的材料有优质碳钢、合金钢和球墨铸铁。 一般柴油机的曲轴常用优质碳钢制造；为了提高中、 高速 强载柴油机的曲轴疲劳强度和耐磨性能，采用了 合金钢制造。球墨铸铁铸造的曲轴，常在强载程度不 太高的中、高速柴油机中应用。
2、曲轴的构造 （1）曲轴的类型
①整体式：整根曲轴由整体锻造或铸造，常用于 中、小型柴油机。由于大型锻造设备的出现，大 型低速柴油机也已有采用整体式曲轴。
单元二 曲柄连杆机构
一、连杆
1．作用： （1）将活塞（或十字头）与曲轴连接成曲柄连杆机构 （2）把活塞的往复运动转变为曲轴的回转运动。 （3）将作用在活塞上的气体力、惯性力传递给曲轴。 2．工作条件： （1）承受周期性变化的气体力、惯性力作用：低速二 冲程机连杆始终受压；四冲程机的连杆有时受压有时 受拉。 四冲程机在排气冲程末期、进气冲程初期，连杆受拉 （此时惯性力大于气体力），其余冲程受压。 二冲程低速增压机由于转速低，惯性力小，气体力较 大，其合力始终向下，使连杆受压。 （2）与曲柄销、十字头销（活塞销）产生摩擦和磨损。 （3）承受燃气的冲击作用。
图 MAN B&W L-MC系列柴油机焊接式曲轴
1-自由端法兰；2-轴向减振器；3-单位曲柄；4-推力环；5-功率输出端法兰
（2）曲轴的构造
曲轴主要由若干个单位曲柄和自由端、功率输出端，以及平衡 重块等组成。单位曲柄是曲轴的基本组成部分，由主轴颈，曲 柄销和曲柄臂组成。曲柄臂上装有平衡重块用以平衡离心惯性 力。推力环用以传递轴向推力。自由端法兰安装扭振减振器。 输出端法兰用以连接中间轴。 普通圆角：将引起轴颈有效长度的缩短。 车入式圆角：不但可增大过渡圆角半径，而且轴颈的有效工作 长度也不用缩短。
（1）十字头轴承的工作特点： ①轴承的比压大。 ②润滑条件很差，难以形成良好的润滑油膜。 ③）单向受力。 ④轴向受力不均。 （2）提高十字头轴承可靠性的措施： 1）降低轴承比压： ①限制最高爆发压力②加大轴颈直径。③采用 全支承式轴承。④增大承压面间的贴合面积。
2）使轴承轴向负荷分布均匀。
①采用弹性结构的自整位式轴承，使轴承的轴向负荷 分布均匀； ②采用刚性结构。提高 十字头销与轴承座的刚 性，减少变形，来达到 轴向负荷均匀分布的目 的。一般采用短而粗的 十字头销。 ③采用反变形法拂刮轴承. 图 弹性十字头轴承
3．要求： （1）耐疲劳、抗冲击。 （2）具有足够的强度和刚度。 （3）连杆长度应尽量短（降低发动机高度） 、重量轻、 拆装方便。 （4）连杆轴承工作可靠。 4．材料： 十字头：中碳钢35#、40#、45# ，自由锻造，杆身截面 为圆形。 筒形：中碳钢或优质合金钢40Cr 、5CrMo、42CrMo、 18Cr2Ni4WA ，模锻锻造，杆身截面为工字形。