汽车发动机曲轴飞轮组结构原理

曲轴飞轮组件主要由曲轴、飞轮和一些附件组成，如图2-52所示。

图2-52 曲轴飞轮组件

1—曲轴带轮 2—曲轴正时齿轮 3—曲轴链轮 4—曲轴前端 5—曲轴主轴颈 6—曲柄臂 7—曲柄销（连杆轴颈） 8—平衡重块 9—转速传感器脉冲轮 10—飞轮 11、15—主轴承 12—主轴承盖 13—螺母 14、16—止推垫片

1.曲轴

（1）曲轴的功用 曲轴是发动机最重要的机件之一。它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力转变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其他辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。

曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。为提高其耐磨性和耐疲劳强度，轴颈表面经高频淬火或软氮化处理，并经精磨加工，以达到较高的表面硬度和表面粗糙度。曲轴表面磨损或失圆，应进行磨修或更换。

（2）曲轴结构 曲轴一般由主轴颈5、曲柄销（连杆轴颈）7、曲柄臂6、平衡重块8等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄臂组成一个曲柄，直列式发动机曲轴的曲柄数等于气缸数，V型发动机曲轴的曲柄数等于气缸数的一半。

1）主轴颈。主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还与曲轴的支承方式有关。曲轴的支承方式一般有两种：一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴，如图2-53所示。

全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。这种支承，曲轴的强度和刚度都比较好，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。

非全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数少或与气缸数相等。这种支承，曲轴主轴承载荷较大，但曲轴的总长度缩短了，发动机的总体长度也有所减小。

有的大型发动机曲轴采用组合式，由若干段组合在一起，由滚动轴承支承在气缸体上。

2）曲柄销（连杆轴颈）。它是曲轴与连杆的连接部分，直列发动机的连杆轴颈数和气缸数相等。V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。

3）曲柄臂。它是主轴颈和连杆轴颈的连接部分。为了平衡惯性力，曲柄臂处铸有（或紧固有）平衡重块。用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，使曲轴旋转平稳。

曲柄连杆机构的运动惯性力如图2-54所示。当活塞上下变速运动时，要产生往复惯性力F_j（方向与大小随运动位置而变化）；同时，由于曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，即离心力F_c，其方向沿曲柄半径向外，其大小与曲柄半径、旋转部分的质量及曲轴转速有关。往复惯性力和旋转惯性力的作用，导致发动机的振动零部件变形和磨损，必须采取平衡措施。

对于4缸、6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，从整体上看相互平衡。如图2-55a所示4缸发动机第一和第四连杆轴颈的离心力F₁和F₄与第二和第三连杆轴颈的离心力F₂和F₃因大小相等、方向相反而互相平衡；F₁和F₂形成的力偶矩M_1-2与F₃和F₄形成的力偶矩M_3-4也能互相平衡。但两个力偶矩都给曲轴造成了弯曲载荷，曲轴若刚度不够就会产生弯曲变形，引起主轴颈和轴承偏磨。为了减轻主轴承负荷，一般都在曲柄的相反方向设置平衡重，如图2-55b所示。

图2-53 曲轴的支承方式

a）非全支承 b）全支承

图2-54 曲柄连杆机

构的运动惯性力

图2-55 四缸机曲轴受力与平衡

a）受力 b）惯性力平衡

在一些高档发动机上，还采用加装平衡轴的方法进行惯性力的平衡，使发动机运转更加平稳。

曲轴曲柄的布置，不但影响发动机的平衡，还影响发动机的工作顺序。

多缸发动机的点火顺序应均匀分布在720°曲轴转角内，并且使连续做功的两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，避免可能发生的进气重叠现象。

4缸四冲程发动机的点火间隔角为720°/4=180°，4个曲柄布置在同一平面内，如图2-56所示。1、4缸与2、3缸互相错开180°，其发火顺序的排列有两种可能，即1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循环分别见表2-4和表2-5。

图2-56 4缸四冲程发动机曲柄布置

表2-4 4缸发动机工作循环（点火顺序1-3-4-2）

表2-5 4缸发动机工作循环（点火顺序1-2-4-3）

6缸四冲程直列发动机的点火间隔角为720°/6=120°，6个曲柄分别布置在三个平面内，如图2-57所示。有两种点火顺序，1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5，前者工作循环见表2-6。

6缸四冲程V型发动机的点火间隔角仍为120°，3个曲柄互成120°，如图2-58所示，点火顺序为R1-L3-R3-L2-R2-L1（R1代表面向发动机前端右侧第一缸，向后依次为R2、R3，L1代表面向发动机前端左侧第一缸，向后依次为L2、L3）。工作循环见表2-7。

8缸四冲程V型发动机的点火间隔角为720°/8=90°，发动机左右两列对应的一对连杆共用一个曲柄，所以八缸V型发动机只有四个曲柄，如图2-59所示。曲柄布置可以与4缸发动机相同，4个曲柄互相错开90°，点火顺序有两种：R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2和L1-R4-L4-L2-R3-R2-L3-R1，前者工作循环见表2-8。

图2-57 6缸四冲程直列发动机曲柄布置

表2-6 6缸发动机工作循环（点火顺序1-5-3-6-2-4）

图2-58 6缸四冲程V型发动机曲柄布置

表2-7 V6发动机工作循环（点火顺序R1-L3-R3-L2-R2-L1）(www.xing528.com)

图2-59 8缸四冲程发动机曲柄布置

表2-8 V8发动机工作循环（点火顺序R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2）

4）曲轴前端如图2-60所示。装有正时齿轮、驱动风扇和水泵的带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘5，它随曲轴转动，将漏出的机油甩回油底壳。甩油盘外斜面向后，安装时应注意方向。否则会产生相反效果。在齿轮室盖上装有油封，防止机油外漏。

5）曲轴后端。用来安装飞轮。在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘和回油螺纹，并安装有油封或密封填料等，以阻止机油向后窜漏，如图2-61所示。

6）曲轴轴向定位。由于曲轴经常受到离合器施加于飞轮的轴向力作用，有的曲轴前端采用斜齿传动，会使曲轴产生前后窜动，影响了曲柄连杆机构各零件的正确位置，增大了发动机磨损、异响和振动，故必须进行曲轴轴向定位。另外，曲轴工作时会受热膨胀，还必须留有膨胀的余地。

图2-60 曲轴前端结构

1、2—滑动推力轴承 3—止推片 4—正时齿轮 5—甩油盘 6—油封 7—带轮 8—起动爪

图2-61 曲轴后端

曲轴定位一般采用滑动推力轴承，安装在曲轴前端或中后部主轴承上。

止推轴承有两种形式：翻边主轴瓦的翻边部分或具有减磨合金层的半圆环止推片，如图2-62所示，磨损后可更换。

图2-62 曲轴推力轴承

7）曲轴润滑。为了润滑曲轴主轴颈和曲柄销（连杆轴颈），在轴颈上还钻有油孔，并与斜油道相通，如图2-63所示，再与气缸体的主油道连通。

2.曲轴扭转减振器

在发动机工作过程中，经连杆传给连杆轴颈的作用力的大小和方向都是周期性变化的，所以曲轴各个曲柄的旋转速度也是忽快忽慢呈周期性变化，导致各曲柄之间产生周期性相对扭转，这种现象称之为曲轴的扭转振动，简称扭振。曲轴扭振会造成发动机磨损加剧、功率下降，当振动强烈时甚至会扭断曲轴。扭转减振器的功用就是吸收曲轴扭转振动的能量，消减扭转振动。

汽车发动机多采用橡胶扭转减振器、硅油扭转减振器和硅油-橡胶扭转减振器。

（1）橡胶扭转减振器 如图2-64左图所示，减振器壳体与曲轴连接，并通过橡胶层与减振质量连接在一起。

发动机工作时，减振器壳体与曲轴一起振动，由于减振质量惯性滞后于减振器壳体，因而在两者之间产生相对运动，使橡胶层来回揉搓，振动能量被橡胶的内摩擦阻尼吸收，从而使曲轴的扭振得以消减。

如图2-64右图是带轮-橡胶扭转减振器，其基本原理与橡胶扭转减振器相似，被应用于东风EQ6100-1和YC6105QC等发动机上。

橡胶扭转减振器结构简单，工作可靠，制造容易，在汽车上被广泛应用。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。

（2）硅油扭转减振器 如图2-65左图所示，减振器壳体与曲轴连接。侧盖与减振器壳体组成封闭腔，其中滑套着减振质量。减振质量与封闭腔之间留有一定的间隙，里面充满高粘度硅油。

图2-63 曲轴润滑

图2-64 橡胶扭转减振器

图2-65 硅油减振器

当发动机工作时，减振器壳体与曲轴一起旋转，减振质量则被硅油的粘性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动。由于减振质量相当大，因此它近似作匀速运动，于是在减振质量与减振器壳体间产生相对运动。曲轴的振动能量被硅油的内摩擦阻尼吸收，使扭振消除或减轻。

硅油扭转减振器减振效果好，性能稳定，工作可靠，结构简单，维护方便，但它需要良好的密封和较大的减振质量，致使减振器尺寸较大。

（3）硅油-橡胶扭转减振器 如图2-65右图所示，扭转减振器中的橡胶环主要作为弹性体，用来密封硅油和支承减振质量。在封闭腔内注满高粘度硅油。硅油-橡胶扭转减振器集中了硅油减振器和橡胶减振器二者的优点，即体积小，质量轻和减振性能稳定等。

3.飞轮

它是一个很重的铸铁圆盘，如图2-66所示。用螺栓固定在曲轴后端的接盘上，具有很大的转动惯量。其主要功用是用来储存做功行程的能量，用于克服进气、压缩和排气行程的阻力和其他阻力，使曲轴能均匀地旋转。

飞轮外缘压有齿圈，与起动机的驱动齿轮啮合，供起动发动机用。汽车离合器也装在飞轮上，利用飞轮后端面作为驱动件的摩擦面，用来对外传递动力。

在飞轮轮缘上作有记号（刻线或销孔）供找上止点用。当飞轮上的记号与外壳上的记号对正时，正好是上止点，如图2-67所示。有的还有进排气相位记号、供油（柴油机）或点火（汽油机）记号供安装和修理用。

图2-66 飞轮

图2-67 飞轮记号

飞轮与曲轴在制造时一起进行过动平衡试验，在拆装时应严格按相对位置安装。飞轮紧固螺栓承受的作用力大，应按规定力矩和正确方法拧紧。