內燃機軸承與潤滑問題

1、內燃機軸承與潤滑問題 軸承是影響機器能否長期可靠運轉的關鍵部分之一。這里指把曲軸支撐在機體上的主軸承和把連桿和曲柄銷連接起來的連桿大頭周承。 滑動軸承 滾動軸承 內燃機中最廣泛采用的是滑動軸承。與滾動軸承相比，滑動軸承的機構簡單，尺寸緊湊，價格便宜，且如果設計得好摩擦損失比滾動軸承還小。設計滑動軸承時，要保證軸承與軸頸摩擦副能夠長期可靠工作。因此，還要研究潤滑問題。 內燃機中的其他摩擦副內燃機中的其他摩擦副：活塞與氣缸壁；活塞環(huán)與氣缸壁；活塞銷與銷座孔。2.1 摩擦（滑動）定義：兩個零件表面互相靠緊，并作相對滑動稱為滑動摩擦。 F=fW(N)式中：W接觸面法向力，即荷載（N） f 摩擦系數三種

2、摩擦形式：干摩擦；流體摩擦；臨界摩擦2.1.1 干摩擦 在力的作用下，兩個金屬零件的表面直接靠緊，并做相對滑動時的摩擦稱為干摩擦。 干摩擦時的阻力很大，表面會很快磨損。（一般f0.1)2.1.2 流體摩擦 把金屬表面相對滑動時的銼切變?yōu)闄C油與機油之間的摩擦，稱為流體摩擦。此 時，摩擦阻力大大減小，避免表面磨損。 流體摩擦的實現：使夾在兩表面之間的油膜具有一定的厚度。油膜厚度不小于 67m。2.1.3 臨界摩擦 在摩擦面之間有機油，但油膜太薄，不足以把兩個表面完全分隔開?？糠肿拥慕Y合力在表面形成油膜薄層，不能流動。不是流體，也不是固體，稱為境界層。可以避免金屬直接接觸。2.1.4 實際的摩擦狀態(tài)

3、 在內燃機運轉過程中，一般說來上述三種摩擦狀態(tài)都是存在的。2.2 軸承材料軸承材料應滿足的要求：軸承材料應滿足的要求：（1）抗咬合性好，即在潤滑條件不好的情況下也不致與周頸發(fā)生粘著和刮傷軸頸表 面。（2）順應性好，即在安裝不準確，或軸徑幾軸承孔有變形時，軸承材料能產生一些塑性 流動來順應軸徑，不致產生局部的高接觸應力。（3）嵌藏性好，由于在工作過程中不可避免地會有一些雜質，如細小的沙粒和金屬碎屑等隨同機油進入軸承，軸承材料應具有把這些細粒嵌埋在本身金屬之內的能力，不致刮傷軸徑表面。（4）耐疲勞性好，即在交變載荷作用下不易出現疲勞剝落現象。由于疲勞性好的軸承材料相對來說順應性和嵌藏性就會較差。所

4、以，應全面考慮。 還應注意高溫時的強度。（5）耐腐蝕性好，一般來講，鉛，鎘，鋅等金屬合金的耐腐蝕性較差， 錫，鋁，銀等金屬合金的耐腐蝕性較好。 常用常用 軸承材料軸承材料1 巴氏合金巴氏合金（1）錫基巴氏合金：這種材料的抗咬合性、順應性、嵌藏性和耐腐蝕性都好，軸頸的表面硬度可以較低，但疲勞強度較差。（2）鉛基巴氏合金：與錫基巴氏合金十分相似，但疲勞強度較高。巴氏合金廣泛用于工作強度不太高的汽油機2 銅鉛合金和鉛青銅銅鉛合金和鉛青銅 高速柴油機中曾廣泛采用銅鉛合金和鉛青銅作軸承的減摩材料。它們的突出優(yōu)點是承載能力大，許用載荷可達3060MPa，甚至更高。疲勞強度高；但軸承的表面性能（咬合性、順應

5、性、嵌藏性）很差，因此，要求軸頸的表面具有較高的硬度。3 鋁錫合金鋁錫合金 這種合金是后來發(fā)展起來的一種軸承減摩材料，主要分兩種：含錫6%左右的低錫合金和含錫20%以上的高錫合金。鋁錫合金除表面性能不及巴氏合金外，其它性能都很優(yōu)越。 試驗和經驗證明是一種很好的軸承材料。2.3 軸瓦的構造現代內燃機的滑動軸承，大多由圖示的兩塊軸瓦所組成。 每塊軸瓦包括兩部分：瓦背和鍍敷在其上的減摩材料層。兩種軸瓦：厚壁軸瓦和薄壁軸瓦。 厚壁軸瓦：一般是把減摩合金澆鑄在已加工好的瓦片上，然后加工內孔至最后尺寸。 為了把這種軸瓦裝上內燃機，需要通過手工刮研使軸承內孔與軸徑 內孔配合。為了調整軸承間隙，在上下兩塊軸瓦

6、之間設有墊片。厚壁軸瓦的壁厚 一般是在3mm以上。薄壁軸瓦：現代高速內燃機一般多采用薄壁軸瓦。是把減摩材料燒結或軋制在經過處理的薄鋼帶上，在切割沖壓成形，最后在專用自動床上進一步精加工至成品。這些工序可以自動連續(xù)地進行，因此，制造精度高，生產成本低。 這些軸瓦的壁厚隨軸徑直經的不同大約在1.53mm之間。瓦背一般由低碳鋼制成，以保證能與減摩材料很好地粘合。2.4軸承的設計2.4.1 軸承的基本尺寸參數軸承的基本尺寸參數（1）軸承內孔直徑D和軸徑的直徑d。一般計算中取D=d;（2）軸承的寬度b或相對寬度b/d;（3）軸承的直徑間隙 S=D-d; 或相對間隙=（D-d)/d 一般在下列范圍內 0.

7、3E-3 3.0E-3 (mm)2.4.2 軸承承載油膜中的油壓分布軸承承載油膜中的油壓分布 如圖所示 是滑動軸承的承載油膜中油壓沿圓周分布的情況。在油膜最薄處h0的用角表示。(1550) 承載油膜的有油壓具有最大值Pmax。位置在圖中用角表示。一般在 619之間，平均大約是13。終端位置與載荷作用方向之間夾角一般在2264之間，平均約為40。2.4.3 軸承相寬度軸承相寬度b/d的選擇的選擇 現代高速內燃機，由于要求尺寸緊湊，所以，軸承的寬度是受到限制的，一般情況下，b/d不超過0.5， 甚至可以小到0.25。 軸承表面所受的平均載荷或平均壓力的計算： p=W/(bd) 式中 W載荷；d軸徑

8、的直徑；b軸承寬度。下圖所示為同樣的載荷w下，在兩種不同寬度的軸承中承載油膜壓力分布的差別。 2.4.4 軸承相對間隙的選擇由于軸和軸承有制造誤差，它們之間的間隙也有一定公差范圍。因此，在選擇軸徑和軸承的配合精度時，一般是使間隙的上限值Smax和下限值Smin滿足下列關系: S= d Smax=1.3S Smin=0.9S式中 S 是名義值。幾種減摩材料的常用相對間隙值（10E-3)減膜材料 減膜材料 巴氏合金鉛青銅鋁合金0.41.00.5 2.5 1.02.5鑄鐵塑料石墨2.03.01.510.01.03.03 曲曲 軸軸 曲軸是由一個或多個曲拐組成的。每一個曲拐則由是曲柄壁、主軸徑及連桿軸

9、徑三部分組成。 曲軸中用以驅動其它機械旋轉的一端稱為功率輸出端（或簡稱后端）。曲軸的另一端稱為自由端（或簡稱前端）。大多數內燃機上，機器本身的輔助機構，如配氣機構、機油泵、冷卻水泵和冷卻風扇等都是曲軸自由端經過傳動齒輪或鏈輪，以及三角帶進行驅動的。在現代汽車、拖拉機、和工程機械上配有多種氣動的或液壓的輔助裝置，為這些設備而設置的空氣壓縮機和液壓泵有時也是由內燃機曲軸的自由端驅動。這說明： 曲軸在工作中要承受扭轉力矩的作用，作用在連桿軸頸上的 徑向力還要曲軸承受彎曲作用。且承受的荷載都是隨時間變化的。對曲軸斷裂事故分析證明：大多數斷軸事故是疲勞破壞引起的。 因此，設計曲軸時必須注意解決的問題：

10、（1）盡量提高曲軸的疲勞強度。 （2）保證軸頸和軸承工作可靠并且耐用。 （3）必須使曲軸有足夠的抗彎剛度。 在曲軸設計中，應盡可能地提高系統(tǒng)的自振圓頻率，以便使危險的共振轉速高于內燃機的最高工作轉速。 k 或 I （ =K/I ）3.1 曲軸的強度計算曲軸的強度計算曲軸的強度計算主要包括：靜強度計算：求曲軸各危險部位的最大工作應力。疲勞強度計算：求曲軸在交變載荷作用下的最小強度儲備，通常用安全系數的形式表示。計算載荷：彎矩和扭矩3.1.1 曲軸的受力分析 以圖示曲拐為例分析（ 驗算第i個曲拐）圖中作用兩對T和Z，Pj軸頸部分的離心力；Pb曲柄臂部分的離心力； Pp平衡重的離心力 力的方向規(guī)定：

11、切向力順曲軸旋轉方向為正，反之為負。徑向力皆以由連桿軸頸中心至曲軸中心的方向為正，反之為負。 簡支梁支點處的支反力T、Z和T、Z在i-1截面作用有前端軸段作用在該截面上的扭矩Mi-1，而在 i 截面上作用有后端軸段作用在該截面上的反扭矩Mi。則： Mi=Mi-1+T1R+T2R由上圖可容易求得曲拐在工作時各截面所承受的彎矩和扭矩。如，前后兩個曲柄中心截面上在曲拐平面內的彎矩為： 3, ,b3,blZMlZM, ,在連桿軸頸B-B截面上承受的荷載有：（1）由支反力T等產生的橫向彎矩（2）由支反力Z等產生的縱向彎矩（3）扭轉力矩22221TlTlTllTM, ,)()/()()()(,2lplZl

12、llPlllPllzM2j2421p321b21zRTMRTMMi1i，3.1.2 靜強度計算主要用于低速內燃機曲軸。要對曲軸所有最危險的工況和位置進行計算，即（1）Z為最大值時（2）T 為最大值時（3） 為最大值時并將計算得到的應力與現有經過考驗了的許用應力值相比較。22TZR3.1.3 疲勞計算由于曲軸是反復承受交變應力的零件，因此，應對曲軸進行疲勞強度校核。零件的疲勞強度決定于（1）所受應力的變化幅度和變化的不對稱性；（2）零件的形狀和尺寸；（3）零件的表面狀態(tài)；（4）材料的結構以及機械加工和熱處理方法。曲軸的疲勞強度計算，主要計算最危險部位的安全系數，如過度圓角和油孔邊緣處等。并按最危

13、險的工況進行計算。要計算得應力內容：應力變化的最大幅度a 和 a此時的平均應力為22minmaxminmaxaa及22minmaxmminmaxm及彎曲安全系數 n 和扭轉安全系數 n式中 -1 、-1在對稱應力循環(huán)下材料彎曲和扭轉疲勞極限；對于結構鋼一般可取：-1= 0.45B 和-1=（0.550.60）-1 B 材料的拉伸強度極限 、 尺寸影響系數ma1kn,m1kn,有效應力集中系數,KK,強化系數， 、 材料對應力循環(huán)不對稱的敏感系數其中0 、0 分別為材料在脈沖循環(huán)下的疲勞極限，對于鋼 0（1.41.6) -1 0 （1.62.0) -1綜合安全系數:曲軸的安全系數是個經驗值。00

14、100122和22nnnnn3.1.4 疲勞計算中有效應力集中系數K的確定圓角處有效應力集中系數,可由下式確定:式中q 、 q應力集中敏感系數1(1)1(1)KqKKq K K、K彎曲形狀系數和扭轉形狀系數（理論應力集中系數）圓角處：B =K圓角處的實際法向應力曲柄臂上相應點處的名義法向應力n =K圓角處的實際剪切應力軸頸上相應點處的名義剪切應力3.2 曲軸的結構設計3.2.1 曲軸的典型結構3.2.2 曲拐的基本尺寸 以105型柴油機的曲軸為例該柴油機的：氣缸直徑D是105mm，曲軸的連桿軸頸直徑d1是70mm，主軸頸直徑d2是80mm。它們與氣缸直徑之比 d1/D是0.67； d2/D是0. 76主軸徑做的粗是為保證曲軸有足夠的扭轉剛度和彎曲剛度。d1的選?。撼叽缫m中。（1）d1愈大