第三节 曲 轴

一、曲轴的功用、工作条件及材料：
（１）功用：汇集所有气缸内燃烧气体所做的功，以旋转的形式输出。
（２）工作条件：Ａ.气体压力往复质量惯性力，回转离心力，容易产生很大的交变弯曲应力和扭曲应力。
　　　　　　　　Ｂ.曲轴本身形状复杂，截面变化大，应力集中严重。
　　　　　　　　Ｃ.轴颈表面在高比压下高速运动，而且载荷时冲击的，不容易建立稳定的油膜。
　　　　　　　　Ｄ.曲轴为细长轴，若刚度不足，容易产生变形和扭转振动。
（３）材料：优质碳钢和碳素钢锻造而成。（35，40，45，ZG35）
　　　　　　球墨铸铁：强度不太高的中，高速机中广泛采用。
　　　优点：a.铸造，不用大型锻造设备，造价低
　　　　　　b.对应力集中不敏感，疲劳强度接近中碳钢。
　　　　　　c.耐磨性好，对扭转振动阻尼作用远胜于钢。
　　　缺点：韧性较低。
　　　要求：为提高耐磨性，球墨铸铁进行正火或高频淬火，钢的要调质，高频淬火或氮化。
　　　　　　轴颈表面要精磨，抛光，以防出现裂缝。
二、曲轴的分类 (切开的曲轴虚拟模型)
（１）整体式曲轴：中，高速柴油机，主轴颈，曲柄销和曲柄臂一体。(动画演示) (虚拟模型)
（２）套合式曲轴：
　　　a全套式：(动画演示) 曲柄销，曲臂，主轴颈都分别制造，然后套合为一体。
　　　b半套合式： (动画演示) 曲柄销与曲臂为一体。
套合方法：红套或液压套。
用于大型低速柴油机，消除了大件锻造困难。
分段式曲轴也是同样道理。
（３）圆盘式曲轴(动画演示) (虚拟模型)：主轴颈和曲臂合成一个圆盘。圆盘外面多半是同时装有短滚柱式主轴承，轴向尺寸紧凑，曲柄销长度可加大，刚度较大，承载能力强，但组成本高，噪声大，重量大。

三、曲轴各部分结构

四、曲轴扭振与减振器。

（１）扭振的概念
　　假设有一个弹性钢棒，其一端被固定，而另一自由端上有一个圆盘，如果把圆盘施加一个扭矩，将他转动某一角度，然后放开，则系统将在钢棒材料弹力及圆盘质量惯性力的作用下进行角振动，圆盘和弹性钢棒时而转到其平衡位置（静止时的位置）的这一边，时而又转到其平衡位置的另一边。这样的角振动，称为自由扭转振动；偏离平衡位置的最大角度，称为振幅，其振动频率（即每分钟振动的次数）称为自由振动频率。圆盘质量越大及钢棒的刚性愈小，自振频率越小。
　　由于钢棒材料内部的分子之间有摩擦作用（称为阻尼），自由扭阵现象将逐渐衰减，振幅逐渐变小，最后整个系统便停止振动。

（２）曲轴的扭振
　　柴油机的曲轴也不是绝对刚体，它与随同一起运动的活塞组、连杆组及飞轮等构成一个质量很大的弹性系统，在外力作用下，也会发生扭转振动。这样一个弹性系统，如图所示的情况：

其前端为自由端，其后端好像固定在飞轮前的附近，振动系统的质量分散在曲轴全长上。当柴油机的曲柄连杆机构和飞轮的尺寸、材料等一定时，这个弹性系统，也就是曲轴便有完全确定的自振频率。
（３）橡胶减振器 (动画演示)
　　轮毂固定在曲轴上，减振体为圆环形，他们与中间的硫化橡胶层贴合。当曲轴旋转时，轮毂通过橡胶层带着减振体一起旋转，当曲轴发生扭转振动时，减振体由于惯性力图保持原来的运动状态，橡胶层便产生很大的交变剪切变形，吸收很多的扭振能量，使曲轴扭振减弱。

（４）硅油减振器 (动画演示)
　　减振器壳体和盖板内密封一个惯量相当大的惯性盘，在壳体与惯性盘之间有狭窄间隙，间隙中充满硅油。当曲轴发生扭振时，固定在自由端的壳体因惯量小随曲轴一起振动，而惯性盘的惯量相对于壳体则很大，壳体与惯性盘之间产生相对角位移，粘度很大的硅油在狭窄的间隙中产生阻尼，衰减曲轴扭振能量。