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直列和V型發(fā)動機的曲拐布置方式

 

摘要：所謂的曲拐布置方式，是指多缸發(fā)動機各曲拐之間的夾角，常見的三種夾角是90°、120°和180°，其中90°和120°稱為空間曲拐，180°稱為平面曲拐。曲拐的布置位置與發(fā)動機氣缸數(shù)量、氣缸的排列型式、發(fā)動機的平衡以及各氣缸的工作順序密切相關(guān)，并且具有一定的規(guī)律。一般來說，應(yīng)遵循各氣缸的做功間隔角均衡、連續(xù)做功的兩個氣缸相隔較遠、V型發(fā)動機左右兩排氣缸盡量交替做功，曲拐布置應(yīng)對稱、均勻，發(fā)動機工作平衡性較好等原則。

 

一、曲軸作用和結(jié)構(gòu)

 

1、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，并由此產(chǎn)生繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)力矩，該力矩通過飛輪對外輸出；另外，曲軸還用來驅(qū)動發(fā)動機的配氣機構(gòu)和發(fā)電機等附件。

      曲軸是發(fā)動機最重要的部件之一，要求用強度、沖擊韌性和耐磨性都比較好的材料制造，一般采用中碳鋼（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(jīng)高頻淬火或氨化處理，最后進行精加工，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(yīng)力集中，軸頸表面應(yīng)進行噴丸處理，過渡圓角處要經(jīng)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，受力大而且受力復(fù)雜，并且承受交變負荷的沖擊作用。同時，曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件。因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤滑良好。

2、曲軸的結(jié)構(gòu)

      如1圖所示，曲軸一般由前端、主軸頸、曲柄、平衡重、連桿軸頸和后端組成。由一個連桿軸頸和它左右主軸頸組成一個曲拐。曲軸的曲拐數(shù)取決于汽缸的數(shù)目和排列方式。單缸發(fā)動機的曲軸只有一個曲拐；直列式發(fā)動機曲軸的曲拐數(shù)等于汽缸數(shù)；V型發(fā)動機曲軸的曲拐數(shù)等于汽缸數(shù)的一半。

      在曲軸的前端軸上安裝有皮帶輪、正時齒輪等，用于驅(qū)動水泵、配氣機構(gòu)等，曲軸前端結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。曲軸的主軸頸安裝在汽缸體主軸承座內(nèi)，用于支撐曲軸。連桿軸頸用于安裝連桿，曲柄連接主軸頸與連桿軸頸，為了平衡曲軸旋轉(zhuǎn)時的離心力，在曲軸上設(shè)有平衡塊。在曲軸的后端設(shè)有連接凸緣，通過螺栓將飛輪連接到曲軸上。為潤滑連桿軸頸，從主軸頸向連桿軸頸鉆有潤滑油道。

2、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(shù)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；主軸頸數(shù)等于或少于連桿軸頸數(shù)者稱為非全支承曲軸。

      直列式發(fā)動機的全支承曲軸，其主軸頸數(shù)（包括曲軸前端和后端的主軸頸）比氣缸數(shù)多一個；V形發(fā)動機的全支承曲軸，其主軸頸數(shù)比氣缸數(shù)的一半多一個。全支承曲軸的優(yōu)點是可以提高曲軸的剛度，并且可減輕主軸承的載荷；其缺點是曲軸長度較長，使發(fā)動機機體長度增加。

 

圖1  柴油機曲軸結(jié)構(gòu)示意圖.

圖2  柴油機曲軸前端結(jié)構(gòu)平面圖

 

二、曲拐布置基本原則

 

      曲軸的形狀和各曲拐的相對位置主要取決于汽缸數(shù)、汽缸的排列形式和各缸的工作順序，圖3為直列四缸四沖程發(fā)動機的曲拐布置簡圖，圖4為直列六缸四沖程發(fā)動機的曲拐布置簡圖。在安排柴油機工作順序時應(yīng)盡量遵循基本原則，比如，使連續(xù)作功的兩缸盡可能相距遠些，以減輕主軸承的負荷，避免在進氣過程中發(fā)生相連兩氣門同時開啟，出現(xiàn)“搶氣”現(xiàn)象，影響柴油機的充氣效率。柴油機曲拐的布置原則主要包括以下幾點：

1、最小化不平衡力

      柴油機曲拐的布置應(yīng)盡量使得不同連桿的活塞在任何工作點上都產(chǎn)生相同大小的力。這樣可以降低發(fā)動機的振動和噪音。

2、最小化摩擦損失

      柴油機曲拐的布置應(yīng)盡量減少連桿和曲軸之間的摩擦。在布置過程中，要注意減小連桿離心力和軸向力的影響，以及減少柴油機曲拐部分的慣性力。

3、最大化功率傳輸

      柴油機曲拐的布置應(yīng)能夠最大化發(fā)動機的功率輸出。要實現(xiàn)這一點，可以通過采用合適的連桿比例和柴油機曲拐的位置，以及最佳的曲軸軸向位置和連桿角度來實現(xiàn)。

4、綜合考慮空間限制

      柴油機曲拐的布置還需要考慮到發(fā)動機的整體尺寸和形狀。在有限的空間內(nèi)，要盡量合理布置柴油機曲拐，以滿足其他部件的安裝和工作需求。

5、考慮制造和裝配的可行性

      柴油機曲拐的布置還需要考慮到制造和裝配的可行性。要選擇能夠?qū)崿F(xiàn)高精度加工和裝配的布置方案，以確保柴油機曲拐的質(zhì)量和性能。

 

圖3  直列四缸四沖程發(fā)動機的曲拐布置簡圖

圖4  直列六缸四沖程發(fā)動機的曲拐布置簡圖

 

三、曲拐布置特點和工作順序

 

       曲軸的形狀及曲柄銷間的相互位置（即曲拐的布置）與沖程數(shù)、汽缸數(shù)、汽缸排列方式和各汽缸做功行程發(fā)生的順序（稱為發(fā)火次序或工作順序）有關(guān)。曲軸的形狀要同時滿足慣性力的平衡和發(fā)動機工作平穩(wěn)性的要求。就四沖程發(fā)動機而言，曲軸每轉(zhuǎn)兩圈（即一個工作循環(huán)），每缸都應(yīng)發(fā)火做功一次。各缸的發(fā)火間隔時間（以°CA表示）應(yīng)力求均勻。設(shè)發(fā)動機有個汽缸，則發(fā)火間隔應(yīng)為720°/i°CA，即曲軸每轉(zhuǎn)720°/i時，就應(yīng)有一個缸做功，這樣才能使發(fā)動機工作平穩(wěn)。現(xiàn)就常用的4缸、6缸和V型8缸發(fā)動機說明如下。

1、四缸直列發(fā)動機

      直列四缸是最為常見的，它有四個曲拐，絕大多數(shù)都是互相成180°，屬于平面曲拐布置。V型以及水平對置發(fā)動機也有四個曲拐，也是互相成180°的平面曲拐布置，為了縮短發(fā)動機的長度，一般會采用半支撐式曲軸。四缸發(fā)動機在運行中可以平衡掉一階振動，但是二階振動無法平衡，所以絕大多數(shù)的四缸發(fā)動機還是有一個平衡軸的，布置圖如圖5所示。

（1）直列四沖程發(fā)動機曲拐布置特點（3min)

① 曲軸的形狀和各曲拐的布置取決于氣缸數(shù)、氣缸排列形式和發(fā)動機的發(fā)火順序，連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠些，以減少主軸承連續(xù)載荷和避免可能發(fā)生的進氣重疊現(xiàn)象。

② 各缸的作功間隔要盡量均勻，以使發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。4缸發(fā)動機因缸數(shù)i=4，所以發(fā)火間隔應(yīng)為720°/4一180°CA。其曲柄銷布置4個曲柄銷布置在同一平面內(nèi)，1、4缸的曲柄銷朝上時，2、3缸的朝下，1、4缸與2、3缸相隔180°。

（2）發(fā)動機工作順序有：1-3-4-2和1-2-4-3兩種，工作演示如圖6所示。

表1    如果作功順序是1-3-4-2則工作順序表（5min）如下：

 

圖5  四缸機曲拐布置圖

圖6  四缸發(fā)動機點火順序演示圖

2、六缸直列發(fā)動機

      直列六缸發(fā)動機的六個曲拐均勻的布置在互成120°的三個平面內(nèi)，恰好使活塞上下運動時產(chǎn)生的一階振動和二階振動互相抵消，并且各缸做功銜接完美，因此它可以完美的實現(xiàn)自平衡。在所有的發(fā)動機中，直列六缸發(fā)動機是唯一一個不用加裝任何平衡裝置就可以平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的。

（1）曲拐布置形式特點（5min)

      六個曲拐對稱布置于互成120°角的三個平面內(nèi)。從曲軸前端看，一六曲拐正對，二五曲拐正對，三四曲拐正對。 作功間隔角720°/6 =120°，如圖7所示。

（2）發(fā)動機工作順序有：1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5兩種，如圖8所示。

表2    如果作功順序是1-5-3-6-2-4，則工作順序表（5min）如下：

 

圖7  直列六缸發(fā)動機曲拐布置圖

圖8  六缸發(fā)動機點火順序

 

 

3、V型缸發(fā)動機

      8缸機大多將汽缸排列成雙列v形（兩列汽缸的中心線夾角常取90°）。因其汽缸數(shù)i=8，所以，各缸發(fā)火間隔應(yīng)為720°/8=90°CA。做功順序因發(fā)動機不同而不同，一般有1-5-4-8-6-3-7-2和1-5-4-2-6-3-7-8兩種。V8發(fā)動機有四個曲拐，這四個曲拐的布置方式有兩種。一種是互成180°的平面布置，一種是互成90°的空間布置。

（1）曲拐互成90°的空間布置方式

      一般被美系V8發(fā)動機采用。這種布置方式最大的優(yōu)點就是運轉(zhuǎn)起來特別的平順，靜音效果也比較好，發(fā)動機的使用壽命也比較長。不過這種布置方式曲軸重量比較大，發(fā)動機比較笨重。此外，由于會有同側(cè)氣缸連續(xù)做功，因此會有排氣干涉現(xiàn)象，發(fā)動機會發(fā)出獨特的煮水聲排氣聲浪。

（2）曲拐互成180°的平面布置方式

      一般被歐系V8發(fā)動機采用。這種布置方式最大的優(yōu)點就是曲軸重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升快，瞬間加載性能好。缺點是發(fā)動機的振動比較大，需要加裝平衡軸來平衡曲軸的轉(zhuǎn)動慣量。所以用起來性能優(yōu)越，但是噪音、振動比較大。

 

總結(jié)：

      以上就是常見發(fā)動機的曲拐布置方式以及它們對發(fā)動機性能的影響，還有一些更大型的柴油發(fā)動機，比如12V、16V發(fā)動機等。它們的氣缸數(shù)更多，通常只能采用空間布置的曲拐布置方式。總而言之，柴油機曲拐的布置原則是為了實現(xiàn)平衡、高效、低噪音和高功率輸出的發(fā)動機運行，同時考慮到空間限制和制造可行性。

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