對康明斯發動機曲軸結構和技術要求

柴油發動機曲軸是內燃機的核心部件之一。它是連接活塞和飛輪在發動機內部的部件。其功能主要是將活塞的直線運動轉化為旋轉運動，包括運動轉換、動力傳遞和附件驅動能力。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，高負荷和交變應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。這兩種結構基本相同，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）能量轉換：將活塞的往復直線運動轉換為旋轉運動，為柴油發動機提供動力輸出。活塞通過連桿推動曲軸，曲軸的旋轉運動最終傳遞到飛輪和傳動系統，驅動車輛行駛。

(2)動力傳遞：通過飛輪將扭矩傳遞到離合器或液力變矩器，然后驅動傳動系統。

驅動配件：通過皮帶輪或齒輪驅動柴油機配件，如凸輪軸、水泵、發電機等。

(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動產生的往復慣性力，減少柴油發動機的振動。

2、曲軸的工作條件

曲軸在極其復雜的環境中工作，需要承受各種各樣的載荷和挑戰：

(1)高機械負荷

①交變應力：活塞爆發壓力周期性沖擊曲軸，導致交變彎曲和扭轉應力，容易造成疲勞斷裂。

②高速旋轉：50HZ柴油機轉速可達1500rpm，60HZ柴油機轉速可達1800rpm rpm，產生巨大的離心力。

②扭轉振動：燃燒爆發的脈沖扭矩可引起曲軸扭轉振動，應與減振器配合使用。

熱負荷：高溫氣體通過活塞、連桿傳遞熱量，曲軸表面溫度可達100~200°C，局部區域(如連桿軸頸)可能較高，導致材料強度下降。

(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摩擦，如果潤滑不良，容易造成磨損或“燒瓦”。

(4)腐蝕性環境：與油中的酸性物質(燃燒副產物)和水分接觸，可引起化學腐蝕。

（5）動態平衡要求：質量分布不均勻會導致劇烈振動，需要進行精確的動態平衡處理（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、抗扭疲勞強度和剛度；

②足夠的承壓面積和較高的耐磨性，可多次進行車前維修；

③曲柄排列合理，發火順序合理。

2、曲軸的設計和材料

(1)材料：多采用高強度合金鋼或球墨鑄鐵，通過調質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，并經過精細研磨。

(3)結構：空心軸設計可以減輕重量，油道設計可以保證潤滑。

3、優缺點

（1）優點：

①鑄造，不需要大型鍛造設備，成本低；

②對應力集中不敏感，疲勞強度接近中碳鋼；

③耐磨性好，對扭轉振動的阻尼作用遠優于鋼。

(2)缺點：韌性低。
康明斯柴油柴油發動機曲軸采用整體全支撐曲軸，即每個連桿軸頸兩側有一個主軸頸，共七個主軸頸。曲軸的材料由合金鋼鍛造而成。主軸頸和連桿軸頸表面經過高頻淬火，表面硬度可達HRC45-HRC50。它們的表面經過熱處理和精磨。為了提高疲勞強度，對曲柄與主軸頸和連桿軸頸之間的過渡圓角進行淬火和表面滾壓。東風柴油發動機曲軸有8個平衡塊。最初生產的是可拆卸結構，大量生產后改為整體結構。主軸頸為137mm，連桿頸mm。

三、曲軸結構的特點
1、一般曲軸的特點

(1)改善空心結構的應力，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，F₃和F₄形成的扭矩M3-4使曲軸彎曲變形，導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置平衡重。

(4)油通布置：

①線孔：有利于提高曲軸的疲勞強度；

②斜線孔：加工方便，前弱疲勞強度，混入潤滑油中的雜質引起偏磨；

③使用內腔：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

(1)曲軸的曲柄臂從曲軸的前端開始按順序編號，這些號碼用鋼印打在曲柄臂上。

(2)曲軸上有用螺栓緊固的平衡塊。它們的編號與安裝的曲柄臂的編號相同。

（3）早期曲軸和平衡塊之間形成壓力協調；現在設計的曲軸和平衡塊之間有一個開口環定位銷，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，則必須記住標記并將其安裝回原曲軸上的正確位置。如果安裝錯誤，曲軸將損壞。更換平衡塊時，必須進行動平衡試驗。

（5）6BT柴油發電機曲軸前端配有正時齒輪，凸輪軸由凸輪軸正時齒輪驅動。凸輪軸正時齒輪由附件驅動，PT燃油泵由油泵驅動，油泵由油泵驅動。這些齒輪上的正時標記在配時時應相互對齊。KTTA柴油發電機傳動齒輪的布置。曲軸前端還配有扭轉減震器。減震器有兩種形式：橡膠原價減震器和粘性減震器。減震器可以將曲軸的扭轉振幅限制在0.2°在范圍內。用螺釘固定帶輪和減震器。

(6)KTA19、KTA38、KTA50柴油發電機曲軸后端配有曲軸齒輪。曲軸上有兩種形式：窄的和寬的。當柴油發電機不需要安裝后齒輪來驅動下部總成時，只需要在工廠生產時安裝齒輪。這種窄齒輪只能驅動油泵。維修期間不提供窄齒輪。

（7）當柴油發電機需要安裝后齒輪傳動總成時，應安裝寬齒輪；當柴油發電機沒有安裝后齒輪傳動總成時，也可以安裝寬齒輪，而用于維護的曲軸只安裝寬齒輪。

（8）柴油發動機上的曲軸在前軸端、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齊連接法蘭和飛輪，如圖5所示。

（9）柴油發動機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。干式應用在惡劣的運輸環境中使用，如施工現場和灰塵較多的環境。

(10)曲軸前油封兩個油唇不得接觸臺階和油封安裝套筒。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。不要用潤滑脂或潤滑油密封唇部和軸力。油封和曲軸必須保持清潔和干燥，否則會漏油。由于軸開始旋轉后特氟隆降油封，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，上下嵌入四個半圓形止推環，以限制曲軸的軸向運動。組裝時，止推軸承的上槽必須指向曲軸上法蘭的一側。


總結：

曲軸是柴油發動機的“動力樞紐”，需要在高壓、高溫、高速和復雜載荷下可靠工作。其設計和制造水平直接影響柴油發動機的使用壽命、效率和振動噪聲性能。現代柴油發動機進一步優化曲軸性能，通過輕量化設計，加強潤滑系統（如可變油泵）和先進材料（如碳纖維復合材料）。