一文徹底搞懂曲軸飛輪組的構造和工作原理

最新 08-01

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曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、扭轉減振器、皮帶輪、正時齒輪（或鏈輪）等組成。

四缸發動機的曲軸飛輪組 ▼

1. 曲軸

曲軸的作用及工作要求

曲軸主要功用是承受連桿傳來的力，並由此產生繞自身軸線的旋轉力矩，該力矩通過飛輪對外輸出；另外，曲軸還用來驅動發動機的配氣機構和發電機、水泵、轉向油泵、空氣壓縮機等附件。

曲軸是發動機最重要的部件之一，要求用強度、衝擊韌性和耐磨性都比較好的材料製造，一般採用中碳鋼（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，其軸頸表面經高頻淬火或氮化處理，最後進行精加工，從而達到高的精度和低的表面粗糙度。

為了提高曲軸的疲勞強度，消除應力集中，軸頸表面應進行噴丸處理，過渡圓角處要經滾壓處理。

工作時，曲軸承受氣體壓力、慣性力及慣性力矩的作用，受力大而且受力複雜，並且承受交變負荷的衝擊作用。同時，曲軸又是高速旋轉件。因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強度，具有良好的承受衝擊載荷的能力，耐磨損且潤滑良好。

曲軸的構造

曲軸一般由前端（自由端）、主軸頸、連桿軸頸（曲柄銷）、曲柄臂、平衡重和後端（或稱動力輸出端，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、曲軸正時皮帶輪（或正時齒輪、正時鏈輪）、啟動爪等，曲軸前端的結構如下圖所示。曲軸後端凸緣用以安裝飛輪，在後端軸頸與飛輪凸緣之間有擋油凸緣與回油螺紋，以阻止機油向後竄漏。

曲軸前端的結構 ▼

曲軸上磨光的表面為軸頸。曲軸支承在曲軸箱內旋轉的軸頸為主軸頸，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滑油道，如下圖所示。

曲軸內部的油道▼

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的力轉變成曲軸的旋轉力矩。軸頸與曲柄之間有過渡圓角，以增加強度，如下圖所示。一個連桿軸頸和它兩端的曲柄及相鄰兩個主軸頸構成一個曲拐。

主軸頸、連桿軸頸和軸承上都鑽有徑向油孔，這些油孔通過斜油道相連。這樣機油就可以進入主軸頸和連桿軸頸的工作表面進行潤滑。當連桿軸頸上的油孔與連桿大頭上的油孔對準時，機油可以從中噴出，對配氣機構和氣缸壁進行飛濺潤滑。

平衡重的作用是平衡連桿大頭、連桿軸頸和曲柄等產生的離心力及其力矩，如下圖所示，有時也平衡活塞連桿組的往複慣性力及其力矩，以使發動機運轉平穩。平衡重的數量有4塊、6塊、8塊等。若在曲軸的每個曲柄臂上都裝設平衡重，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數量較多，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，要承受周期性變化的氣體壓力、往複慣性力和離心力，以及它們產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、強度，各工作表面要耐磨而且潤滑良好，還必須有很高的動靜平衡要求。

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可以把曲軸分為全支承曲軸和非全支承曲軸兩種。每個連桿軸頸兩邊都有一個主軸頸者稱為全支承曲軸，如下圖中（a）所示；主軸頸數等於或少於連桿軸頸數者稱為非全支承曲軸，如下圖中（b）所示。

直列式發動機的全支承曲軸，其主軸頸數（包括曲軸前端和後端的主軸頸）比氣缸數多一個；V 形發動機的全支承曲軸，其主軸頸數比氣缸數的一半多一個。

全支承曲軸的優點是可以提高曲軸的剛度，並且可減輕主軸承的載荷；其缺點是曲軸長度較長，使發動機機體長度增加。

曲拐的布置

曲軸的形狀和各曲拐的相對位置取決於氣缸數、氣缸的排列形式和做功順序（即點火順序）。當氣缸數和氣缸排列形式確定之後，曲拐的布置就只取決於發動機的做功順序。

多缸發動機各缸的做功間隔時間（以曲軸轉角表示，稱為做功間隔角）應均勻。對於氣缸數為i 的直列四衝程發動機而言，做功間隔角為720°/i 時，即曲軸每轉720°/i 時，就應有一個氣缸做功，以保證發動機運轉平穩。

在安排多缸發動機的做功順序時，應使連續做功的兩缸相隔盡量遠，以減少主軸承的連續載荷，同時避免相鄰兩缸進氣門同時開啟造成的搶氣現象；V 形發動機左右兩列氣缸盡量交替做功。

常見的幾種多缸發動機曲拐的布置和工作順序如下 ▼

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終於滾到底了

曲軸前、後端密封

曲軸前端是第一道主軸頸之前的部分，通常有鍵槽，用來安裝驅動機油泵的齒輪（有的機油泵通過皮帶傳動）、驅動水泵的皮帶輪等。曲軸後端是最後一道主軸頸之後的部分，有安裝飛輪用的凸緣。

此外，曲軸前端為了減小扭轉振動而裝有扭轉減振器，早期的一些中、小型貨車發動機的曲軸前端還裝有啟動爪，以便必要時用人力轉動曲軸，使發動機啟動。

曲軸前後端都伸出曲軸箱，為了防止潤滑油沿軸頸流出，在曲軸前後都設有防漏裝置。常用的防漏裝置主要是油封，如下圖所示。

曲軸前後端的密封裝置▼

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軸承，即主軸瓦（上瓦及下瓦）。主軸承上瓦裝在機體的主軸承座孔內；而下瓦則裝在主軸承蓋內。機體主軸承座和主軸承蓋是通過主軸承螺栓連接在一起的。主軸承的材料、結構形式、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油，在主軸承上瓦上通常開有油孔和油槽，如下圖所示，而主軸承下瓦由於受到較高的載荷，通常是不開油孔和油槽的。安裝曲軸主軸承時，要注意軸承的位置、方向，不可將主軸承上、下瓦裝錯。

曲軸軸向定位

曲軸作為轉動件，在工作的過程中，必然受到發動機氣缸體的熱傳遞，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。

這就使得曲軸產生一定的熱膨脹，而使曲軸長度增加，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，由於踩踏離合器而對曲軸施加軸向推力，或汽車上下坡時，均可能使曲軸發生軸向竄動。過大的軸向竄動將影響活塞連桿組的正常工作，破壞正確的配氣定時和柴油機的噴油定時。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採用推力軸承。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，防止其轉動。止推片的材料和結構與曲軸軸承相同，也是由鋼背和減摩合金層組成的。▼

每根曲軸只能在一個主軸頸上設置止推片，安裝時，止推片有減摩層的一面朝向轉動件。曲軸軸向間隙可通過更換不同厚度的止推片來調整。

2.曲軸皮帶輪和扭轉減振器

汽車發動機的曲軸皮帶輪和扭振減振器都裝在曲軸的前端。前者用來驅動冷卻水泵、發電機、空調壓縮機等附件，後者用來消減曲軸的扭轉振動。

曲軸實際上是具有一定彈性和旋轉重量的軸，這是曲軸產生扭轉振動的原因。在發動機工作過程中，經連桿傳給曲軸的作用力的大小和方向不斷變化，從而使得曲軸旋轉的瞬時角速度也不斷變化。這樣就造成曲軸相對於飛輪轉動忽快忽慢，使曲軸產生扭轉振動。這種振動對發動機的工作非常有害，一旦出現共振，會加劇發動機的抖動。所以，必須採取減振、消振措施，其中比較有效的就是在曲軸前端安裝扭轉減振器。

汽車發動機最常用的曲軸扭轉減振器是摩擦式扭轉減振器，其可分為橡膠式曲軸扭轉減振器及硅油式扭轉減振器兩類。常用的是橡膠式曲軸扭轉減振器，如下圖所示。

橡膠式曲軸扭轉減振器▼