内燃机轴承与润滑问题

1、内燃机轴承与润滑问题 轴承是影响机器能否长期可靠运转的关键部分之一。这里指把曲轴支撑在机体上的主轴承和把连杆和曲柄销连接起来的连杆大头周承。 滑动轴承 滚动轴承 内燃机中最广泛采用的是滑动轴承。与滚动轴承相比，滑动轴承的机构简单，尺寸紧凑，价格便宜，且如果设计得好摩擦损失比滚动轴承还小。设计滑动轴承时，要保证轴承与轴颈摩擦副能够长期可靠工作。因此，还要研究润滑问题。 内燃机中的其他摩擦副内燃机中的其他摩擦副：活塞与气缸壁；活塞环与气缸壁；活塞销与销座孔。2.1 摩擦（滑动）定义：两个零件表面互相靠紧，并作相对滑动称为滑动摩擦。 F=fW(N)式中：W接触面法向力，即荷载（N） f 摩擦系数三种

2、摩擦形式：干摩擦；流体摩擦；临界摩擦2.1.1 干摩擦 在力的作用下，两个金属零件的表面直接靠紧，并做相对滑动时的摩擦称为干摩擦。 干摩擦时的阻力很大，表面会很快磨损。（一般f0.1)2.1.2 流体摩擦 把金属表面相对滑动时的锉切变为机油与机油之间的摩擦，称为流体摩擦。此 时，摩擦阻力大大减小，避免表面磨损。 流体摩擦的实现：使夹在两表面之间的油膜具有一定的厚度。油膜厚度不小于 67m。2.1.3 临界摩擦 在摩擦面之间有机油，但油膜太薄，不足以把两个表面完全分隔开。靠分子的结合力在表面形成油膜薄层，不能流动。不是流体，也不是固体，称为境界层。可以避免金属直接接触。2.1.4 实际的摩擦状态

3、 在内燃机运转过程中，一般说来上述三种摩擦状态都是存在的。2.2 轴承材料轴承材料应满足的要求：轴承材料应满足的要求：（1）抗咬合性好，即在润滑条件不好的情况下也不致与周颈发生粘着和刮伤轴颈表 面。（2）顺应性好，即在安装不准确，或轴径几轴承孔有变形时，轴承材料能产生一些塑性 流动来顺应轴径，不致产生局部的高接触应力。（3）嵌藏性好，由于在工作过程中不可避免地会有一些杂质，如细小的沙粒和金属碎屑等随同机油进入轴承，轴承材料应具有把这些细粒嵌埋在本身金属之内的能力，不致刮伤轴径表面。（4）耐疲劳性好，即在交变载荷作用下不易出现疲劳剥落现象。由于疲劳性好的轴承材料相对来说顺应性和嵌藏性就会较差。所

4、以，应全面考虑。 还应注意高温时的强度。（5）耐腐蚀性好，一般来讲，铅，镉，锌等金属合金的耐腐蚀性较差， 锡，铝，银等金属合金的耐腐蚀性较好。 常用常用 轴承材料轴承材料1 巴氏合金巴氏合金（1）锡基巴氏合金：这种材料的抗咬合性、顺应性、嵌藏性和耐腐蚀性都好，轴颈的表面硬度可以较低，但疲劳强度较差。（2）铅基巴氏合金：与锡基巴氏合金十分相似，但疲劳强度较高。巴氏合金广泛用于工作强度不太高的汽油机2 铜铅合金和铅青铜铜铅合金和铅青铜 高速柴油机中曾广泛采用铜铅合金和铅青铜作轴承的减摩材料。它们的突出优点是承载能力大，许用载荷可达3060MPa，甚至更高。疲劳强度高；但轴承的表面性能（咬合性、顺应

5、性、嵌藏性）很差，因此，要求轴颈的表面具有较高的硬度。3 铝锡合金铝锡合金 这种合金是后来发展起来的一种轴承减摩材料，主要分两种：含锡6%左右的低锡合金和含锡20%以上的高锡合金。铝锡合金除表面性能不及巴氏合金外，其它性能都很优越。 试验和经验证明是一种很好的轴承材料。2.3 轴瓦的构造现代内燃机的滑动轴承，大多由图示的两块轴瓦所组成。 每块轴瓦包括两部分：瓦背和镀敷在其上的减摩材料层。两种轴瓦：厚壁轴瓦和薄壁轴瓦。 厚壁轴瓦：一般是把减摩合金浇铸在已加工好的瓦片上，然后加工内孔至最后尺寸。 为了把这种轴瓦装上内燃机，需要通过手工刮研使轴承内孔与轴径 内孔配合。为了调整轴承间隙，在上下两块轴瓦

6、之间设有垫片。厚壁轴瓦的壁厚 一般是在3mm以上。薄壁轴瓦：现代高速内燃机一般多采用薄壁轴瓦。是把减摩材料烧结或轧制在经过处理的薄钢带上，在切割冲压成形，最后在专用自动床上进一步精加工至成品。这些工序可以自动连续地进行，因此，制造精度高，生产成本低。 这些轴瓦的壁厚随轴径直经的不同大约在1.53mm之间。瓦背一般由低碳钢制成，以保证能与减摩材料很好地粘合。2.4轴承的设计2.4.1 轴承的基本尺寸参数轴承的基本尺寸参数（1）轴承内孔直径D和轴径的直径d。一般计算中取D=d;（2）轴承的宽度b或相对宽度b/d;（3）轴承的直径间隙 S=D-d; 或相对间隙=（D-d)/d 一般在下列范围内 0.

7、3E-3 3.0E-3 (mm)2.4.2 轴承承载油膜中的油压分布轴承承载油膜中的油压分布 如图所示 是滑动轴承的承载油膜中油压沿圆周分布的情况。在油膜最薄处h0的用角表示。(1550) 承载油膜的有油压具有最大值Pmax。位置在图中用角表示。一般在 619之间，平均大约是13。终端位置与载荷作用方向之间夹角一般在2264之间，平均约为40。2.4.3 轴承相宽度轴承相宽度b/d的选择的选择 现代高速内燃机，由于要求尺寸紧凑，所以，轴承的宽度是受到限制的，一般情况下，b/d不超过0.5， 甚至可以小到0.25。 轴承表面所受的平均载荷或平均压力的计算： p=W/(bd) 式中 W载荷；d轴径

8、的直径；b轴承宽度。下图所示为同样的载荷w下，在两种不同宽度的轴承中承载油膜压力分布的差别。 2.4.4 轴承相对间隙的选择由于轴和轴承有制造误差，它们之间的间隙也有一定公差范围。因此，在选择轴径和轴承的配合精度时，一般是使间隙的上限值Smax和下限值Smin满足下列关系: S= d Smax=1.3S Smin=0.9S式中 S 是名义值。几种减摩材料的常用相对间隙值（10E-3)减膜材料 减膜材料 巴氏合金铅青铜铝合金0.41.00.5 2.5 1.02.5铸铁塑料石墨2.03.01.510.01.03.03 曲曲 轴轴 曲轴是由一个或多个曲拐组成的。每一个曲拐则由是曲柄壁、主轴径及连杆轴

9、径三部分组成。 曲轴中用以驱动其它机械旋转的一端称为功率输出端（或简称后端）。曲轴的另一端称为自由端（或简称前端）。大多数内燃机上，机器本身的辅助机构，如配气机构、机油泵、冷却水泵和冷却风扇等都是曲轴自由端经过传动齿轮或链轮，以及三角带进行驱动的。在现代汽车、拖拉机、和工程机械上配有多种气动的或液压的辅助装置，为这些设备而设置的空气压缩机和液压泵有时也是由内燃机曲轴的自由端驱动。这说明： 曲轴在工作中要承受扭转力矩的作用，作用在连杆轴颈上的 径向力还要曲轴承受弯曲作用。且承受的荷载都是随时间变化的。对曲轴断裂事故分析证明：大多数断轴事故是疲劳破坏引起的。 因此，设计曲轴时必须注意解决的问题：

10、（1）尽量提高曲轴的疲劳强度。 （2）保证轴颈和轴承工作可靠并且耐用。 （3）必须使曲轴有足够的抗弯刚度。 在曲轴设计中，应尽可能地提高系统的自振圆频率，以便使危险的共振转速高于内燃机的最高工作转速。 k 或 I （ =K/I ）3.1 曲轴的强度计算曲轴的强度计算曲轴的强度计算主要包括：静强度计算：求曲轴各危险部位的最大工作应力。疲劳强度计算：求曲轴在交变载荷作用下的最小强度储备，通常用安全系数的形式表示。计算载荷：弯矩和扭矩3.1.1 曲轴的受力分析 以图示曲拐为例分析（ 验算第i个曲拐）图中作用两对T和Z，Pj轴颈部分的离心力；Pb曲柄臂部分的离心力； Pp平衡重的离心力 力的方向规定：

11、切向力顺曲轴旋转方向为正，反之为负。径向力皆以由连杆轴颈中心至曲轴中心的方向为正，反之为负。 简支梁支点处的支反力T、Z和T、Z在i-1截面作用有前端轴段作用在该截面上的扭矩Mi-1，而在 i 截面上作用有后端轴段作用在该截面上的反扭矩Mi。则： Mi=Mi-1+T1R+T2R由上图可容易求得曲拐在工作时各截面所承受的弯矩和扭矩。如，前后两个曲柄中心截面上在曲拐平面内的弯矩为： 3, ,b3,blZMlZM, ,在连杆轴颈B-B截面上承受的荷载有：（1）由支反力T等产生的横向弯矩（2）由支反力Z等产生的纵向弯矩（3）扭转力矩22221TlTlTllTM, ,)()/()()()(,2lplZl

12、llPlllPllzM2j2421p321b21zRTMRTMMi1i，3.1.2 静强度计算主要用于低速内燃机曲轴。要对曲轴所有最危险的工况和位置进行计算，即（1）Z为最大值时（2）T 为最大值时（3） 为最大值时并将计算得到的应力与现有经过考验了的许用应力值相比较。22TZR3.1.3 疲劳计算由于曲轴是反复承受交变应力的零件，因此，应对曲轴进行疲劳强度校核。零件的疲劳强度决定于（1）所受应力的变化幅度和变化的不对称性；（2）零件的形状和尺寸；（3）零件的表面状态；（4）材料的结构以及机械加工和热处理方法。曲轴的疲劳强度计算，主要计算最危险部位的安全系数，如过度圆角和油孔边缘处等。并按最危

13、险的工况进行计算。要计算得应力内容：应力变化的最大幅度a 和 a此时的平均应力为22minmaxminmaxaa及22minmaxmminmaxm及弯曲安全系数 n 和扭转安全系数 n式中 -1 、-1在对称应力循环下材料弯曲和扭转疲劳极限；对于结构钢一般可取：-1= 0.45B 和-1=（0.550.60）-1 B 材料的拉伸强度极限 、 尺寸影响系数ma1kn,m1kn,有效应力集中系数,KK,强化系数， 、 材料对应力循环不对称的敏感系数其中0 、0 分别为材料在脉冲循环下的疲劳极限，对于钢 0（1.41.6) -1 0 （1.62.0) -1综合安全系数:曲轴的安全系数是个经验值。00

14、100122和22nnnnn3.1.4 疲劳计算中有效应力集中系数K的确定圆角处有效应力集中系数,可由下式确定:式中q 、 q应力集中敏感系数1(1)1(1)KqKKq K K、K弯曲形状系数和扭转形状系数（理论应力集中系数）圆角处：B =K圆角处的实际法向应力曲柄臂上相应点处的名义法向应力n =K圆角处的实际剪切应力轴颈上相应点处的名义剪切应力3.2 曲轴的结构设计3.2.1 曲轴的典型结构3.2.2 曲拐的基本尺寸 以105型柴油机的曲轴为例该柴油机的：气缸直径D是105mm，曲轴的连杆轴颈直径d1是70mm，主轴颈直径d2是80mm。它们与气缸直径之比 d1/D是0.67； d2/D是0. 76主轴径做的粗是为保证曲轴有足够的扭转刚度和弯曲刚度。d1的选取：尺寸要适中。（1）d1愈大