新聞主題	柴油機(jī)連桿設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)和材料選用

 

 摘要：柴油發(fā)電機(jī)連桿組主要由連桿、連桿螺栓、螺母、連桿軸瓦、小頭襯套等組成連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，連桿體除有上下運(yùn)動(dòng)外，還左右擺動(dòng)，做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有在足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。如果強(qiáng)度不足，就會(huì)發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會(huì)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作帶來不好的影響。所以設(shè)計(jì)連桿的一個(gè)主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。

 

一、連桿的設(shè)計(jì)要求和材料選用

 

      連桿組功能是將活塞與曲軸連接起來，通過它將活塞所承受的力傳給曲軸，使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料、合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。

1、連桿長(zhǎng)度的確定

      首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長(zhǎng)度ι它通常是用連桿比λ=r/ι來說明的，通常λ=0.25～0.3125，取λ=0.27，r=40.23mm，則ι=0.27×40.23=149mm。

2、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度

（1）連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，小頭襯套內(nèi)徑d?和小頭寬度B?已在活塞組設(shè)計(jì)中確定，d，=22mm，B?=26.388mm。為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為δ=2～3mm，取δ=2.2mm，則小頭孔直徑d=24.2mm，小頭外徑D?=(1.2～1.35)d，取D?=1.27×24.2=30.734mm。

（2）連桿小頭的強(qiáng)度

      以過盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓力。若襯套材料的膨脹系數(shù)比連桿材料的大，則隨工作時(shí)溫度升高，過盈增大，小頭斷面中的應(yīng)力也增大。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。

3、連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度

（1）連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

      連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度B約等于(0.26～0.3)D(D為氣缸直徑)，取B=0.27D=21.87mm，截面高度H=(1.5~1.8)B，取H=1.65B=36.08mm。為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。

（2）連桿桿身的強(qiáng)度

      連桿桿身在不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計(jì)算斷面以上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃?xì)鈮毫蛻T性力差值的壓縮，為了計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，必須進(jìn)行斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力試驗(yàn)。原材料經(jīng)鍛造成形后，分別在鍛造態(tài)連桿大頭和連桿體處取橫向和縱向拉棒試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取樣位置見圖2所示。

4、連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度

（1）連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸

      連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑D?、長(zhǎng)度B?、連桿軸瓦厚度δ，和連桿螺栓直徑dm。其中在D?、B?在曲軸設(shè)計(jì)中確定，D?=47.8nm，B?=26.73mm，則大頭寬度b?=26.73mm，軸瓦厚度δ?=(1.5～3)mm，取δ?=2.5mm，大頭孔直徑d?=50.3mm。

      連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺(tái)高度H?≈H?≈(0.35～0.5)d?，取H?=0.45d?=22.64mm，取H?=0.43d?=21.63mm，為了提高連桿大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離C=(1.24～1.31)d?，取C=1.27d?=63.881mm，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。

（2）連桿大頭的強(qiáng)度

      假設(shè)通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個(gè)整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的連桿體上，固定角為α?，α?通常取40°，作用力通過曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規(guī)律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為C/2。

      連桿蓋的最大載荷是在進(jìn)氣沖程開始的，計(jì)算得：

P?=P_jmax+P_r=10519.681+6923.799 =17443.48N

 

圖1  柴油機(jī)連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖2  連桿鍛造態(tài)拉伸試驗(yàn)取樣位置圖

 

二、連桿組結(jié)構(gòu)

 

1、連桿結(jié)構(gòu)組成

      連桿由小頭、桿身和大頭三部分組成。小頭繞活塞銷擺動(dòng)；大頭繞連桿軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)連桿又作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，作用于連桿上的力有氣體壓力和方向變化的慣性力，這些力會(huì)使連桿產(chǎn)生變形或引起連桿大頭、小頭的破壞。當(dāng)連桿大頭與連桿軸頸、小頭與活塞銷連接處的間隙增大時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生沖擊負(fù)載。因此，連桿的材料在保證強(qiáng)度和抗疲勞條件下，還要盡可能地減輕其重量。連桿一般多用碳鋼或合金鋼鍛模混壓而成，并經(jīng)熱處理和機(jī)械加工，也有用球墨鑄鐵澆鑄而成。連桿的各部構(gòu)造與形狀如圖3所示。

（1）連桿小頭

      小頭內(nèi)裝有一個(gè)青銅薄壁襯套（連桿銅套），以減小連桿小頭與活塞銷之間的摩擦。為了便于活塞銷與連桿襯套的潤滑，在襯套上鉆有油孔（或切槽）與連桿小頭上的油孔或（切槽）相通，飛濺的機(jī)油便可由此進(jìn)入孔內(nèi)。

（2）桿身

      桿身除承受壓縮和拉伸負(fù)載外，還承受很大彎曲力矩，為了增加連桿擺動(dòng)，故其斷面一般都鑄成“工”字形。若活塞銷是靠壓力式潤滑的，則沿桿身還鉆有或裝有輸送機(jī)油用的潤滑油道。桿身的材料為45或40號(hào)中碳鋼。

（3）大頭

      為了便于裝配，連桿大頭一般為分開式。能夠分開的那個(gè)半圓叫連桿瓦蓋，另半圓在連桿大頭上，它靠?jī)芍唬ɑ蛩闹唬?qiáng)度大、精度高的合金鋼螺栓把連桿緊固與連桿軸頸鉸鏈起來。有些連桿的瓦蓋上有“油勺”，使激濺潤滑更為可靠。還有些連桿大頭根部有射油孔，以利于凸輪軸和汽缸壁的潤滑。

（4）連桿連接方法

      連桿將活塞連到曲軸上。一端連在活塞銷上，另一端連在曲軸連桿軸頸上。圖4所示為連桿的各個(gè)零件，包括連桿、連桿蓋、兩個(gè)軸瓦、連桿螺栓及螺母。稱作凸臺(tái)的表面壓鑄到連桿內(nèi)以使其平衡。這些表面都加工的十分光滑。

 

圖3  連桿組構(gòu)成圖

圖4  連桿與連桿組其他零件連接圖

 

2、軸瓦

      連桿大頭的瓦蓋內(nèi)裝有分開式的滑動(dòng)軸承（也叫軸瓦）。它是用1～3mm厚的鋼帶做瓦底，再澆鑄厚度為0.3～0.7mm的軟質(zhì)合金制成的，并具有保持油膜減少摩擦阻力和易于磨合的作用。瓦片上鉆有小孔與曲軸上的油孔相通，以潤滑軸頸和軸瓦。有的軸瓦內(nèi)表面設(shè)有垂直于軸頸方向的淺槽用以儲(chǔ)油，使?jié)櫥鼮榭煽俊］S瓦的鋼帶兩頭邊沿制有定位凸鍵，嵌入連桿瓦蓋上的橫鍵中，使瓦片不得在瓦蓋內(nèi)相互移動(dòng)。瓦片的形狀如圖2所示。連桿軸瓦如圖5（a）的制成與曲軸主軸瓦如圖5（b）基本相同，只是主軸瓦內(nèi)徑不同而已。

 3、連桿蓋

      連桿和連桿蓋都是成直線鏜孔的。當(dāng)加工內(nèi)孔時(shí)，連桿蓋固定在連桿上。在維修過程中，保持連桿蓋和連桿的匹配是相當(dāng)重要的。如果兩者不匹配，可能是孔不正確。這就會(huì)導(dǎo)致連桿和軸承蓋對(duì)不正，從而造成軸承損壞或過度磨損。連桿蓋和連桿都標(biāo)記有數(shù)字以使連桿蓋與連桿匹配，如圖6（a）所示。當(dāng)翻修發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，一定要按數(shù)字進(jìn)行匹配。對(duì)于某些發(fā)動(dòng)機(jī)，可能省略了數(shù)字；而對(duì)于其他發(fā)動(dòng)機(jī)，同一數(shù)字可能會(huì)出現(xiàn)在連桿上。一定要使連桿蓋和原連桿匹配。如果連桿蓋沒有與原連桿匹配，則擰緊時(shí)，曲軸就會(huì)鎖止且不能轉(zhuǎn)動(dòng)。某些技師還用沖子相應(yīng)地給各連桿蓋和連桿做標(biāo)記。這樣確保了連桿蓋和連桿的正確裝配。

      某些連桿是粉末壓鑄的，就是將鐵粉、石墨和銅預(yù)先鑄在模子內(nèi)，然后將混合物加熱，以助于將材料混合在一起。最終的結(jié)果就是各連桿與其他連桿在重量上都十分相近，這就使發(fā)動(dòng)機(jī)易于平衡。另外，當(dāng)制造粉末壓鑄的連桿時(shí)，連桿蓋不像在普通連桿生產(chǎn)那樣被鋸開。

      為了從連桿上分開連桿蓋，連桿的兩側(cè)開有兩條縫，開縫產(chǎn)生了應(yīng)力點(diǎn)。當(dāng)連桿蓋從連桿上拔開時(shí)，連桿在開縫處分開，這就使得每個(gè)連桿分開時(shí)是不同的。不過，目前每個(gè)連桿都只與特定的連桿蓋匹配，這就有助于維修技師更容易將連桿蓋和連桿匹配在一起。圖4（b）表示了連桿和連桿蓋之間夸張的開縫。 

      圖6（b）中連桿和連桿蓋在開縫處分開，該開縫有鋸齒邊，以便使連桿蓋與其他的蓋不發(fā)生混淆，某些連桿在其下部有噴油孔，該孔將潤滑油導(dǎo)向缸壁以改善潤滑狀況。其他設(shè)計(jì)形式在連桿蓋配合面上都具有噴油孔，而某些設(shè)計(jì)就不存在噴油孔。

4、連桿軸承

      連桿軸承與主軸承的設(shè)計(jì)一樣，每個(gè)軸承都是由兩半組成。小的定位突起用來將軸承定位在適宜的位置以防軸承在孔中旋轉(zhuǎn)。這些突起與連桿蓋和連桿上加工的開槽匹配，與主軸承一樣，連桿是由內(nèi)側(cè)的鋼背、銅和鉛組成，涂有一薄層純錫。連桿和連桿蓋在開縫處分開，該開縫有鋸齒邊以使連桿蓋與其他的蓋不發(fā)生混淆。

 

圖5 柴油發(fā)電機(jī)軸瓦的構(gòu)造圖

圖6  連桿與連桿蓋匹配圖

 

總結(jié)：

      本章在設(shè)計(jì)連桿的過程中，首先分析了連桿的工作情況，設(shè)計(jì)要求，并選擇了適當(dāng)?shù)牟牧希缓蠓謩e確定了連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了強(qiáng)度的校核，使其滿足實(shí)際加工的要求。綜上所述，連桿作為機(jī)械傳動(dòng)中的重要部件，在使用時(shí)需要滿足一定的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和尺寸精度要求。常用的連桿材料包括碳素鋼、合金鋼、不銹鋼和鋁合金，其制造工藝包括鍛造、鑄造和機(jī)加工等多種類型。在選擇連桿材料和制造工藝時(shí)，需要根據(jù)具體的使用環(huán)境和要求進(jìn)行選擇。

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