一种用于往复运动活塞发动机(10)或压缩机的曲轴(1)。曲轴(1)具有通过主轴颈相互连接的多个曲拐(2)。主轴颈(5)具有在其两个轴向端(42,43)之间具有给定宽度(W)的主轴颈轴承表面(40)。至少一个后退区域(45)设置在至少一个主轴颈(5)的主轴颈轴承表面(40)中。至少一个后退区域(45)与两个轴向端(42,43)中的一个邻接并且后退区域(45)大体在远离与其邻接的两个轴向端(42,43)的一个的轴向方向上具有减小的深度(y)。一种具有多个主轴承(62,80,86,87)与如上所述的曲轴(1)的轴承组件。一种具有如上所述的曲轴或具有如上所述的轴承组件的十字头式大型多缸体二冲程柴油机或者十字头式大型压缩机。
1.一种用于低速运行的大型二冲程十字头柴油机(10)的装配式曲轴(1),所述曲轴(1)包括:多个曲拐(2),其通过主轴颈(5)相互连接,所述主轴颈(5)具有主轴颈轴承表面(40),所述主轴颈轴承表面(40)在其两个轴向端(42,43)之间在轴向方向上具有给定的宽度(W),其特征在于,至少一个后退区域(45)设置在至少一个所述主轴颈(5)的所述主轴颈轴承表面(40)中,所述至少一个后退区域(45)与所述两个轴向端(42,43)中的一个邻接并且所述后退区域(45)在远离与其邻接的两个轴向端(42,43)的一个的轴向方向上具有减小的深度(y),所述后退区域(45)构造为适应所述主轴颈(5)相对于其轴承的倾斜。
2.根据权利要求1所述的曲轴(1),其中,所述深度(y)是相对于所述主轴颈(5)的所述轴承表面(40)的大体圆柱形范围的深度。
3.根据权利要求1所述的曲轴(1),其中,所述至少一个后退区域(45)具有特定角位置与覆盖相关的所述主轴颈(5)的全部周边的选定部分的特定角范围(δ1,δ2),以便适应所述主轴颈(5)相对于其轴承的倾斜。
4.根据权利要求1所述的曲轴(1),包括设置在选定主轴颈(5)上的多个后退区域(45)。
5.根据权利要求4所述的曲轴(1),其中,所述后退区域(45)根据涉及的所述主轴颈(5)的需要单独地改变。
6.根据权利要求4或5所述的曲轴(1),其中,单个主轴颈设有多个后退区域(45),可能设有与所述两个轴向端(42,43)中的每个邻接的后退区域(45)并且可能设有与所述轴向端(42,43)中的一个邻接的一个以上的后退区域(45)。
7.根据权利要求1所述的曲轴(1),其中,所述至少一个后退区域(45)的所述深度(y)在朝向所述后退区域(45)邻接的所述轴向端(42,43)的轴向方向上逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的曲轴(1),其中,所述至少一个后退区域(45)的所述角范围(δ1,δ2)覆盖涉及的所述主轴颈(5)的全部周边范围。
9.一种轴承组件,其包括多个主轴承(62,80,86,87)与根据权利要求1-8中任一项所述的曲轴(1)。
10.根据权利要求9所述的轴承组件,其中,所述轴承壳体(86,87)是具有完全圆柱形轴承表面的普通轴承壳体。
11.一种十字头式大型多缸体二冲程柴油机(10),其包括根据权利要求1-8中任一项所述的曲轴(1)或者根据权利要求9或10所述的轴承组件。技术领域
本发明涉及一种曲轴、轴承组件以及十字头式大型多缸体二冲程发动机。本发明尤其涉及具有通过主轴颈而相互连接的曲拐的曲轴、具有用于曲轴的主轴颈的轴承壳体的轴承组件、以及包括所述曲轴与轴承组件的十字头式大型多缸体二冲程发动机。
背景技术
低速运行大型二冲程十字头式柴油机是庞大的并且高效的动力产生机器。这些发动机中最大的以94rpm产生约120.000kW,具有36米的总长以及接近3800吨的重量。此种类型的发动机分成缸体部分,其通过相邻横梁映现在台板中、通过横向加强件映现在A-状曲轴箱框架中、以及通过缸体间距映现在缸体框架中。这些发动机包括从通过各自都由主轴承支撑的主轴颈而相互连接的曲拐装配在一起的曲轴。每个曲拐都包括通过曲柄销相互连接的两个臂,臂通过收缩连接件与相关的主轴颈连接,所述收缩连接件包括装配入臂中孔内的主轴颈端部收缩件。每个曲拐都可是一体制造或者由两个臂与曲柄销装配而成。最大发动机的曲拐重约25吨,整个曲轴重量高达约400吨。曲轴必须能够传送可以具有高达约12.000.000Nm的峰值并且活塞的作用在曲轴上的作用力同样巨大。根据多个构造方面确定曲轴的部件的尺寸,由此尤其是将要传送的作用力与由曲轴的振动特性产生的作用力影响相应零件的尺寸。此外,连接件与部件的尺寸中的安全因素通过相应的船分类协会的要求调节。十字头式大型多缸体二冲程柴油机的主轴颈必须承受由活塞施加到曲轴的大的作用力以及由曲轴的振荡质量与振动特性产生的作用力。大型二冲程柴油机的主轴承是滑动轴承,其中在将轴颈从轴承表面(bearingxa0surface)提升的压力的作用下,轴颈的旋转运动的流体动力效应产生在轴承壳体的轴承表面与轴颈的轴承表面之间的油膜中累积的压力。需要保持最小油膜厚度以防轴承表面的磨损。在十字头式大型多缸体二冲程柴油机中的单个主曲轴轴承上的载荷未均匀地分布在相应轴承上,而是从轴承到轴承变化。这些变化来自当曲轴旋转时产生的动态质量力以及生成的曲轴的振动特征。由燃烧压力产生的曲拐的弯曲以及由待传送的波动转矩产生的非中心曲拐中的扭转导致在发动机运行过程中在相应主轴承之间的轴向偏移与未对准,此外还促进了在相应轴承上的变化载荷。在发动机运行过程中由燃烧压力产生的曲轴的弯曲与扭转以及由待传送的波动转矩产生的非中心曲拐中的扭转也导致在每个发动机周期期间的轴颈轴与轴承轴之间的倾斜。此外,作用在曲轴上的作用力致使曲轴的弯曲,尤其在曲拐处导致主轴颈相对于主轴承的倾斜。在曲轴中主轴颈的倾斜从主轴颈到主轴颈不同,并且这可以导致高边缘压力以造成在轴承材料中的疲劳破坏。高边缘压力还与低油膜厚度相关。具有在这些类型的轴承中常见的油膜中的高压的另一个问题与未对准与倾斜无关,而是与沿着主轴承轴的方向的油膜压力的轮廓相关。用于大型二冲程柴油机的已知主轴承设有所谓的混合边缘轴承(blendedxa0edgexa0bearings)壳体,以便适应相应轴承的不同程度的未对准。将这种所谓的“混合边缘”设计引入到薄壳体白金属主轴承上,以更好地处理曲轴倾斜,并且由此增加朝向边缘疲劳破坏的抗性。混合边缘设计在靠近轴承壳体的边缘的周边区域中是平滑的半径,其在不具有触碰轴承壳体的边缘或者在轴承壳体的边缘处产生高油膜压力风险的情况下允许主轴承轴倾斜。当倾斜小并且轴承力很高时,关于混合边缘轴承的权衡(trade-off)是减小承载能力。在此位置处需要普通轴承(plainxa0bearings)。如果混合边缘轴承规定在相同发动机中的其它地方,那么发动机必须装配以普通与混合边缘壳体作为备用零件,由于在远洋船舶中的发动机必须在船上承载此必要的备用零件,因此这使得物流更复杂并且发动机更昂贵。
发明内容
在此背景下,本发明的目的是提供一种克服或者至少减小与现有技术相关的缺点的曲轴。此目的根据权利要求1通过为往复运动活塞发动机或压缩机提供曲轴来实现,曲轴具有通过主轴颈相互连接的多个曲拐,主轴颈具有主轴颈轴承表面,所述主轴颈轴承表面在其两个轴向端之间具有给定宽度,由此至少一个后退区域(recedingxa0area)设置在至少一个主轴颈的的主轴颈轴承表面中,至少一个后退区域与两个轴向端中的一个邻接,并且后退区域在远离与后退区域邻接的两个轴向端中的一个的轴向方向上具有减小的深度。在发动机运行过程中对于全部主轴承来说主轴颈相对于它们相应主轴承的倾斜是不同的。此外,在发动机运行过程中对于给定的主轴颈相对于其主轴承的倾斜随着曲轴的角位置而变化,即,在曲轴的位置的360度角范围的大部分中关联的主轴颈可以与其主轴承完全地对直,除了在特定角位置的一个或多个特定角范围并且可能在所述一个或多个角范围内具有变化的倾斜量。通过在主轴承轴颈的轴承表面的轴向端附近设置至少一个局部后退区域,使得在确切需要压力的地方施加缓解后退区域的压力变得可能。在主轴承轴颈的周边周围的位置受到用于每次旋转的相同载荷的影响(以相同的发动机载荷),然而在主轴承壳体上的位置受到更大光谱范围载荷的影响。因此本发明提供了优化轴颈的特定零件的混合而非提供整个下轴承壳体的全部混合(圆形边缘)的可能性。通过向主轴颈提供局部后退区域,使得对整个发动机使用相同的普通轴承壳体变得可能。此外,轴承壳体是生产的比曲轴更大数量的备用零件,并且由此具有均匀轴承壳体的优越益处。在实施方式中,深度是相对于主轴颈的轴承表面的大体圆柱形范围的深度。根据另一个实施方式,至少一个后退区域具有特定的角位置以及覆盖相关的主轴颈(5)的全部周边的选定部分的特定角范围(δ1,δ2)。在实施方式中,曲轴具有设置在选定主轴颈上的多个后退区域。根据另一个实施方式,后退区域根据相关的主轴颈的需要单独地改变。根据又一个实施方式,单个主轴颈设有多个后退区域,可能设有与两个轴向端中的每个邻接的后退区域并且可能设有与轴向端中的一个邻接的一个以上的后退区域。根据又一个实施方式,至少一个后退区域的深度(y)在朝向后退区域邻接的轴向端的轴向方向上逐渐增加。根据又一个实施方式,至少一个后退区域的角范围覆盖涉及的主轴颈的全部周边范围。上述目的还通过提供具有如上所述的曲轴与多个主轴承的轴承组件来实现。根据实施方式,如上所述的轴承组件具有轴承壳体,所述轴承壳体均为具有完全圆柱形轴承表面的普通轴承壳体。上述目的还通过提供包括如上所述的曲轴或如上所述的轴承组件的十字头式大型多缸体二冲程柴油机或十字头式大型压缩机来实现。通过详细的描述使得根据本发明的曲轴、轴承组件与发动机或压缩机的其它目的、特征、优点与特性变得显而易见。
附图说明
在下面的本说明书的详细部分中,将参照附图中示出的示例性实施方式更加详细地说明本发明,在附图中:图1是包括9到12个缸体发动机的长度指示的大型传统8缸体二冲程柴油机的侧视图;图2是关于图1中的发动机的前视图;图3是根据本发明的实例实施方式的曲轴的侧视图;图4是图3中的曲轴的一部分的细节视图;图5A是根据本发明的实例实施方式的具有主轴承支撑件的发动机的台板的横梁的视图;图5b是关于图5A的轴承支撑件的示出轴承盖与轴承壳体的细节视图;图6是图3的曲轴的主轴颈与曲拐的细节的局部长度截面视图,以及图7是示出根据本发明的实例实施方式的主轴颈上的后退区域的位置的视图。
具体实施方式
在下面的详细描述中,将通过优选实施方式描述曲轴、轴承组件与十字头式大型二冲程柴油机或压缩机。图1和图2示出了与具有98cm活塞直径的发动机10共线的大型低速二冲程十字头柴油机,其可以是在船舶中的推进发动机或者在发电厂中的原动机。这些发动机通常具有6到高达16个共线缸体。在图1中描绘了8-缸体发动机10和表明此发动机的9-缸、10-缸、11-缸和12-缸变体的轮廓额外线的侧视图。发动机10下方示出米尺度以提供长度从8缸体模型的约18米到16缸体模型的34米变动的这些机器的绝对尺寸的示度。发动机从具有用于曲轴1的主轴承的台板11构造。台板11根据可获得的生产设备分成适当尺寸的部分。台板包括具有钢铁轴承支撑件62的焊接的纵梁与焊接的横梁60(图5)。参照通过图2中的虚线示出的特征,发动机包括经由活塞杆29连接到十字头24的活塞28。十字头24通过引导平面23引导。连接杆30将十字头24与曲轴1的曲柄销4连接。焊接设计A-状曲轴箱框架12安装在台板11上。缸体框架13安装在曲轴箱框架12的顶部上。拉紧螺栓26(未示出)将台板11连接到缸体框架13并且将结构保持在一起。缸体14由缸体框架13承载。排放阀组件15安装在每个缸体14的顶部上。缸体框架13还承载燃料注入系统19、排放气体接收件16、涡轮增压器17以及清除气体接收件18。图3示出了根据本发明的实例实施方式的12缸体发动机的曲轴1。曲轴具有曲轴1的前端(在图3的左侧)与后端(输出端)(在图3的右侧)。曲轴1由前部1b与后部1a构造,因此在发动机构造位置上不能获得提起重约400吨的全部曲轴1的起重机。每个曲轴部分1a、1b都包括全部十二个曲拐2中的六个(其它组合是可能的,例如14缸发动机曲轴可以分成具有4个曲拐的两部分以及具有6个曲拐的一部分)。前部1b与后部1a通过主轴颈5逐一地降低到相应的轴承壳体86中。然后,前曲轴部分与后曲轴部分通过凸缘连接件37纵向地装配在一起。当前曲轴部分与后曲轴部分通过将凸缘拧紧到凸缘连接件37中而被连接,并且安装轴承盖80,曲轴箱框架12可以布置在台板11上。各个曲轴部分1a、1b都由六个曲拐2与七个主轴颈5装配而成。曲拐2具有与曲拐2的两个臂3一体形成的曲柄销4。曲拐2制成为整体铸件或锻钢件。各个曲轴部分1a、1b中的六个曲拐2通过主轴颈5连接到彼此(相互连接),主轴颈5在两个曲拐2的侧翼之间延伸。因此在此实施方式的全部曲轴中的主轴承的总数量是14。后部1a包括承受由中间轴(未示出)驱动的推进器产生的作用力的推力轴承39。主轴颈5具有中心轴承部分与两个端部,当装配曲轴1时两个端部收缩地安装在相邻曲拐2的臂3中的孔中。定位在前部1b与后部1a的纵向端部的主轴颈5具有轴承部分以及收缩安装到相应曲拐2的臂中的相关孔中的一个端部。图5示出了在台板11的横梁中的主轴承支撑件62。横梁是发动机的焊接设计台板的一部分并且包括承载主轴承支撑件62的两个腹板60(横梁)。主轴承支撑件62设有向上面向凹槽,在凹槽底部处设有在其上布置有下轴承壳体86的弧状支撑表面(下轴承壳体优选地是由其上沉积有轴承金属的钢板形成的薄壳类型)。向上面向凹槽通向主轴承支撑件的上表面64。向上面向凹槽还设有用于引导轴承盖80的引导表面。轴承盖80设有用于上轴承壳体87的弧状支撑表面,上轴承壳体87也是由其上沉积有轴承金属的钢板形成的薄壳类型。轴承盖80通过液压张紧螺栓82保持在适当位置,液压张紧螺栓82锚定在设置于主轴承支撑件62的本体中的螺孔中。轴承壳体86、87是所谓的“薄壳”类型,其通常意味着壳体86、87的厚度是由轴承支撑的轴颈5的直径的1.5%到3%。薄壳轴承的传统特征是壳体3、4必须支撑主轴承支撑件62,并且由于对于壳体86、87而言,壳体86、87自身的厚度不足以支撑轴承金属,因此轴承盖80跨越壳体86、87的全部范围,并且由此在发动机10的运行过程中发生轴承壳体的轴承表面对抗动态影响。通过轴承双头螺柱82将轴承盖80朝向台板11紧固,并且轴承双头螺柱产生将壳体86、87保持在适当位置处的保持力。轴承壳体86,87的轴承表面完全是圆柱形的,然而在实施方式中,轴承壳体具有不完全恒定的半径并且从轴承的顶部与底部区域的最大值变化到轴承的左侧与右侧的最小值。在发动机中每个主轴承都受到单个载荷与倾斜轨道。最佳混合边缘位置仅可以通过EHD模拟确定。每个主轴颈5都具有主轴颈轴承表面40,所述主轴颈轴承表面40在其前端42与后端43之间具有给定宽度W(前与后表示朝向曲轴1的端部定位的主轴颈轴承表面40的相应端部)。主轴颈轴承表面40大体上是与轴承壳体86、87的完全圆柱形轴承表面配合的完全圆柱形表面以便实现最大承载能力。然而,如果轴承表面都是遍布全部宽度与周边范围的完全地圆柱形,那么主轴颈5相对于主轴承的轴的倾斜将在轴承壳体86、87的边缘附近造成不可接受的压力,所述压力最终将毁坏轴承壳体86、87的轴承材料。在发动机10的运行过程中主轴颈5相对于主轴承轴的倾斜取决于曲轴1的角位置并且从主轴颈5到主轴颈5可以不同。为了避免在轴承壳体86、87上的不可接受的高边缘压力,部分或全部主轴颈5都设有后退区域45。在主轴颈轴承表面40中的后退区域45与主轴颈轴承表面40的前端42或后端43邻接并且具有单独确定的深度y、轴向范围x以及角范围δ。后退区域45在远离与后退区域45邻接的两个轴向端42、43中的一个的轴向方向上具有减小的深度y。图6和图7更加详细地示出了后退区域45。通过相对于主轴颈轴承表面40的前端或后端沿着轴向范围x的长度,沿着径向范围y的深度(相对于主轴承表面的圆柱形范围的深度),以及角位置δ来描述后退区域45。沿着轴向方向X深度y相对于中心表面支撑区域(并且相对于主轴颈轴承区域的除了相同轴颈中的任何其它后退区域45的其它部分)的圆柱形范围,通常地从主轴颈轴承表面40的前端或后端4243处的最大值减小到在沿着轴向方向的后退区域45终止的位置处的零值。通常地,后退区域45的深度y沿着轴向方向从后退区域45的起点朝向轴承表面40的前端或后端逐渐地增加。在任何情形中,凹槽45的最深位置都应该在曲拐2的侧翼附近,因为曲拐2侧翼附近是最需要深度y的地方以适应主轴颈45相对于其轴承的倾斜,即在主轴颈5与曲拐2之间转换以前凹槽45的深度y不必在轴向方向上朝向曲拐2增加。由于后退区域会难以通过肉眼区分,因此在图6中后退区域45的深度y已经被极度放大以便能够使后退区域可视化。如图7中所示,后退区域45可以具有作为主轴颈5的全部周边的一部分的角范围δ1、δ2。在此情形中,后退区域45的角度范围δ1、δ2通常地从主轴颈轴承表面的前端或后端处的最大值减小到沿着轴向方向的后退区域45终止的位置处的零值。在实施方式中,至少一个后退区域45的深度y沿着轴向方向朝向后退区域45邻接的轴向端42、43逐渐的增加。在图7中示出了两个后退区域45,一个跨越角度δ1延伸并且另一个跨越角δ2延伸(但是可能具有多于两个的后退区域45或者仅一个后退区域45)。两个后退区域45分开以角α。后退区域45的数量、它们在轴承表面上的位置、它们的深度、它们沿着x方向的范围以及它们的角范围可以根据每个主轴颈5的需要单独地确定,以便将轴承壳体86、87的轴承表面与主轴承的轴承表面40之间的油膜中的最大压力保持在可接受等级以下,并且与此同时在主轴颈5上提供尽可能完全的圆柱支撑区域以用于最大载重能力。通过对在运行发动机10中的曲轴及其轴承的操作的数值模拟来确定后退区域45的最佳数量、尺寸、形状与位置。在实施方式中,单个主轴颈操作室设有多个后退区域45,可能在两个轴向端42、43中的每个附近都设有后退区域45。数值模拟可以包括在缸体14中的燃烧过程,以便得到作为曲轴位置的函数的缸体压力。数值模拟还可以包括点火顺序(firingxa0sequence)优化。关于如对于曲轴与轴的动力特性的益处、全部轴承的性能及其对发动机外部作用力的影响以及作用在外壳上的瞬间的此种标准来选择点火顺序。数值模拟还可以包括曲轴载荷与倾斜计算。为了能够优化曲轴轴承,需要将用于全部主轴颈5的载荷与倾斜都作为曲轴位置的函数。获得用于12缸体发动机10的轴承载荷与倾斜的完整计算包括施加在曲轴1上的多于4300的特定载荷。施加的载荷导致多于5000的特定反作用力,其全部结合起来以获得正确的载荷与倾斜动作。影响曲轴轴颈倾斜的因素是基于其几何形状、气体压力、旋转速度与点火顺序的曲轴刚度。在不同自由度中以有限元法计算曲轴刚度。在曲轴偏转计算中,作为曲轴位置的函数的缸体压力与选定的点火顺序结合。数值模拟可以包括单个轴承模拟。当已知用于每个单个轴承的载荷时,每个主轴颈5的优化形状都可以被计算,以便得到尽可能高的最小油膜厚度与尽可能低的油膜压力。对根据油特性的轴承模拟效果以及轴承支撑件的刚度与轴承几何形状进行考虑。根据单个后退区域45的深度与宽度并且根据需要布置后退区域45的角位置,通过利用更新的曲轴轴颈几何形状对油膜模拟进行迭代,可以获得轴颈的优化形状。在实施方式中,所述至少一个后退区域45的所述角范围(δ1,δ2)跨越涉及的所述主轴颈5的全部周边范围。在实施方式中,在轴向方向上的深度轮廓沿着曲线。在实施方式中,全部下轴承壳体都是平面类型的。在实施方式中,轴颈轴承表面宽度W与相应轴承壳体宽度的宽度相同。因此,尽管已经参照装置与方法的开发环境描述了装置与方法的优选实施方式,但是它们仅仅描述了本发明的原理。在不偏离所附权利要求范围的情况下可以设计其它实施方式与构造。