曲轴的构造与维修技巧

1.曲轴的构造

（1）曲轴的作用、工作条件和材料。曲轴是发动机最重要的机件之一，其作用是将活塞连杆组传来的气体作用力转变成曲轴的转矩对外输出，并驱动发动机的配气机构及其他辅助装置工作。曲轴的前端主要用来驱动配气机构、水泵和风扇等附属机构，前端轴上安装有正时齿轮（或同步带轮）、风扇与水泵的带轮、扭转减震器以及起动爪等。曲轴后端采用凸缘结构，用来安装飞轮。

曲轴是在周期性变化的气体压力、往复惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷。因此，曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度，轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性，曲轴的质量应尽量小，对各轴颈的润滑应该充分。

曲轴一般用45#、40Cr、35Mn2等中碳钢和中碳合金钢模锻而成，轴颈表面经高频感应淬火或软氮化处理，最后进行精加工。现代汽车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴。因为球墨铸铁价格便宜，耐磨性能好，球墨铸铁曲轴的轴颈不需要硬化处理，同时金属消耗量少，机械加工量也少。为提高曲轴的疲劳强度，消除应力集中，轴颈表面应进行喷丸处理，圆角处要经滚压处理。

（2）曲轴的构造。曲轴的基本结构包括前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重及后端凸缘等，如图3-4-8所示。一个连杆轴颈和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐，曲轴由若干个曲拐构成。单缸发动机的曲轴只有一个曲拐，多缸直列式发动机曲轴的曲拐数与气缸数相同，“V”形发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。将若干个曲拐按照一定的相位连接起来再加上曲轴前、后端便构成一根曲轴。主轴颈和连杆轴颈是发动机中最关键的滑动配合副，一般均应进行表面淬火，轴颈过渡圆角处还须进行滚压强化等工艺，以提高其抗疲劳强度。

图3-4-8　曲轴的构造

按曲轴主轴颈的数目，可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴两种。在每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈的，称为全支承曲轴，显然全支承曲轴的主轴颈数比连杆轴颈数多一个；主轴颈数少于连杆轴颈的，称为非全支承曲轴。全支承曲轴的优点是可以提高曲轴的刚度，且主轴承的负荷小，多用于柴油发动机和负荷大的汽油发动机；非全支承曲轴结构简单且长度较短，多用于中小负荷汽油发动机。

连杆大头为整体式的某些小型汽油发动机或采用滚动轴承作为曲轴主轴承的发动机，必须采用组合式曲轴，即将曲轴的各部分分段加工，然后组合成整个曲轴，如图3-4-9所示。

图3-4-9　组合式曲轴

为了平衡连杆大头、连杆轴颈和曲柄等产生的离心力及其力矩，有时还为了平衡部分往复惯性力，使发动机运转平稳，需对曲轴进行平衡。对于四、六缸等多缸发动机，由于曲柄对称布置，往复惯性力和离心力及其产生的力矩，从整体上看都能互相平衡，但曲轴的局部却受到弯曲作用。如图3-4-10（a）所示的四缸发动机，F1、F4和F2、F3大小相等、方向相反，故可以相互平衡。F1和F2形成的力矩M12与F3和F4形成的力矩M34也能互相平衡，但两个力矩都给曲轴造成了弯曲变形，而引起主轴颈和轴承的偏磨。为了减轻主轴承的负荷，改善其工作条件，一般都会在曲柄的相反方向设置平衡重，如图3-4-10（b）所示。

图3-4-10　曲轴平衡重作用示意图

（3）曲轴前后端的密封及轴向定位。曲轴前端借助甩油盘和自紧式橡胶油封实现密封。发动机工作时，落在甩油盘上的机油，在离心力的作用下被甩到正时齿轮传动室盖的内壁上，再沿壁面流回油底壳。即使有少量机油落到甩油盘前面的曲轴上，也会被装在正时齿轮传动室盖上的自紧式橡胶油封挡住，如图3-4-11所示。

图3-4-11　曲轴前端的密封

由于近年来橡胶油封的耐油、耐热和耐老化性能的提高，在汽车发动机上曲轴后端的密封越来越多地采用与曲轴前端一样的自紧式橡胶油封，如图3-4-12所示。

图3-4-12　曲轴后端的密封

自紧式橡胶油封由金属保持架、氟橡胶密封环和拉紧弹簧构成，如图3-4-13所示。安装时要注意方向，不能装反。

图3-4-13　自紧式橡胶油封

曲轴的轴向定位一般采用翻边轴瓦或止推片，如图3-4-14所示。通常将其安装在前端第一道主轴承处或最后一道主轴承处或中部某轴承处，如图3-4-15所示。

图3-4-14　曲轴的轴向定位装置

图3-4-15　轴向定位装置安装部位

安装止推片时，应将涂有减磨合金层的一面朝向旋转面，如图3-4-16所示。

图3-4-16　止推片的安装

（4）曲拐的布置。曲拐的布置应遵循如下原则：应尽可能使连续做功的两缸距离远些，以减少主轴承的负荷和避免相邻两缸进气门同时开启而发生抢气现象；做功间隔角尽量均匀，以使发动机运转均匀；曲拐布置应尽可能对称、均匀，以使发动机工作平衡性好。

常见的几种发动机曲拐布置和工作顺序如下：

①直列四缸四行程发动机，其做功间隔角为720°/4=180°，各缸的工作顺序有1—3—4—2和1—2—4—3两种，其曲拐对称布置于同一平面内（1、4同向，2、3同向）。其曲拐布置和工作循环如图3-4-17和表3-4-1所示。

图3-4-17　直列四缸四行程发动机的曲拐布置

表3-4-1　直列四缸四行程发动机工作循环表（工作顺序1—3—4—2）

②直列六缸四行程发动机，其做功间隔角为720°/6=120°，各缸的工作顺序是1—5—3—6—2—4，其曲拐均匀布置在互成120°的三个平面内（1、6同向，2、5同向，3、4同向）。其曲拐布置和工作循环如图3-4-18和表3-4-2所示。(www.xing528.com)

图3-4-18　直列六缸四行程发动机的曲拐布置

表3-4-2　直列六缸四行程发动机工作循环表（工作顺序1—5—3—6—2—4）

续表

③“V”形八缸发动机。这种发动机的曲拐布置形式可以与四缸发动机一样，四个曲拐布置在同一平面内，也可以布置在两个互相错开90°的平面内。其做功间隔角为720°/8=90°，各缸工作顺序一般为1—8—4—3—6—5—7—2。

（5）扭转减震器。当发动机工作时，曲轴在周期性变化的转矩作用下，各曲拐之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转震动，简称扭震。当发动机转矩的变化频率与曲轴扭转的自振频率相同或成整数倍时，就会发生共振。共振时扭转震动的幅度增大，并导致传动机构磨损加剧，发动机功率下降，甚至使曲轴断裂。为了削减曲轴的扭转震动，汽车发动机多在扭转震动的幅度最大的曲轴前端安装扭转减震器。常用的扭转减震器有橡胶扭转减震器、硅油扭转减震器和硅油-橡胶扭转减震器等。

①橡胶扭转减震器。减震器壳体与曲轴连接，同时减震器壳体与扭转震动惯性盘及橡胶层硫化在一起，如图3-4-19所示。发动机工作时，减震器壳体与曲轴一起震动，由于惯性盘滞后于减震器壳体，因而在两者之间产生相对运动，使橡胶层来回揉搓，震动能量被橡胶的内摩擦阻尼吸收，从而使曲轴的扭震得以削减。橡胶扭转减震器结构简单、工作可靠、制造容易，在汽车上广为应用。但其阻尼作用小，橡胶容易老化，故在大功率发动机上较少应用。

图3-4-19　橡胶扭转减振器

②硅油扭转减振震器。硅油扭转减震器由钢板冲压而成的减震器壳体与曲轴连接，如图3-4-20所示。侧盖与减震器壳体组成封闭腔，其中还套着扭转震动惯性盘。惯性盘与封闭腔之间留有一定的间隙，里面充满高黏度硅油。当发动机工作时，减震器壳体与曲轴一起旋转、一起震动，惯性盘则被硅油的黏性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动。由于惯性盘质量相当大，因此它近似做匀速转动，于是在惯性盘与减震器壳体间便产生相对运动。曲轴的震动能量被硅油的内摩擦阻尼吸收，使扭震消除或减轻。硅油扭转减震器减震效果好、性能稳定、工作可靠、结构简单、维修方便，所以在汽车发动机上的应用日益普遍。但它需要良好的密封和较大的惯性质量，致使减震器尺寸较大。

图3-4-20　硅油扭转减震器

③硅油-橡胶扭转减震器。硅油-橡胶扭转震器中的橡胶环主要作为弹性体，同时用来密封硅油和支撑惯性盘，在其封闭腔内注满了高黏度硅油，如图3-4-21所示。硅油-橡胶扭转减震器集中了硅油扭转减震器和橡胶扭转减震器两者的优点，即体积小、质量轻和减震性能稳定等。

图3-4-21　硅油-橡胶扭转减震器

2.曲轴的维修

曲轴常见的损伤形式有轴颈磨损、弯曲变形，严重时会出现裂纹，甚至断裂。

（1）曲轴裂纹的检修。曲轴裂纹一般发生在轴颈两端过渡圆角处或油孔处，是由应力集中引起的。曲轴裂纹可用磁力探伤仪或染色渗透剂进行检验，若曲轴检验出裂纹，一般应报废更换。

（2）曲轴弯曲的检查。曲轴弯曲的检查，如图3-4-22所示。将曲轴放在检测平板上的V形铁上，百分表指针抵触在中间主轴颈上，转动曲轴一周，百分表指针的摆差（径向圆跳动误差）一般应不超过0.04～0.06 mm。若大于这个数值，则应进行压力校正。低于此限，可结合磨削主轴颈予以修正。

图3-4-22　曲轴弯曲的检查

曲轴扭曲变形的检验是将连杆轴颈转到水平位置上，用百分表分别确定同一方位上两个轴颈的高度差，这个高度差即为扭曲变形量。曲轴扭曲变形后，将影响发动机的配气正时和点火正时。

（3）曲轴磨损的检查与修理。曲轴主轴颈和连杆轴颈的磨损是不均匀的，且磨损部位有一定的规律性。主轴颈和连杆轴颈最大磨损部位相互对应，即各主轴颈的最大磨损靠近连杆轴颈一侧，而连杆轴颈的磨损部位在主轴颈一侧，且连杆轴颈的磨损比主轴颈严重。曲轴轴颈沿轴向还有锥形磨损。曲轴轴颈的磨损可用外径千分尺测量其直径来确定圆度和圆柱度，如图3-4-23所示。若其圆度、圆柱度误差超过0.25 mm时，应按修理尺寸法进行磨削，轴颈直径达到其使用极限时应更换曲轴。

图3-4-23　测量曲轴轴颈的直径

曲轴磨削应注意以下几点：

①曲轴主轴颈和连杆轴颈的修理尺寸，一般为4～6级，级差为0.25 mm。在保证磨削质量的前提下，应尽可能选择最接近的修理级别，以延长曲轴的使用寿命。

②曲轴的主轴颈和连杆轴颈，应分别磨削成同一级别的修理尺寸，以便于选配轴承，保证合理的配合间隙。

③连杆轴颈应以磨削后的主轴颈为基准，采用同心法磨削。

④磨削曲轴时，必须保证主轴颈和连杆轴颈各轴心线的同轴度，以及两轴心线间的平行度，限制曲柄半径误差，并保证连杆轴颈相互位置夹角的精度。

（4）曲轴轴向间隙的检查与调整。检查曲轴的轴向间隙时，可将百分表指针抵触在飞轮或曲轴的其他断面上，用撬棒前后撬动曲轴，百分表指针的最大摆差即为曲轴轴向间隙，如图3-4-24所示。也可用塞尺插入止推垫片与曲轴的承推面之间，测量曲轴的轴向间隙。曲轴轴向间隙一般为0.07～0.21 mm，使用极限为0.30 mm。轴向间隙的调整是通过更换不同厚度的止推垫片进行的。

图3-4-24　曲轴轴向间隙的检查