曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，它擔(dān)負(fù)著將活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膱A周運(yùn)動(dòng)，且通常我們所說(shuō)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就是曲軸的轉(zhuǎn)速。作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件。它承受連桿傳來(lái)的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過(guò)曲軸輸出并驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他附件工作。
曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的強(qiáng)度和剛度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。為減小曲軸質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心力，曲軸軸頸往往作成中空的。
在每個(gè)軸頸表面上都開(kāi)有油孔，以便將機(jī)油引入或引出，用以潤(rùn)滑軸頸表面。為減少應(yīng)力集中，主軸頸、曲柄銷(xiāo)與曲柄臂的連接處都采用過(guò)渡圓弧連接。曲軸平衡重（也稱(chēng)配重）的作用是為了平衡旋轉(zhuǎn)離心力及其力矩，有時(shí)也可平衡往復(fù)慣性力及其力矩。當(dāng)這些力和力矩自身達(dá)到平衡時(shí)，平衡重還可用來(lái)減輕主軸承的負(fù)荷。平衡重的數(shù)目、尺寸和安置位置要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)、氣缸排列形式及曲軸形狀等因素來(lái)考慮。平衡重一般與曲軸鑄造或鍛造成一體，大功率柴油機(jī)平衡重與曲軸分開(kāi)制造，然后用螺栓連接在一起。曲軸會(huì)因機(jī)油不清潔以及軸頸的受力不均勻造成連桿大頭與軸頸接觸面的磨損，若機(jī)油中有顆粒較大的堅(jiān)硬雜質(zhì)，也存在劃傷軸頸表面的危險(xiǎn)。如果磨損嚴(yán)重，很可能會(huì)影響活塞上下運(yùn)動(dòng)的沖程長(zhǎng)短，降低燃燒效率，自然也會(huì)較小動(dòng)力輸出。
此外曲軸還可能因?yàn)闈?rùn)滑不足或機(jī)油過(guò)稀，造成軸頸表面的燒傷，嚴(yán)重情況下會(huì)影響活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此一定要用合適黏度的潤(rùn)滑油，且要保證機(jī)油的清潔度。
曲軸模擬分析
在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)往往成為曲軸斷裂的主要原因。作為傳遞交變載荷的連桿也承受著很大的作用力，容易造成疲勞破壞。要設(shè)計(jì)一款曲軸，必須考慮其振動(dòng)、噪聲等特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，因此對(duì)曲軸的模態(tài)分析卻是必不可少的。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、振型，這些參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)取得。
曲軸在工作過(guò)程中不斷的受到復(fù)雜的交變的沖擊載荷激勵(lì)，隨之產(chǎn)生了橫向、縱向以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，當(dāng)某一激勵(lì)力的頻率和曲軸其中一階固有頻率相同或者相近時(shí)，產(chǎn)生軸系的共振，這足以導(dǎo)致曲軸的疲勞斷裂。對(duì)曲軸的模態(tài)分析是對(duì)曲軸的振動(dòng)特性分析，為振動(dòng)故障及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。自由模態(tài)分析反應(yīng)了曲軸剛體的固有特性，而約束模態(tài)分析更能夠模擬曲軸安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中所表現(xiàn)的固有特性。
發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸系指曲軸、連桿、活塞以及飛輪所組成的動(dòng)力系統(tǒng)。常見(jiàn)的曲軸系振動(dòng)包括扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，以下針對(duì)這三方面對(duì)曲軸系的振動(dòng)原因及危害。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)
扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系的一種特殊的振動(dòng)形式，其本質(zhì)是由于軸系并非絕對(duì)剛體，而存在彈性。所以在以平均速度進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，各個(gè)彈性部件間就會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而產(chǎn)生大小不同、相位不同的瞬時(shí)速度的起伏，形成了沿旋轉(zhuǎn)的方向來(lái)回的扭動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)的曲軸系作為一個(gè)彈性體并具有集中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，本身存在著一系列的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸瞬時(shí)氣體壓力及有效的曲柄半徑不斷變化著，表示瞬時(shí)扭矩氣體壓力及有效曲柄半徑乘積在每個(gè)周期隨之變化。瞬時(shí)扭矩的變化產(chǎn)生兩種結(jié)果。首先，由于作用在曲軸上的瞬時(shí)扭矩在平均扭矩值上下波動(dòng)，使得整個(gè)曲軸以及曲軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)在平均轉(zhuǎn)速值上下波動(dòng)，該現(xiàn)象稱(chēng)為“滾振”；其次，由于各個(gè)氣缸的發(fā)火間隔角使曲軸各個(gè)曲拐的扭矩相對(duì)變化，造成曲軸系各質(zhì)量間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該現(xiàn)象稱(chēng)為“扭轉(zhuǎn)振動(dòng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“扭振”。發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸是輸出動(dòng)力的主要部件，它與從動(dòng)部件相連接，組成扭轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)。因發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的間歇周期性，導(dǎo)致作用在曲軸上的為一變化周期性的扭矩，這可能觸發(fā)軸系之扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系上的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，是曲軸系回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在平均扭變量中疊加的一類(lèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象。特別是在較大功率發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中曲軸系固有頻率很低，往往會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的轉(zhuǎn)速范圍以?xún)?nèi)，通過(guò)一些較強(qiáng)激勵(lì)諧次激發(fā)所引起的共振而形成過(guò)大扭轉(zhuǎn)的共振現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)扭振附加應(yīng)力。較激烈的曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能產(chǎn)生以下后果：
1：曲軸系上某些軸段及聯(lián)接件（聯(lián)軸節(jié)、減振器、飛輪和凸輪軸等），含發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自身，因太大的扭振附加應(yīng)力從而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞破損，以致斷裂。
2：帶減速齒輪箱的系統(tǒng)因扭振導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)來(lái)回沖的沖擊形成“齒叫”，較為嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒輪的敲壞及增大了噪聲。
3：強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)將破壞發(fā)動(dòng)機(jī)固有的平衡性從而引起機(jī)組振動(dòng)，也有耦合出現(xiàn)曲軸系縱向振動(dòng)的可能性，使發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的推力軸承上受到激勵(lì)力而引起載體的振動(dòng)。
曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)由于在有的情況下不像機(jī)組振動(dòng)能直接為人們所感觸到，具有一定的隱蔽性，因此其危害性也較大，在歷史上由于扭振而發(fā)生的事故相當(dāng)多，因此歷來(lái)為人們所重視并加以研究。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的縱向振動(dòng)
由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系是一個(gè)金屬的彈性系統(tǒng)，除了會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)外，還可能產(chǎn)生軸向的縱向振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)在曲拐上除了作用有交變的扭矩外，還受到交變的法向作用力，而曲拐在受到法向力時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向的變形，這就形成軸向的激勵(lì)，軸系在外力作用下，沿軸線(xiàn)方向出現(xiàn)周期性的彈性變形現(xiàn)象，定義成軸系的縱向振動(dòng)，也稱(chēng)為軸向振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)縱向振動(dòng)系統(tǒng)通?？醋鳛橥ㄟ^(guò)幾個(gè)集中質(zhì)量組合而成并通過(guò)質(zhì)量為零的縱向彈簧所聯(lián)接的當(dāng)量系統(tǒng)，此當(dāng)量系統(tǒng)包含很多縱向振動(dòng)的固有頻率。只有當(dāng)某一個(gè)激勵(lì)頻率及推進(jìn)軸系的某一階縱振固有頻率一樣或相近時(shí)，就出現(xiàn)了軸系縱向振動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)不將外部的驅(qū)動(dòng)反作用力及附件干擾力的作用納入考慮時(shí)，曲軸出現(xiàn)縱向振動(dòng)主要有兩方面因素。第一，氣體壓力及往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的徑向簡(jiǎn)諧力導(dǎo)致曲柄舒張，出現(xiàn)彎曲—縱向相互耦合的振動(dòng)；第二，曲柄的扭轉(zhuǎn)徑向分量即當(dāng)曲軸扭轉(zhuǎn)時(shí)因曲柄臂的彎曲變形及曲柄銷(xiāo)和主軸頸中心線(xiàn)的軸向收縮，即扭轉(zhuǎn)—縱向相互耦合的振動(dòng) 。
曲軸系出現(xiàn)縱向振動(dòng)的后果有：
1：向加速度太大會(huì)導(dǎo)致缸體縱向的振動(dòng)加劇，和曲軸相配合的零件產(chǎn)生沖擊噪聲，使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲壓級(jí)升高。
2：曲軸縱向竄動(dòng)，使活塞偏磨，并導(dǎo)致活塞側(cè)擊敲缸。
3：當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的縱向振動(dòng)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐可能出現(xiàn)開(kāi)擋上的較大變形，可能使曲拐的圓角處出現(xiàn)較大彎曲應(yīng)力，使曲軸斷裂，軸段上承受著過(guò)大拉壓交變應(yīng)力的情況下，也將導(dǎo)致軸段疲勞破損。
4：曲軸系之縱向振動(dòng)受限制于軸系上的止推軸承，導(dǎo)致了止推軸承上受到很大的縱向力，其后果是增加止推軸承負(fù)荷，可能使止推軸承受到損壞。
5：發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的縱向振動(dòng)太大并超過(guò)曲軸在曲軸箱里的工作間隙的情況下，可能會(huì)致使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不正常從而引起事故。以往曲軸系縱向振動(dòng)的自振頻率一般比其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的自振頻率要高，故不容易在工作轉(zhuǎn)速范圍出現(xiàn)強(qiáng)激勵(lì)的諧次的共振工況。所以由于縱向振動(dòng)引起的緊急情況較少，因而未做深入的研究和重視。然而隨著提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的要求，要發(fā)展具有長(zhǎng)沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐的縱向剛度大大降低，不但使曲軸系縱向自振頻率下降，由法向力所致的縱向激勵(lì)也大大增加，增大了在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振的概率和共振的烈度，因而近年來(lái)對(duì)曲軸系的縱向振動(dòng)加深河加快了研究進(jìn)度，提高了對(duì)縱向振動(dòng)的重視。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的橫向振動(dòng)
在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系上，由于受到切向和法向的交變作用力，最后將形成曲軸系支承梁的垂直和水平方向的振動(dòng)。由垂直及水平方向的振動(dòng)將組成軸系的回旋振動(dòng)，因此有時(shí)稱(chēng)軸系的橫向振動(dòng)為回旋振動(dòng)。出現(xiàn)彎曲振動(dòng)主要有三個(gè)方面因素：首先，偏心導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡離心力和曲軸軸系零部件因?yàn)橹圃旃に囁斐傻馁|(zhì)量偏心可能產(chǎn)生軸系出現(xiàn)不平衡離心力。此力的旋轉(zhuǎn)角速度以及旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)軸一樣。當(dāng)軸系的轉(zhuǎn)速及一次彎曲的臨界轉(zhuǎn)速一致時(shí)，將發(fā)生一次共振，后果很?chē)?yán)重。其次，作用于曲軸的氣體激振力的頻率和曲軸固有頻率一致時(shí)，將會(huì)引起共振，成為使曲軸彎曲而被破壞的重要因素。最后，軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及縱向振動(dòng)同樣可能引起彎曲振動(dòng)，其耦合源一般來(lái)自變速箱及傳動(dòng)軸在發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸部分，為了支承交大的切向及法向負(fù)荷，通常在每一曲拐的左右均配有主軸承，因而曲軸的橫向直梁形振動(dòng)其自振頻率很高，除極高諧次外，不會(huì)發(fā)生梁共振，而高諧的激勵(lì)值一般很小，不足以引起由于橫向振動(dòng)的動(dòng)態(tài)放大而導(dǎo)致的損壞。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中對(duì)曲軸系的橫向振動(dòng)，尚未被重視。目前對(duì)曲軸系的橫向振動(dòng)的研究，主要著眼于中間軸部分。
發(fā)生橫向振動(dòng)的后果：
1：在曲軸自由端產(chǎn)生過(guò)大彎曲應(yīng)力，從而產(chǎn)生彎曲疲勞，導(dǎo)致自由端因彎曲疲勞而破壞折斷。
2：軸段彎曲應(yīng)力增加以及發(fā)生疲勞破損都可能由橫向振動(dòng)引起。
3：加劇支承軸承的負(fù)荷，導(dǎo)致軸承油膜破裂，出現(xiàn)干摩擦從而發(fā)熱導(dǎo)致破壞。引起載體振動(dòng)。
以上分析都是基于對(duì)曲軸系各種振動(dòng)方式進(jìn)行單獨(dú)分析的結(jié)果，由于曲軸系本身是一個(gè)統(tǒng)一體，以上各種振動(dòng)都是同時(shí)存在的，并且它們之間也必然會(huì)有相互的耦合影響。將各種振動(dòng)形式分別看待只是一種簡(jiǎn)化的假定，必然會(huì)有誤差的存在，因此當(dāng)前人們已著眼于基于曲軸系是一個(gè)整體的耦合振動(dòng)研究，為了將曲軸系數(shù)理模型化，提出了多種簡(jiǎn)化、假定的耦合振動(dòng)模型，以致將整個(gè)曲軸系做有限元分割，而計(jì)算其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)然這樣做的計(jì)算工作量大，并且數(shù)理模型的合理程度也將會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的精度。此外，如何合理的應(yīng)用在前人分別研究扭振、縱振等過(guò)程中所取得的大量豐富的經(jīng)驗(yàn)資料等，都是有待研究的問(wèn)題，因?yàn)橥饨鐥l件，假定的正確與否都會(huì)直接影響到計(jì)算分析的結(jié)果。
以上都是發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)生的一些主要振動(dòng)方式，它們的響應(yīng)特性是人們?cè)O(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)研究的主要課題。但是在實(shí)踐中，發(fā)動(dòng)機(jī)中零部件的局部振動(dòng)，往往是使人們感到頭痛的一個(gè)大問(wèn)題。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完全有可能其主要振動(dòng)特性是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的，其主要零部件的強(qiáng)度也都可靠，不會(huì)損壞。
發(fā)動(dòng)機(jī)上所有的油、水、氣管，各配件及其支架等等，從其性質(zhì)來(lái)講都是質(zhì)量線(xiàn)彈性系統(tǒng)，都存在模態(tài)振型及相應(yīng)的固有頻率，當(dāng)受到外激勵(lì)時(shí)都會(huì)發(fā)生響應(yīng)，尤其當(dāng)發(fā)生共振響應(yīng)時(shí)，其振動(dòng)將會(huì)達(dá)到破壞性的結(jié)果。這些零部件的激勵(lì)來(lái)源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)振動(dòng)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)完全沒(méi)有振動(dòng)，當(dāng)然是理想的情況下，也就不會(huì)發(fā)生局部振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)離心力和力矩，一次及二次的往復(fù)慣性力及力矩等強(qiáng)激勵(lì)是有可能采用專(zhuān)門(mén)的平衡措消除的。然而發(fā)動(dòng)機(jī)的傾覆力矩很難準(zhǔn)確的克服，此外，實(shí)際往復(fù)慣性力，在四諧以上因其量級(jí)較小可忽略，但并不表示它不存在，加上計(jì)算的理想化以及各種假設(shè)引起的誤差等，包括發(fā)動(dòng)機(jī)加工過(guò)程的許用誤差范圍，也使回轉(zhuǎn)部件留下剩余不平衡力等，以上因素都是實(shí)際的激勵(lì)因素的組成部分，具有廣闊頻域的范圍，使得以理想化方式的計(jì)算分析，并不可能除去所有可能發(fā)生的振動(dòng)響應(yīng)，使得局部振動(dòng)問(wèn)題無(wú)從下手，以至防不勝防，因此一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)必須經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際考驗(yàn)，在去除各種可能發(fā)生的較嚴(yán)重的局部振動(dòng)后，才會(huì)成為性能較好的發(fā)動(dòng)機(jī)。
由以上分析知，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，振動(dòng)是必然存在的，為此，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為具有危害性和破壞性的振動(dòng)。這是在設(shè)計(jì)、制造發(fā)動(dòng)機(jī)中必須予以重視及專(zhuān)門(mén)研究予以克服或者消減的；第二類(lèi)為無(wú)危害的振動(dòng)，此類(lèi)振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)比較小，即使長(zhǎng)期的振動(dòng)也不容易出現(xiàn)零部件破壞導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能可靠地正常的工作，包括分析計(jì)算時(shí)略去的其影響的高諧激勵(lì)響應(yīng)和通過(guò)計(jì)算分析，處于許永振動(dòng)值以及強(qiáng)度值范圍以?xún)?nèi)的振動(dòng)內(nèi)容。
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