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零件裝配與結(jié)構(gòu)組成 |
圖解柴油機(jī)曲軸飛輪組工作原理及結(jié)構(gòu)名稱 |
摘要：曲軸飛輪組的功用是將活塞連桿組傳來的力轉(zhuǎn)變成扭矩，從軸上輸出機(jī)械功，同時驅(qū)動柴油機(jī)各機(jī)構(gòu)及輔助系統(tǒng)，克服非做功沖程的阻力，還可儲存和釋放能量，使柴油機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。它主要由皮帶輪、正時齒輪、飛輪、曲軸、扭轉(zhuǎn)減震器等組成。曲軸飛輪組在發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)中起到重要的作用，通過合理的構(gòu)造和設(shè)計，能夠提供平穩(wěn)、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動能量，保證整機(jī)的正常運行。因此，它的存在使柴油發(fā)電機(jī)組具備更好的性能和可靠性。
一、曲軸飛輪組的作用
曲軸飛輪組是機(jī)械傳動系統(tǒng)中的重要部件之一，由曲軸和飛輪兩部分組成，如圖1所示。它的主要作用是平衡發(fā)動機(jī)自身的旋轉(zhuǎn)慣量，提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動能量，并調(diào)整機(jī)械傳動過程中的不平衡力。
1、平衡旋轉(zhuǎn)慣量
曲軸飛輪組通過合理的組合設(shè)計，能夠減小發(fā)動機(jī)內(nèi)部的振動和沖擊，提高整機(jī)的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。
2、調(diào)整不平衡力
曲軸飛輪組可以調(diào)整機(jī)械傳動過程中的不平衡力，提高機(jī)械系統(tǒng)的平衡性，減少額外的振動和噪音。
3、穩(wěn)定動力輸出
曲軸能夠提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動能量，使發(fā)動機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時仍能保持平衡，不會由于轉(zhuǎn)速變化而影響動力輸出。曲軸安裝示意圖如圖2所示。
4、輔助啟動功能
飛輪作為發(fā)動機(jī)啟動的輔助部件，可以儲存能量，并通過啟動系統(tǒng)將其傳遞給發(fā)動機(jī)，提高啟動的可靠性和效率。
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圖1 柴油機(jī)曲軸飛輪組結(jié)構(gòu)組成示意圖 |
圖2 柴油發(fā)電機(jī)曲軸安裝示意圖 |
二、 曲軸結(jié)構(gòu)組成和作用
1、曲軸的功用、工作條件及制造方法
（1）作用
曲軸的功用是將氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ剌敵?，以?qū)動與其相連的動力裝置。此外，它還要驅(qū)動柴油機(jī)本身的配氣機(jī)構(gòu)及各種附件，如噴油泵、水泵和冷卻風(fēng)扇等。
（2）工作條件
曲軸在工作時，由于承受很高的氣體力、往復(fù)慣性力、離心力及其力矩的作用，因此曲軸內(nèi)部產(chǎn)生沖擊性的交變應(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)），并易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，從而引起曲軸的疲勞破壞。另外由于各軸頸在很高的壓力下做高速轉(zhuǎn)動，使軸頸與軸承磨損嚴(yán)重，所以，對曲軸的要求是：耐疲勞，耐沖擊；有足夠的強(qiáng)度和剛度；軸頸表面的耐磨性好并經(jīng)常保持良好的潤滑狀態(tài)；靜平衡與動平衡要好；在使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。安裝固定可靠并加以軸向定位或限制軸向位移。
（3）制造
曲軸毛坯制造采用鑄造和鍛造兩種方法。鍛造曲軸主要用于強(qiáng)化程度高的柴油機(jī)，這類曲軸一般采用強(qiáng)度極限和屈服極限較高的合金鋼（如40Cr、35CrMo等）或中碳鋼（如45鋼）制造。鑄造曲軸廣泛應(yīng)用于中小功率柴油機(jī)，通常采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵鑄造，其優(yōu)點是：制造方便，成本低；能夠鑄出合理的結(jié)構(gòu)形狀；對扭轉(zhuǎn)振動的阻尼作用優(yōu)于鋼材。
2、曲軸的分類
（1）曲軸按各組成部分的連接情況，可分為組合式曲軸和整體式曲軸兩種。
① 組合式曲軸將曲軸分成若干部分，分別制造與加工，然后組裝成一個整體。其優(yōu)點是加工方便，便于產(chǎn)品系列化。缺點是拆裝不方便，組裝質(zhì)量不易保證，重量大，成本高，采用滾動軸承，噪聲大，難以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速。
② 整體式曲軸如圖3所示，即曲軸的各組成部分鑄（或鍛）造在一根曲軸毛坯上。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，強(qiáng)度及剛度好，重量輕，成本低。
（2） 按照曲軸主軸頸數(shù)目，可分為全支承曲軸和非全支承曲軸兩種。
① 全支承曲軸即是在任兩個相鄰曲拐之間都設(shè)有主軸頸的曲軸，其主軸頸總數(shù)比連桿軸頸數(shù)多一個。這種曲軸的優(yōu)點是曲軸的剛度大，主軸承負(fù)荷輕。其缺點是柴油機(jī)軸向尺寸加長。
② 非全支承曲軸的主軸頸總數(shù)等于或少于連桿軸頸數(shù)，其優(yōu)點是尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。缺點是剛度和強(qiáng)度較差，主軸承負(fù)荷較重。柴油機(jī)因負(fù)荷較重，一般多采用全支承曲軸。非全支承曲軸多用于負(fù)荷較輕的柴油機(jī)。
3、曲軸的構(gòu)造
曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸（曲柄銷）、曲柄臂、平衡重（并非所有曲軸都有）、前端（自由端）和后端（功率輸出端）等組成。
① 主軸頸與連桿軸頸
柴油機(jī)的主軸頸與連桿軸頸都是尺寸精度較高和粗糙度較低的圓柱體，它們以較大的圓弧半徑與曲柄臂相連接。主軸頸是用來支承曲軸的，曲軸繞主軸頸中心高速旋轉(zhuǎn)。主軸頸多為實心的，而球墨鑄鐵的曲軸主軸頸與連桿軸頸大多是空心的，其優(yōu)點是可以減少旋轉(zhuǎn)重量，從而減少其離心力；同時可作為潤滑油離心濾清的空腔。主軸頸與連桿軸頸采用壓力潤滑，潤滑油通過曲柄臂中的斜油道被壓送至連桿軸頸空腔內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，將機(jī)油中密度大的金屬磨屑及其他雜質(zhì)甩向空腔的外壁，內(nèi)側(cè)干凈的機(jī)油通過油管流到連桿軸頸及軸承摩擦表面。
② 曲柄臂（簡稱曲柄）
曲柄臂的作用是連接主軸頸與連桿軸頸，通常制成橢圓形或圓形，其厚度與寬度應(yīng)使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。
③ 平衡重
如圖4所示，平衡重通常設(shè)在與連桿軸頸相對的一側(cè)曲柄臂上，其形狀多為扇形。平衡重的作用是平衡連桿軸頸及曲柄臂的重量、離心力及其力矩，以減輕主軸承的載荷，增加運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。
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圖3 柴油發(fā)電機(jī)組整體式曲軸 |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)組曲軸曲柄上的平衡重 |
④ 曲軸前端
曲軸前端制成有臺肩的圓柱形，如圖5所示。其上分別裝有正時齒輪7、擋油圈6、油封5、帶輪2和止推片8等零件。有些中小功率柴油機(jī)曲軸前端設(shè)有啟動爪1，另有一些高速柴油機(jī)曲軸前端裝有扭轉(zhuǎn)減振器，還有些工程機(jī)械用柴油機(jī)的曲軸前端設(shè)有動力輸出裝置。
⑤ 曲軸后端
如圖6所示，一般曲軸后端設(shè)有油封6、回油螺槽7、后凸緣8等結(jié)構(gòu)。曲軸后端的尾部伸出機(jī)體外，以便將柴油機(jī)的功率輸送給配套機(jī)具的傳動裝置。后端多裝有飛輪，通過花鍵或凸緣與其相配，然后用螺栓固緊。由于飛輪尺寸大而重，因此對螺栓的緊固有一定的要求。
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圖5 柴油發(fā)電機(jī)組曲軸曲軸前端 |
圖6 柴油發(fā)電機(jī)組曲軸曲軸后端 |
4、曲軸的形狀和發(fā)火次序
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)、氣缸數(shù)、氣缸排列方式和各氣缸做功行程發(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(jī)工作平穩(wěn)性的要求。就四沖程發(fā)動機(jī)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(jī)有i個氣缸，則發(fā)火間隔應(yīng)為720°/i℃A，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(jī)工作平穩(wěn)?，F(xiàn)就常用的4缸、6缸和V形8缸發(fā)動機(jī)說明如下。
① 四沖程直列4缸
發(fā)動機(jī)因缸數(shù)i＝4，所以發(fā)火間隔應(yīng)為720°/4＝180℃A。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°。這種發(fā)動機(jī)可能采用的一種發(fā)火次序如表1所示。如表1所示的發(fā)火次序為1-3-4-2，我們習(xí)慣上以第1缸為準(zhǔn)，1缸做功后接著是第3缸做功，依此類推。這種發(fā)動機(jī)的各缸就是按照1-3-4-2的順序循環(huán)，周而復(fù)始地工作著。
表1 4缸機(jī)工作循環(huán)（發(fā)火次序1-3-4-2）
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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0~180
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進(jìn)氣
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壓縮
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排氣
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做功
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180~360
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壓縮
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做功
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進(jìn)氣
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排氣
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360~540
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做功
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排氣
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壓縮
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進(jìn)氣
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540~720
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排氣
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進(jìn)氣
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做功
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壓縮
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如果將上述的2、3缸工作過程互換，則可得到表2所示的另一種發(fā)火次序。這種互換之所以可能，是因為2、3缸的曲柄銷（連桿軸頸）以及活塞的位置是相同的。這樣就得到另一種發(fā)火次序：1-2-4-3。
表2 4缸機(jī)工作循環(huán)（發(fā)火次序1-2-4-3）
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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0~180
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進(jìn)氣
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排氣
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壓縮
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做功
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180~360
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壓縮
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進(jìn)氣
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做功
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排氣
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360~540
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做功
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壓縮
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排氣
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進(jìn)氣
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540~720
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排氣
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做功
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進(jìn)氣
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壓縮
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因此，圖7所示的4缸機(jī)可能采用兩種發(fā)火次序：1-3-4-2和1-2-4-3。不過，對某一特定的發(fā)動機(jī)而言，由于發(fā)火次序還與其配氣機(jī)構(gòu)等因素有關(guān)，其發(fā)火次序是確定的，不能隨意變更。使用一臺發(fā)動機(jī)時，必須了解其發(fā)火次序。1-3-4-2和1-2-4-3兩種發(fā)火次序在工作平穩(wěn)性和主軸承負(fù)荷方面，沒有什么區(qū)別。但大多數(shù)發(fā)動機(jī)采用前一種，只有少數(shù)發(fā)動機(jī)采用后一種發(fā)火次序。
② 四沖程直列6缸
發(fā)動機(jī)的發(fā)火間隔應(yīng)為720°/6＝120°CA，其曲軸形狀如圖6所示。6個曲柄銷分別布置在3個平面內(nèi)（每平面內(nèi)2個曲柄銷），各平面間互成120°。曲柄銷的具體布置可有兩種方式。第一種方式如圖8所示，當(dāng)1、6缸的曲柄銷朝上時，則2、5缸的曲柄銷朝左，3、4缸的朝右，其發(fā)火次序是1-5-3-6-2-4，如表3所示。我國絕大多數(shù)6缸機(jī)都采用這種曲軸和發(fā)火次序。
表3 6缸機(jī)工作循環(huán)（發(fā)火次序1-5-3-6-2-4）
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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5缸
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6缸
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0~180
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0~60
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進(jìn)氣
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壓縮
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做功
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進(jìn)氣
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排氣
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做功
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60~120
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排氣
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壓縮
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120~180
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做功
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進(jìn)氣
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|||||
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180~360
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180~240
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壓縮
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排氣
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240~300
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進(jìn)氣
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做功
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300~360
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排氣
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壓縮
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360~540
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360~420
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做功
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進(jìn)氣
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420~480
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壓縮
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排氣
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480~540
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進(jìn)氣
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做功
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540~720
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540~600
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排氣
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壓縮
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600~660
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做功
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進(jìn)氣
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|||||
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660~720
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壓縮
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排氣
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當(dāng)然，上述兩種6缸機(jī)的曲軸還可能采用其他的發(fā)火次序，但是，在實際的發(fā)動機(jī)上沒有應(yīng)用，所以在這里就不再講述。曲柄銷的另一種布置形式是將上述第一種方式的2、5缸分別與3、4缸互換。這種方式的著火次序是1-4-2-6-3-5，只有少數(shù)進(jìn)口柴油機(jī)采用這種著火次序。
由表3可以看出，按發(fā)火次序看，前后兩個氣缸的做功行程有60°是重疊的，這種現(xiàn)象是容易理解的。因為各氣缸間做功行程的間隔是120°，而每個氣缸的做功行程本身都是180°，就必然有前后兩個氣缸的做功行程有60°的重疊角。在這個60°中，兩個氣缸都在做功，前一個氣缸做功未完，后一個氣缸做功已經(jīng)開始。這種做功行程重疊的現(xiàn)象對發(fā)動機(jī)工作的平穩(wěn)性是非常有利的。
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圖7 柴油發(fā)電機(jī)組直列4缸的曲拐布置 |
圖8 柴油發(fā)電機(jī)組直列6缸的曲拐布置. |
③ 四沖程V形8缸機(jī)。
四沖程8缸機(jī)大多將氣缸排列成雙列V形（兩列氣缸的中心線夾角常取90°），曲柄布置如圖9所示。因其氣缸數(shù)i＝8，所以，各缸發(fā)火間隔應(yīng)為720°/8＝90°CA。通常，這種發(fā)動機(jī)左右兩列氣缸中相對的一對連桿共裝在一個曲柄銷上，所以V形8缸機(jī)只有4個曲柄銷。一般情況下，將4個曲柄銷布置在兩個互成90°的平面內(nèi)（如圖10所示）。V形8缸機(jī)常用的發(fā)火次序為1-5-4-2-6-3-7-8，工作循環(huán)進(jìn)行的情況如表4所示。
表4 V形8缸機(jī)的工作循環(huán)
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CA
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1缸
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2缸
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3缸
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4缸
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5缸
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6缸
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7缸
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8缸
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0~180
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0~90
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進(jìn)氣
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做功
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壓縮
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排氣
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排氣
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做功
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壓縮
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進(jìn)氣
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90~180
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排氣
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做功
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進(jìn)氣
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壓縮
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|||||
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180~360
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180~270
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壓縮
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進(jìn)氣
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排氣
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做功
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||||
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270~360
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進(jìn)氣
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排氣
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壓縮
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做功
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360~540
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360~450
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做功
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壓縮
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進(jìn)氣
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排氣
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||||
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450~540
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壓縮
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進(jìn)氣
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做功
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排氣
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540~720
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540~630
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排氣
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做功
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壓縮
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進(jìn)氣
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630~720
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做功
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壓縮
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排氣
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進(jìn)氣
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曲柄布置原則是各汽缸的作功間隔角應(yīng)該相等，以利于發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在發(fā)動機(jī)完成一個工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，每個汽缸都應(yīng)作功一次，對于V型發(fā)動機(jī)，則左右兩列汽缸應(yīng)交替作功。對于汽缸數(shù)為i的四沖程發(fā)動機(jī)而言，作功間隔角為720°/i。即曲軸每轉(zhuǎn)720°/i就應(yīng)有一個缸作功，以保證發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
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圖9 V型排列八缸發(fā)動機(jī)的曲拐布置簡圖 |
圖10 柴油發(fā)電機(jī)組V形8缸機(jī)的工作循環(huán)過程 |
三、飛輪的結(jié)構(gòu)組成和作用
1、作用
柴油機(jī)飛輪的主要功用是存儲做功沖程產(chǎn)生的能量，克服輔助沖程（進(jìn)氣、壓縮和排氣沖程）的阻力，以保持曲軸旋轉(zhuǎn)的均勻性，使柴油機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。其次，飛輪還具有克服柴油機(jī)短期超載的能力。有時它還可兼作動力輸出的帶輪等。
2、結(jié)構(gòu)
柴油發(fā)動機(jī)的飛輪多用灰鑄鐵制造，當(dāng)輪邊的圓周速度超過50m／s時，則選用強(qiáng)度較高的球墨鑄鐵或鑄鋼。飛輪的結(jié)構(gòu)形狀（如圖11所示）是一個大圓盤，輪邊尺寸寬而厚，這在重量一定的條件下，可獲得較大的轉(zhuǎn)動慣量。多缸柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出較均勻，對飛輪的轉(zhuǎn)動慣量要求較小，因此飛輪的尺寸小些。相反，單缸機(jī)飛輪相應(yīng)做得大些。通常在飛輪的外圓上裝有啟動齒圈，并在外圓上刻有記號或鉆有小孔，用以指示某一缸（通常為第1缸）在上止點的位置，供檢查氣門間隙、供油提前角和配氣定時使用。由于飛輪上刻有記號，飛輪與曲軸的位置，在安裝時不能隨意錯動。
3、飛輪的檢測
首先檢查飛輪外齒圈，其次飛輪工作平面的平面度誤差不得大于0.10mm，測量方法如圖12所示。飛輪厚度極限減薄量為1mm，與曲軸裝配后的端面圓跳動誤差不得大于0.15mm。
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圖11 柴油機(jī)飛輪外觀三維圖 |
圖12 發(fā)動機(jī)飛輪平面度測量（百分表） |
總結(jié)：
曲軸飛輪組作為柴油機(jī)傳動系統(tǒng)中的重要部件，承擔(dān)著平衡旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)整不平衡力、提供穩(wěn)定動力輸出和輔助啟動等多重作用。它的應(yīng)用廣泛，并且隨著科技的進(jìn)步，曲軸飛輪組也在不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，以滿足不同領(lǐng)域的需求。通過對曲軸飛輪組的深入了解，我們可以更好地理解其重要性和作用，為機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用提供幫助和指導(dǎo)。不斷推動曲軸飛輪組技術(shù)的發(fā)展，將為柴油發(fā)電機(jī)行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
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