2.4 曲轴飞轮组

曲轴飞轮组，见图2-40。主要由曲轴、飞轮、扭转减振器以及一些零件和附件组成。

2.4.1 曲轴

1.曲轴的功用及工作条件

曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体压力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的气体压力、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。

2.曲轴材料

曲轴一般由45、40Cr、35Mn2等中碳钢和中碳合金钢模锻而成，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，最后进行精加工。现代汽车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴。球墨铸铁价格便宜，耐磨性能好，轴颈不需硬化处理，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。

3.曲轴构造

曲轴基本上由若干个单元曲拐构成，见图2-41。一个曲柄销，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐。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汽缸数相同，V型发动机曲轴的曲拐数等于汽缸数的一半。将若干个单元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。多数发动机的曲轴，在其曲柄臂上装有平衡重。

1-曲轴前端；2-主轴颈；3-曲柄臂；4-曲柄销；5-平衡重；6-曲轴后端；7-单元曲拐

主轴颈是曲轴的支撑部分，通过主轴承支撑在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机汽缸数目有关，还取决于曲轴的支撑方式。曲轴的支撑方式一般有两种，见图2-42，一种是全支撑曲轴，另一种是非全支撑曲轴。

全支撑曲轴：曲轴的主轴颈数比汽缸数目多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。如六缸发动机全支撑曲轴有七个主轴颈，四缸发动机全支撑曲轴有五个主轴颈。这种支撑，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。柴油机和大部分汽油机多采用这种形式。

非全支撑曲轴：曲轴的主轴颈数比汽缸数目少或与汽缸数目相等。这种支撑方式叫非全支撑曲轴，虽然这种支撑的主轴承载荷较大，但缩短了曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。有些汽油机承受载荷较小，可以采用这种曲轴形式。

曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目和汽缸数相等。V型发动机的连杆轴颈数等于汽缸数的一半。

曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处铸有（或紧固有）平衡重块。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，从而使曲轴旋转平稳。

曲轴前端装有正时齿轮、驱动风扇和水泵的皮带轮以及启动爪等。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，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。曲轴上有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道，见图2-43，以便润滑主轴颈和连杆轴颈。

1-主轴颈；2-曲轴；3-连杆轴颈；4-圆角；5-积污腔；6-油管；7-开口销；8-螺塞；9-油道；10-挡油盘；11-回油螺纹；12-曲轴后端

曲轴的形状和曲拐相对位置（即曲拐的布置）取决于汽缸数、汽缸排列方式和发动机的发火顺序。安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续做功的两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠现象。做功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角内，每个汽缸都应点火做功一次，而且各缸点火的间隔时间以曲轴转角表示，称为发火间隔角。四冲程发动机完成一个工作循环曲轴转两圈，其转角为720°，在曲轴转角720°内发动机的每个汽缸应该点火做功一次，且点火间隔角应是均匀的，因此四冲程发动机的点火间隔角为720°/i，（i为汽缸数目），即曲轴每转720°/i，就应有一缸做功，以保证发动机运转平稳。V型发动机左右两排汽缸尽量交替做功。

四冲程直列四缸发动机（图2-44）的发火顺序和曲拐布置见表2-1和表2-2。

表2-1 四冲程直列四缸发动机（工作顺序1-3-4-2）

表2-2 四冲程直列四缸发动机（工作顺序1-2-4-3）

四缸四冲程发动机的发火间隔角为720°/4＝180°，曲轴每转半圈（180°）做功一次，四个缸的做功行程是交替进行的，并在720°内完成，因此，可使曲轴获得均匀的转速，工作平稳柔和。对于每一个汽缸来说，其工作过程和单缸机的工作过程完全相同，只不过是要求它按照一定的顺序工作，即发动机的工作顺序，也叫做发动机的点火顺序。可见，多缸发动机的工作顺序（点火顺序）就是各缸完成同名行程的次序。四缸发动机四个曲拐布置在同一平面内。1、4缸在上，2、3缸在下，互相错开180°，其点火顺序的排列只有两种可能，即为1-3-4-2或为1-2-4-3，两种工作顺序的发动机工作循环表分别见表2-1和表2-2。

四冲程直列六缸发动机（图2-45）的点火顺序和曲拐布置见表2-3。

四冲程直列六缸发动机点火间隔角为720°/6=120°，六个曲拐分别布置在三个平面内，一种点火顺序是1-5-3-6-2-4，国产汽车的六缸直列发动机都用这种，其工作循环表见表2-3，另一种点火顺序是1-4-2-6-3-5。

四行程V型八缸发动机（图2-46）的点火顺序见表2-4。

四行程V型八缸发动机的点火间隔角为720°/8=90°，V型发动机左右两列中对应的一对连杆共用一个曲拐，所以V型八缸发动机只有四个曲拐。

表2-3 四冲程直列六缸发动机（工作顺序1-5-3-6-2-4）

曲拐布置可以与四缸发动机相同，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，使发动机得到更好地平衡，点火顺序为1-8-4-3-6-5-7-2。

表2-4 点火顺序为1-8-4-3-6-5-7-2V型八缸四冲程发动机循环表

4.飞轮（图2-47）

飞轮的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。飞轮外缘压有的齿圈与启动电机的驱动齿轮啮合，供启动发动机用；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。

飞轮是高速旋转件，因此，要进行精确地平衡校准，平衡性能要好，达到静平衡和动平衡。飞轮是一个很重的铸铁圆盘，用螺栓固定在曲轴后端的接盘上，具有很大的转动惯量。飞轮轮缘上镶有齿圈，齿圈与飞轮紧配合，有一定的过盈量。

在飞轮轮缘上做有记号（刻线或销孔）供找压缩上止点用（四缸发动机为1缸或4缸压缩上止点；六缸发动机为1缸或6缸压缩上止点）。当飞轮上的记号与外壳上的记号对正时，正好是压缩上止点。奥迪100发动机飞轮上有一“0”标记。

飞轮与曲轴在制造时一起进行过动平衡实验，在拆装时为了不破坏它们之间的平衡关系，飞轮与曲轴之间应有严格不变的相对位置。通常用定位销和不对称布置的螺栓来定位。

2.4.2 曲轴扭转减振器

曲轴是一种扭转弹性系统，其本身具有一定的自振频率。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，所以曲轴各个曲拐的旋转速度也是忽快忽慢呈周期性变化。安装在曲轴后端的飞轮转动惯量很大，可以认为是匀速旋转，由此造成曲轴各曲拐的转动相对飞轮时快时慢，这种现象称为曲轴的扭转振动，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，避免发生强烈的共振及其引起的严重恶果。一般低速发动机不易达到临界转速。但曲轴刚度小、旋转质量大、缸数多及转速高的发动机，由于自振频率低，强迫振动频率高，容易达到临界转速而发生强烈的共振，因而加装扭转减振器就很有必要。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-橡胶扭转减振器等。

1.橡胶扭转减振器（图2-48）

减振器壳体与曲轴连接，减振器壳体与扭转振动惯性质量黏结在硫化橡胶层上。发动机工作时，减振器壳体与曲轴一起振动，由于惯性质量滞后于减振器壳体，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。橡胶扭转减振器结构简单，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。

2.硅油扭转减振器（图2-49）

由钢板冲压而成的减振器壳体与曲轴连接。侧盖与减振器壳体组成封闭腔，其中滑套着扭转振动惯性质量。惯性质量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，减振器壳体与曲轴一起旋转、振动，惯性质量则被硅油的黏性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动。由于惯性质量相当大，因此它近似作匀速转动，于是在惯性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，致使减振器尺寸较大。

3.硅油-橡胶扭转减振器（图2-50）

硅油-橡胶扭转减振器中的橡胶环主要作为弹性体，并用来密封硅油和支撑惯性质量。在封闭腔内注满高黏度硅油。硅油-橡胶扭转减振器集中了硅油扭转减振器和橡胶扭转减振器二者的优点，即体积小、质量轻和减振性能稳定等。