對(duì)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是內(nèi)燃機(jī)的核心部件之一。它是連接活塞和飛輪在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的部件。其功能主要是將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換、動(dòng)力傳遞和附件驅(qū)動(dòng)能力。由于其工作條件涉及高溫、高壓、高速和周期性力，其常見的故障形式是疲勞斷裂、軸頸磨損或劃傷、彎曲變形和腐蝕損傷。此時(shí)，高負(fù)荷和交變應(yīng)力在工作條件下非常重要。
曲軸的作用和工作條件
曲軸主要分為全支撐曲軸和半支撐曲軸，如圖1所示。這兩種結(jié)構(gòu)基本相同，主要由曲軸前端、連桿軸頸、主軸頸、曲柄、平衡塊和曲軸后端的凸緣組成，如圖2所示。
1、曲軸的主要作用
（1）能量轉(zhuǎn)換：將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力輸出。活塞通過連桿推動(dòng)曲軸，曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終傳遞到飛輪和傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。
(2)動(dòng)力傳遞：通過飛輪將扭矩傳遞到離合器或液力變矩器，然后驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。
驅(qū)動(dòng)配件：通過皮帶輪或齒輪驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)配件，如凸輪軸、水泵、發(fā)電機(jī)等。
(4)平衡慣性力：曲軸通常配有平衡塊，用于抵消活塞和連桿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。
2、曲軸的工作條件
曲軸在極其復(fù)雜的環(huán)境中工作，需要承受各種各樣的載荷和挑戰(zhàn)：
(1)高機(jī)械負(fù)荷
①交變應(yīng)力：活塞爆發(fā)壓力周期性沖擊曲軸，導(dǎo)致交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，容易造成疲勞斷裂。
②高速旋轉(zhuǎn)：50HZ柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1500rpm，60HZ柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1800rpm rpm，產(chǎn)生巨大的離心力。
②扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：燃燒爆發(fā)的脈沖扭矩可引起曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，應(yīng)與減振器配合使用。
熱負(fù)荷：高溫氣體通過活塞、連桿傳遞熱量，曲軸表面溫度可達(dá)100~200°C，局部區(qū)域(如連桿軸頸)可能較高，導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降。
(3)摩擦與磨損：軸頸(主軸頸、連桿軸頸)與軸承之間的高速滑動(dòng)摩擦，如果潤(rùn)滑不良，容易造成磨損或“燒瓦”。
(4)腐蝕性環(huán)境：與油中的酸性物質(zhì)(燃燒副產(chǎn)物)和水分接觸，可引起化學(xué)腐蝕。
（5）動(dòng)態(tài)平衡要求：質(zhì)量分布不均勻會(huì)導(dǎo)致劇烈振動(dòng)，需要進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)平衡處理（通常允許不平衡小于1~10） g·cm）。
二、曲軸的要求和材料
1、要求
①足夠的抗彎、抗扭疲勞強(qiáng)度和剛度；
②足夠的承壓面積和較高的耐磨性，可多次進(jìn)行車前維修；
③曲柄排列合理，發(fā)火順序合理。
2、曲軸的設(shè)計(jì)和材料
(1)材料：多采用高強(qiáng)度合金鋼或球墨鑄鐵，通過調(diào)質(zhì)處理提高硬度和韌性。
(2)工藝：精密鍛造或鑄造，高頻淬火、滲氮或噴涂耐磨涂層，并經(jīng)過精細(xì)研磨。
(3)結(jié)構(gòu)：空心軸設(shè)計(jì)可以減輕重量，油道設(shè)計(jì)可以保證潤(rùn)滑。
3、優(yōu)缺點(diǎn)
（1）優(yōu)點(diǎn)：
①鑄造，不需要大型鍛造設(shè)備，成本低；
②對(duì)應(yīng)力集中不敏感，疲勞強(qiáng)度接近中碳鋼；
③耐磨性好，對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的阻尼作用遠(yuǎn)優(yōu)于鋼。
(2)缺點(diǎn)：韌性低。
康明斯柴油柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用整體全支撐曲軸，即每個(gè)連桿軸頸兩側(cè)有一個(gè)主軸頸，共七個(gè)主軸頸。曲軸的材料由合金鋼鍛造而成。主軸頸和連桿軸頸表面經(jīng)過高頻淬火，表面硬度可達(dá)HRC45-HRC50。它們的表面經(jīng)過熱處理和精磨。為了提高疲勞強(qiáng)度，對(duì)曲柄與主軸頸和連桿軸頸之間的過渡圓角進(jìn)行淬火和表面滾壓。東風(fēng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有8個(gè)平衡塊。最初生產(chǎn)的是可拆卸結(jié)構(gòu)，大量生產(chǎn)后改為整體結(jié)構(gòu)。主軸頸為137mm，連桿頸mm。
三、曲軸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
1、一般曲軸的特點(diǎn)
(1)改善空心結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，減輕重量；
(2)軸頸與曲柄臂連接的過渡圓角，車入式較好；
(3)平衡重量與曲柄臂的連接(鑄造、螺栓、凸肩)；
曲軸平衡重量的作用：F₁和F₂M1-2形成的力矩，F(xiàn)₃和F₄形成的扭矩M3-4使曲軸彎曲變形，導(dǎo)致主軸頸部和軸承的部分磨損。因此，如圖3和圖4所示，在曲柄的相反方向設(shè)置平衡重。
(4)油通布置：
①線孔：有利于提高曲軸的疲勞強(qiáng)度；
②斜線孔：加工方便，前弱疲勞強(qiáng)度，混入潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)引起偏磨；
③使用內(nèi)腔：具有離心凈化作用；
④要求油孔具有較大的弧形和倒角，并仔細(xì)拋光。
圖3 曲軸平衡重力矩示意圖
圖4 曲軸平衡重位置圖
2、康明斯曲軸部件的特點(diǎn)
(1)曲軸的曲柄臂從曲軸的前端開始按順序編號(hào)，這些號(hào)碼用鋼印打在曲柄臂上。
(2)曲軸上有用螺栓緊固的平衡塊。它們的編號(hào)與安裝的曲柄臂的編號(hào)相同。
（3）早期曲軸和平衡塊之間形成壓力協(xié)調(diào)；現(xiàn)在設(shè)計(jì)的曲軸和平衡塊之間有一個(gè)開口環(huán)定位銷，使平衡塊定位在曲軸上。舊零件和新零件不能交換。
（4）如果在維修過程中拆下平衡塊，則必須記住標(biāo)記并將其安裝回原曲軸上的正確位置。如果安裝錯(cuò)誤，曲軸將損壞。更換平衡塊時(shí)，必須進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。
（5）6BT柴油發(fā)電機(jī)曲軸前端配有正時(shí)齒輪，凸輪軸由凸輪軸正時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)。凸輪軸正時(shí)齒輪由附件驅(qū)動(dòng)，PT燃油泵由油泵驅(qū)動(dòng)，油泵由油泵驅(qū)動(dòng)。這些齒輪上的正時(shí)標(biāo)記在配時(shí)時(shí)應(yīng)相互對(duì)齊。KTTA柴油發(fā)電機(jī)傳動(dòng)齒輪的布置。曲軸前端還配有扭轉(zhuǎn)減震器。減震器有兩種形式：橡膠原價(jià)減震器和粘性減震器。減震器可以將曲軸的扭轉(zhuǎn)振幅限制在0.2°在范圍內(nèi)。用螺釘固定帶輪和減震器。
(6)KTA19、KTA38、KTA50柴油發(fā)電機(jī)曲軸后端配有曲軸齒輪。曲軸上有兩種形式：窄的和寬的。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)不需要安裝后齒輪來驅(qū)動(dòng)下部總成時(shí)，只需要在工廠生產(chǎn)時(shí)安裝齒輪。這種窄齒輪只能驅(qū)動(dòng)油泵。維修期間不提供窄齒輪。
（7）當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)需要安裝后齒輪傳動(dòng)總成時(shí)，應(yīng)安裝寬齒輪；當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)沒有安裝后齒輪傳動(dòng)總成時(shí)，也可以安裝寬齒輪，而用于維護(hù)的曲軸只安裝寬齒輪。
（8）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的曲軸在前軸端、后軸端和后軸端安裝定位銷釘或卷筒銷。使用這種銷釘，減震器和曲軸可以正確對(duì)齊連接法蘭和飛輪，如圖5所示。
（9）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的所有曲軸油封均采用特氟隆（聚氟乙烯）覆蓋唇型（渦卷型），如圖6所示。這種特氟隆覆蓋唇型油封，油封唇口背面沒有彈簧，油封唇口為薄而硬的特氟隆。有兩種類型：濕式飛輪殼油封和干式飛輪殼油封。濕式飛輪殼油封具有唇部密封元件。干式飛輪殼油封具有密封元件和防塵唇。干式應(yīng)用在惡劣的運(yùn)輸環(huán)境中使用，如施工現(xiàn)場(chǎng)和灰塵較多的環(huán)境。
(10)曲軸前油封兩個(gè)油唇不得接觸臺(tái)階和油封安裝套筒。油封必須與齒輪室孔倒角齊平或不小于0.51mm。
（11）特氟隆性油封在組裝前必須干燥。不要用潤(rùn)滑脂或潤(rùn)滑油密封唇部和軸力。油封和曲軸必須保持清潔和干燥，否則會(huì)漏油。由于軸開始旋轉(zhuǎn)后特氟隆降油封，油封唇口在軸力上涂上一層特氟隆膜，油封會(huì)泄漏。
（12）飛輪安裝在曲軸的后端突緣上。曲軸的軸向位于曲軸的后端，即在第七主軸承的前后，上下嵌入四個(gè)半圓形止推環(huán)，以限制曲軸的軸向運(yùn)動(dòng)。組裝時(shí)，止推軸承的上槽必須指向曲軸上法蘭的一側(cè)。
總結(jié)：
曲軸是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的“動(dòng)力樞紐”，需要在高壓、高溫、高速和復(fù)雜載荷下可靠工作。其設(shè)計(jì)和制造水平直接影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命、效率和振動(dòng)噪聲性能。現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化曲軸性能，通過輕量化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)潤(rùn)滑系統(tǒng)（如可變油泵）和先進(jìn)材料（如碳纖維復(fù)合材料）。