內(nèi)燃機(jī)軸承與潤(rùn)滑問(wèn)題

1、內(nèi)燃機(jī)軸承與潤(rùn)滑問(wèn)題 軸承是影響機(jī)器能否長(zhǎng)期可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分之一。這里指把曲軸支撐在機(jī)體上的主軸承和把連桿和曲柄銷連接起來(lái)的連桿大頭周承。 滑動(dòng)軸承 滾動(dòng)軸承 內(nèi)燃機(jī)中最廣泛采用的是滑動(dòng)軸承。與滾動(dòng)軸承相比，滑動(dòng)軸承的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，價(jià)格便宜，且如果設(shè)計(jì)得好摩擦損失比滾動(dòng)軸承還小。設(shè)計(jì)滑動(dòng)軸承時(shí)，要保證軸承與軸頸摩擦副能夠長(zhǎng)期可靠工作。因此，還要研究潤(rùn)滑問(wèn)題。 內(nèi)燃機(jī)中的其他摩擦副內(nèi)燃機(jī)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(dòng)）定義：兩個(gè)零件表面互相靠緊，并作相對(duì)滑動(dòng)稱為滑動(dòng)摩擦。 F=fW(N)式中：W接觸面法向力，即荷載（N） f 摩擦系數(shù)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(gè)金屬零件的表面直接靠緊，并做相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦稱為干摩擦。 干摩擦?xí)r的阻力很大，表面會(huì)很快磨損。（一般f0.1)2.1.2 流體摩擦 把金屬表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的銼切變?yōu)闄C(jī)油與機(jī)油之間的摩擦，稱為流體摩擦。此 時(shí)，摩擦阻力大大減小，避免表面磨損。 流體摩擦的實(shí)現(xiàn)：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(jī)油，但油膜太薄，不足以把兩個(gè)表面完全分隔開(kāi)?？糠肿拥慕Y(jié)合力在表面形成油膜薄層，不能流動(dòng)。不是流體，也不是固體，稱為境界層?？梢员苊饨饘僦苯咏佑|。2.1.4 實(shí)際的摩擦狀態(tài)

3、 在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，一般說(shuō)來(lái)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(yīng)滿足的要求：軸承材料應(yīng)滿足的要求：（1）抗咬合性好，即在潤(rùn)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(yīng)性好，即在安裝不準(zhǔn)確，或軸徑幾軸承孔有變形時(shí)，軸承材料能產(chǎn)生一些塑性 流動(dòng)來(lái)順應(yīng)軸徑，不致產(chǎn)生局部的高接觸應(yīng)力。（3）嵌藏性好，由于在工作過(guò)程中不可避免地會(huì)有一些雜質(zhì)，如細(xì)小的沙粒和金屬碎屑等隨同機(jī)油進(jìn)入軸承，軸承材料應(yīng)具有把這些細(xì)粒嵌埋在本身金屬之內(nèi)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(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象。由于疲勞性好的軸承材料相對(duì)來(lái)說(shuō)順應(yīng)性和嵌藏性就會(huì)較差。所

4、以，應(yīng)全面考慮。 還應(yīng)注意高溫時(shí)的強(qiáng)度。（5）耐腐蝕性好，一般來(lái)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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度較高。巴氏合金廣泛用于工作強(qiáng)度不太高的汽油機(jī)2 銅鉛合金和鉛青銅銅鉛合金和鉛青銅 高速柴油機(jī)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(diǎn)是承載能力大，許用載荷可達(dá)3060MPa，甚至更高。疲勞強(qiáng)度高；但軸承的表面性能（咬合性、順應(yīng)

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(lái)發(fā)展起來(lái)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(yàn)和經(jīng)驗(yàn)證明是一種很好的軸承材料。2.3 軸瓦的構(gòu)造現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)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(nèi)孔至最后尺寸。 為了把這種軸瓦裝上內(nèi)燃機(jī)，需要通過(guò)手工刮研使軸承內(nèi)孔與軸徑 內(nèi)孔配合。為了調(diào)整軸承間隙，在上下兩塊軸瓦

6、之間設(shè)有墊片。厚壁軸瓦的壁厚 一般是在3mm以上。薄壁軸瓦：現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)一般多采用薄壁軸瓦。是把減摩材料燒結(jié)或軋制在經(jīng)過(guò)處理的薄鋼帶上，在切割沖壓成形，最后在專用自動(dòng)床上進(jìn)一步精加工至成品。這些工序可以自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行，因此，制造精度高，生產(chǎn)成本低。 這些軸瓦的壁厚隨軸徑直經(jīng)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(shè)計(jì)2.4.1 軸承的基本尺寸參數(shù)軸承的基本尺寸參數(shù)（1）軸承內(nèi)孔直徑D和軸徑的直徑d。一般計(jì)算中取D=d;（2）軸承的寬度b或相對(duì)寬度b/d;（3）軸承的直徑間隙 S=D-d; 或相對(duì)間隙=（D-d)/d 一般在下列范圍內(nèi) 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(dòng)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(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)，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(guò)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(jì)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(duì)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(shí)，一般是使間隙的上限值Smax和下限值Smin滿足下列關(guān)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(duì)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(gè)或多個(gè)曲拐組成的。每一個(gè)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(qū)動(dòng)其它機(jī)械旋轉(zhuǎn)的一端稱為功率輸出端（或簡(jiǎn)稱后端）。曲軸的另一端稱為自由端（或簡(jiǎn)稱前端）。大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)上，機(jī)器本身的輔助機(jī)構(gòu)，如配氣機(jī)構(gòu)、機(jī)油泵、冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇等都是曲軸自由端經(jīng)過(guò)傳動(dòng)齒輪或鏈輪，以及三角帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。在現(xiàn)代汽車、拖拉機(jī)、和工程機(jī)械上配有多種氣動(dòng)的或液壓的輔助裝置，為這些設(shè)備而設(shè)置的空氣壓縮機(jī)和液壓泵有時(shí)也是由內(nèi)燃機(jī)曲軸的自由端驅(qū)動(dòng)。這說(shuō)明： 曲軸在工作中要承受扭轉(zhuǎn)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(shí)間變化的。對(duì)曲軸斷裂事故分析證明：大多數(shù)斷軸事故是疲勞破壞引起的。 因此，設(shè)計(jì)曲軸時(shí)必須注意解決的問(wèn)題：

10、（1）盡量提高曲軸的疲勞強(qiáng)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(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地提高系統(tǒng)的自振圓頻率，以便使危險(xiǎn)的共振轉(zhuǎn)速高于內(nèi)燃機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速。 k 或 I （ =K/I ）3.1 曲軸的強(qiáng)度計(jì)算曲軸的強(qiáng)度計(jì)算曲軸的強(qiáng)度計(jì)算主要包括：靜強(qiáng)度計(jì)算：求曲軸各危險(xiǎn)部位的最大工作應(yīng)力。疲勞強(qiáng)度計(jì)算：求曲軸在交變載荷作用下的最小強(qiáng)度儲(chǔ)備，通常用安全系數(shù)的形式表示。計(jì)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(yàn)算第i個(gè)曲拐）圖中作用兩對(duì)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(zhuǎn)方向?yàn)檎粗疄樨?fù)。徑向力皆以由連桿軸頸中心至曲軸中心的方向?yàn)檎粗疄樨?fù)。 簡(jiǎn)支梁支點(diǎn)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(shí)各截面所承受的彎矩和扭矩。如，前后兩個(gè)曲柄中心截面上在曲拐平面內(nèi)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(chǎn)生的橫向彎矩（2）由支反力Z等產(chǎn)生的縱向彎矩（3）扭轉(zhuǎn)力矩22221TlTlTllTM, ,)()/()()()(,2lplZl

12、llPlllPllzM2j2421p321b21zRTMRTMMi1i，3.1.2 靜強(qiáng)度計(jì)算主要用于低速內(nèi)燃機(jī)曲軸。要對(duì)曲軸所有最危險(xiǎn)的工況和位置進(jìn)行計(jì)算，即（1）Z為最大值時(shí)（2）T 為最大值時(shí)（3） 為最大值時(shí)并將計(jì)算得到的應(yīng)力與現(xiàn)有經(jīng)過(guò)考驗(yàn)了的許用應(yīng)力值相比較。22TZR3.1.3 疲勞計(jì)算由于曲軸是反復(fù)承受交變應(yīng)力的零件，因此，應(yīng)對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。零件的疲勞強(qiáng)度決定于（1）所受應(yīng)力的變化幅度和變化的不對(duì)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(jié)構(gòu)以及機(jī)械加工和熱處理方法。曲軸的疲勞強(qiáng)度計(jì)算，主要計(jì)算最危險(xiǎn)部位的安全系數(shù)，如過(guò)度圓角和油孔邊緣處等。并按最危

13、險(xiǎn)的工況進(jìn)行計(jì)算。要計(jì)算得應(yīng)力內(nèi)容：應(yīng)力變化的最大幅度a 和 a此時(shí)的平均應(yīng)力為22minmaxminmaxaa及22minmaxmminmaxm及彎曲安全系數(shù) n 和扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) n式中 -1 、-1在對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下材料彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞極限；對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼一般可?。?1= 0.45B 和-1=（0.550.60）-1 B 材料的拉伸強(qiáng)度極限 、 尺寸影響系數(shù)ma1kn,m1kn,有效應(yīng)力集中系數(shù),KK,強(qiáng)化系數(shù)， 、 材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)其中0 、0 分別為材料在脈沖循環(huán)下的疲勞極限，對(duì)于鋼 0（1.41.6) -1 0 （1.62.0) -1綜合安全系數(shù):曲軸的安全系數(shù)是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。00

14、100122和22nnnnn3.1.4 疲勞計(jì)算中有效應(yīng)力集中系數(shù)K的確定圓角處有效應(yīng)力集中系數(shù),可由下式確定:式中q 、 q應(yīng)力集中敏感系數(shù)1(1)1(1)KqKKq K K、K彎曲形狀系數(shù)和扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)（理論應(yīng)力集中系數(shù)）圓角處：B =K圓角處的實(shí)際法向應(yīng)力曲柄臂上相應(yīng)點(diǎn)處的名義法向應(yīng)力n =K圓角處的實(shí)際剪切應(yīng)力軸頸上相應(yīng)點(diǎn)處的名義剪切應(yīng)力3.2 曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1 曲軸的典型結(jié)構(gòu)3.2.2 曲拐的基本尺寸 以105型柴油機(jī)的曲軸為例該柴油機(jī)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(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。d1的選?。撼叽缫m中。（1）d1愈大