曲軸是發(fā)動機的主要旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，它擔(dān)負(fù)著將活塞的上下往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膱A周運動，且通常我們所說的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就是曲軸的轉(zhuǎn)速。作為發(fā)動機中最重要的部件。它承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動發(fā)動機上其他附件工作。
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)量及運動時所產(chǎn)生的離心力，曲軸軸頸往往作成中空的。
在每個軸頸表面上都開有油孔，以便將機油引入或引出，用以潤滑軸頸表面。為減少應(yīng)力集中，主軸頸、曲柄銷與曲柄臂的連接處都采用過渡圓弧連接。曲軸平衡重（也稱配重）的作用是為了平衡旋轉(zhuǎn)離心力及其力矩，有時也可平衡往復(fù)慣性力及其力矩。當(dāng)這些力和力矩自身達(dá)到平衡時，平衡重還可用來減輕主軸承的負(fù)荷。平衡重的數(shù)目、尺寸和安置位置要根據(jù)發(fā)動機的氣缸數(shù)、氣缸排列形式及曲軸形狀等因素來考慮。平衡重一般與曲軸鑄造或鍛造成一體，大功率柴油機平衡重與曲軸分開制造，然后用螺栓連接在一起。曲軸會因機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，若機油中有顆粒較大的堅硬雜質(zhì)，也存在劃傷軸頸表面的危險。如果磨損嚴(yán)重，很可能會影響活塞上下運動的沖程長短，降低燃燒效率，自然也會較小動力輸出。
此外曲軸還可能因為潤滑不足或機油過稀，造成軸頸表面的燒傷，嚴(yán)重情況下會影響活塞的往復(fù)運動。因此一定要用合適黏度的潤滑油，且要保證機油的清潔度。
曲軸模擬分析
在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)中，曲軸的扭轉(zhuǎn)振動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)計一款曲軸，必須考慮其振動、噪聲等特性對發(fā)動機的影響，因此對曲軸的模態(tài)分析卻是必不可少的。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、振型，這些參數(shù)可以由計算或試驗取得。
曲軸在工作過程中不斷的受到復(fù)雜的交變的沖擊載荷激勵，隨之產(chǎn)生了橫向、縱向以及扭轉(zhuǎn)振動，當(dāng)某一激勵力的頻率和曲軸其中一階固有頻率相同或者相近時，產(chǎn)生軸系的共振，這足以導(dǎo)致曲軸的疲勞斷裂。對曲軸的模態(tài)分析是對曲軸的振動特性分析，為振動故障及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(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)動機缸體中所表現(xiàn)的固有特性。
發(fā)動機的曲軸系指曲軸、連桿、活塞以及飛輪所組成的動力系統(tǒng)。常見的曲軸系振動包括扭轉(zhuǎn)振動、縱向振動和橫向振動，以下針對這三方面對曲軸系的振動原因及危害。
發(fā)動機曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動
扭轉(zhuǎn)振動是旋轉(zhuǎn)機械軸系的一種特殊的振動形式，其本質(zhì)是由于軸系并非絕對剛體，而存在彈性。所以在以平均速度進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)過程中，各個彈性部件間就會因為各種原因而產(chǎn)生大小不同、相位不同的瞬時速度的起伏，形成了沿旋轉(zhuǎn)的方向來回的扭動。發(fā)動機整個的曲軸系作為一個彈性體并具有集中的轉(zhuǎn)動慣量，本身存在著一系列的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率。發(fā)動機的每個氣缸瞬時氣體壓力及有效的曲柄半徑不斷變化著，表示瞬時扭矩氣體壓力及有效曲柄半徑乘積在每個周期隨之變化。瞬時扭矩的變化產(chǎn)生兩種結(jié)果。首先，由于作用在曲軸上的瞬時扭矩在平均扭矩值上下波動，使得整個曲軸以及曲軸系的轉(zhuǎn)動在平均轉(zhuǎn)速值上下波動，該現(xiàn)象稱為“滾振”；其次，由于各個氣缸的發(fā)火間隔角使曲軸各個曲拐的扭矩相對變化，造成曲軸系各質(zhì)量間的相對運動，該現(xiàn)象稱為“扭轉(zhuǎn)振動”，簡稱“扭振”。發(fā)動機的曲軸是輸出動力的主要部件，它與從動部件相連接，組成扭轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)。因發(fā)動機工作時的間歇周期性，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。發(fā)動機曲軸系上的扭轉(zhuǎn)振動，是曲軸系回轉(zhuǎn)運動過程中，在平均扭變量中疊加的一類扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象。特別是在較大功率發(fā)動機裝置中曲軸系固有頻率很低，往往會在發(fā)動機工作的轉(zhuǎn)速范圍以內(nèi)，通過一些較強激勵諧次激發(fā)所引起的共振而形成過大扭轉(zhuǎn)的共振現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的動態(tài)扭振附加應(yīng)力。較激烈的曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動可能產(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)動機曲軸自身，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)來回沖的沖擊形成“齒叫”，較為嚴(yán)重時會導(dǎo)致齒輪的敲壞及增大了噪聲。
3：強烈扭轉(zhuǎn)振動將破壞發(fā)動機固有的平衡性從而引起機組振動，也有耦合出現(xiàn)曲軸系縱向振動的可能性，使發(fā)動機裝置的推力軸承上受到激勵力而引起載體的振動。
曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動由于在有的情況下不像機組振動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，因此歷來為人們所重視并加以研究。
發(fā)動機曲軸系的縱向振動
由于發(fā)動機曲軸系是一個金屬的彈性系統(tǒng)，除了會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動外，還可能產(chǎn)生軸向的縱向振動。發(fā)動機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會產(chǎn)生軸向的變形，這就形成軸向的激勵，軸系在外力作用下，沿軸線方向出現(xiàn)周期性的彈性變形現(xiàn)象，定義成軸系的縱向振動，也稱為軸向振動。發(fā)動機縱向振動系統(tǒng)通?？醋鳛橥ㄟ^幾個集中質(zhì)量組合而成并通過質(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)包含很多縱向振動的固有頻率。只有當(dāng)某一個激勵頻率及推進(jìn)軸系的某一階縱振固有頻率一樣或相近時，就出現(xiàn)了軸系縱向振動的現(xiàn)象。當(dāng)不將外部的驅(qū)動反作用力及附件干擾力的作用納入考慮時，曲軸出現(xiàn)縱向振動主要有兩方面因素。第一，氣體壓力及往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的徑向簡諧力導(dǎo)致曲柄舒張，出現(xiàn)彎曲—縱向相互耦合的振動；第二，曲柄的扭轉(zhuǎn)徑向分量即當(dāng)曲軸扭轉(zhuǎn)時因曲柄臂的彎曲變形及曲柄銷和主軸頸中心線的軸向收縮，即扭轉(zhuǎn)—縱向相互耦合的振動 。
曲軸系出現(xiàn)縱向振動的后果有：
1：向加速度太大會導(dǎo)致缸體縱向的振動加劇，和曲軸相配合的零件產(chǎn)生沖擊噪聲，使整個發(fā)動機的聲壓級升高。
2：曲軸縱向竄動，使活塞偏磨，并導(dǎo)致活塞側(cè)擊敲缸。
3：當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的縱向振動的情況下，發(fā)動機曲拐可能出現(xiàn)開擋上的較大變形，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)動機曲軸的縱向振動太大并超過曲軸在曲軸箱里的工作間隙的情況下，可能會致使發(fā)動機運行不正常從而引起事故。以往曲軸系縱向振動的自振頻率一般比其扭轉(zhuǎn)振動的自振頻率要高，故不容易在工作轉(zhuǎn)速范圍出現(xiàn)強激勵的諧次的共振工況。所以由于縱向振動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)動機經(jīng)濟性的要求，要發(fā)展具有長沖程的發(fā)動機，這就使得發(fā)動機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，因而近年來對曲軸系的縱向振動加深河加快了研究進(jìn)度，提高了對縱向振動的重視。
發(fā)動機曲軸系的橫向振動
在發(fā)動機曲軸系上，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。由垂直及水平方向的振動將組成軸系的回旋振動，因此有時稱軸系的橫向振動為回旋振動。出現(xiàn)彎曲振動主要有三個方面因素：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為制造工藝所造成的質(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，將發(fā)生一次共振，后果很嚴(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，將會引起共振，成為使曲軸彎曲而被破壞的重要因素。最后，軸系扭轉(zhuǎn)振動及縱向振動同樣可能引起彎曲振動，其耦合源一般來自變速箱及傳動軸在發(fā)動機的曲軸部分，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其自振頻率很高，除極高諧次外，不會發(fā)生梁共振，而高諧的激勵值一般很小，不足以引起由于橫向振動的動態(tài)放大而導(dǎo)致的損壞。因此在發(fā)動機裝置中對曲軸系的橫向振動，尚未被重視。目前對曲軸系的橫向振動的研究，主要著眼于中間軸部分。
發(fā)生橫向振動的后果：
1：在曲軸自由端產(chǎn)生過大彎曲應(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。
以上分析都是基于對曲軸系各種振動方式進(jìn)行單獨分析的結(jié)果，由于曲軸系本身是一個統(tǒng)一體，以上各種振動都是同時存在的，并且它們之間也必然會有相互的耦合影響。將各種振動形式分別看待只是一種簡化的假定，必然會有誤差的存在，因此當(dāng)前人們已著眼于基于曲軸系是一個整體的耦合振動研究，為了將曲軸系數(shù)理模型化，提出了多種簡化、假定的耦合振動模型，以致將整個曲軸系做有限元分割，而計算其動態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)然這樣做的計算工作量大，并且數(shù)理模型的合理程度也將會影響到計算結(jié)果的精度。此外，如何合理的應(yīng)用在前人分別研究扭振、縱振等過程中所取得的大量豐富的經(jīng)驗資料等，都是有待研究的問題，因為外界條件，假定的正確與否都會直接影響到計算分析的結(jié)果。
以上都是發(fā)動機可能發(fā)生的一些主要振動方式，它們的響應(yīng)特性是人們設(shè)計、制造、運用發(fā)動機時研究的主要課題。但是在實踐中，發(fā)動機中零部件的局部振動，往往是使人們感到頭痛的一個大問題。一臺發(fā)動機完全有可能其主要振動特性是滿足設(shè)計規(guī)范要求的，其主要零部件的強度也都可靠，不會損壞。
發(fā)動機上所有的油、水、氣管，各配件及其支架等等，從其性質(zhì)來講都是質(zhì)量線彈性系統(tǒng)，都存在模態(tài)振型及相應(yīng)的固有頻率，當(dāng)受到外激勵時都會發(fā)生響應(yīng)，尤其當(dāng)發(fā)生共振響應(yīng)時，其振動將會達(dá)到破壞性的結(jié)果。這些零部件的激勵來源來自發(fā)動機的整機振動，如果發(fā)動機完全沒有振動，當(dāng)然是理想的情況下，也就不會發(fā)生局部振動。發(fā)動機離心力和力矩，一次及二次的往復(fù)慣性力及力矩等強激勵是有可能采用專門的平衡措消除的。然而發(fā)動機的傾覆力矩很難準(zhǔn)確的克服，此外，實際往復(fù)慣性力，在四諧以上因其量級較小可忽略，但并不表示它不存在，加上計算的理想化以及各種假設(shè)引起的誤差等，包括發(fā)動機加工過程的許用誤差范圍，也使回轉(zhuǎn)部件留下剩余不平衡力等，以上因素都是實際的激勵因素的組成部分，具有廣闊頻域的范圍，使得以理想化方式的計算分析，并不可能除去所有可能發(fā)生的振動響應(yīng)，使得局部振動問題無從下手，以至防不勝防，因此一臺發(fā)動機必須經(jīng)過實際運轉(zhuǎn)的實際考驗，在去除各種可能發(fā)生的較嚴(yán)重的局部振動后，才會成為性能較好的發(fā)動機。
由以上分析知，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，振動是必然存在的，為此，可以將發(fā)動機的振動分為兩類，第一類為具有危害性和破壞性的振動。這是在設(shè)計、制造發(fā)動機中必須予以重視及專門研究予以克服或者消減的；第二類為無危害的振動，此類振動響應(yīng)量級比較小，即使長期的振動也不容易出現(xiàn)零部件破壞導(dǎo)致發(fā)動機不能可靠地正常的工作，包括分析計算時略去的其影響的高諧激勵響應(yīng)和通過計算分析，處于許永振動值以及強度值范圍以內(nèi)的振動內(nèi)容。
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