零件裝配與結(jié)構(gòu)組成 |
柴油機(jī)連桿組的作用及主要零件組成 |
摘要:柴油發(fā)電機(jī)連桿組的功用是連接活塞與曲軸,將活塞承受的燃?xì)鈮毫鹘o曲軸,并和連桿配合,把活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿在工作時(shí),承受有三種作用力:活塞傳來的氣體壓力;活塞組零件及連桿本身(小頭)的慣性力;連桿本身繞活塞銷做變速擺動(dòng)時(shí)的慣性力。這些力的大小和方向都是周期性的變化,因此連桿承受著壓縮、拉伸和橫向彎曲等交變應(yīng)力。連桿或連桿螺栓一旦斷裂,就可能造成整機(jī)破壞的重大事故。如果剛度不足,使大頭孔變形失圓,大頭軸承的潤滑條件受到破壞,則軸承會(huì)發(fā)熱而燒損。連桿桿身變形彎曲,則會(huì)造成氣缸與活塞的偏磨,引起漏氣和竄機(jī)油。所以要求連桿在盡可能輕的情況下,保證有足夠的強(qiáng)度和剛度。
一、普通連桿結(jié)構(gòu)
一般柴油機(jī)的連桿組是由連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭、連桿蓋、連桿軸瓦、連桿襯套和連桿螺栓等部分組成(如圖1所示)。
1、連桿小頭
連桿小頭的結(jié)構(gòu)通常為短圓管形,用來安裝活塞銷。通常以半徑較大的圓弧與桿身圓滑銜接,從而減少過渡處的應(yīng)力集中。在小頭孔中壓配有耐磨的錫青銅、鋁青銅或鐵基粉末冶金的薄壁襯套,以減小活塞銷的磨損。為了潤滑襯套和全浮式活塞銷的配合表面,在連桿小頭和襯套上方鉆孔或銑槽,以收集飛濺下來的油霧。對采用壓力潤滑方式的連桿,在桿身中鉆有油道,潤滑油從曲軸連桿軸頸,經(jīng)過桿身油道進(jìn)小頭襯套的摩擦表面。
2、連桿桿身
連桿桿身一般采用“工”字形斷面,這是因?yàn)樵诓牧蠑嗝婷娣e相等的條件下,其抗彎斷面模數(shù)最大,因此連桿可在最輕的情況下獲得最大的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。
3、連桿大頭
連桿大頭是連桿與曲軸連桿軸頸相連接的部分,亦是連桿軸頸的軸承部分。連桿大頭一般通過孔心分成兩部分,以利于拆裝,其中被分開的小部分稱為連桿蓋(或連桿瓦蓋),裝配時(shí),這兩部分用兩個(gè)或四個(gè)連桿螺栓連接。
連桿螺栓一般用中碳合金鋼經(jīng)精加工調(diào)質(zhì)處理制成。為使連桿軸瓦與大頭貼合良好,防止大頭剖分面在受力時(shí)產(chǎn)生縫隙,連桿螺栓必須具有一定的預(yù)緊力。所以各生產(chǎn)廠對螺栓的扭緊力矩都做了詳細(xì)的規(guī)定。裝配時(shí),連桿螺栓應(yīng)按一定次序、對稱均勻、分2~3次逐步擰緊,達(dá)到規(guī)定的扭緊力矩。連桿螺栓緊固后,為防止其松脫,一般采用開口銷、鐵絲、鎖緊片等鎖緊。當(dāng)螺紋精確加工且合理擰緊時(shí),不加任何鎖緊裝置,連桿螺栓也不會(huì)松動(dòng),所以在現(xiàn)代柴油機(jī)中,連桿螺栓大多沒有特別的鎖緊裝置。
由于大頭孔的精度要求很高,因此必須在剖分后再組合在一起進(jìn)行孔的加工??准庸ず蟊仨毻ㄟ^定位裝置將大頭蓋與連桿大頭之間的相對位置加以固定, 連桿根據(jù)制造方式有兩種配對方法,分為切割和斷裂方式,如圖1所示。為了防止裝配時(shí)錯(cuò)位,應(yīng)在大頭與大頭蓋的一側(cè)打上配對記號。
連桿大頭的剖分形式有平切口和斜切口兩種。剖分面垂直于連桿桿身中心線的稱為平切口[如圖2(a)所示]。剖分面與桿身中心線傾斜成一定角度(30°~60°,通常成45°)的稱為斜切口[如圖2(b)所示]。
圖1 柴油機(jī)連桿配對方式 |
圖2 柴油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)組成示意圖 |
二、V形連桿形式
V型柴油機(jī)左右兩側(cè)相對應(yīng)的兩個(gè)氣缸的連桿,通常都裝在同一個(gè)曲柄銷上。按照兩個(gè)連桿連接方式的不同,可分為并列、主副、叉形三種形式,如圖3所示。
1、并列連桿
相對應(yīng)的左右兩缸的連桿,一前一后地裝在同一曲柄銷上,如圖4所示。由于連桿的結(jié)構(gòu)形式相同,因此可以通用,而且兩側(cè)氣缸的活塞連桿組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。其缺點(diǎn)是兩側(cè)氣缸的中心線沿曲軸軸向要錯(cuò)開一段距離,因而曲軸的長度增加,使曲軸剛度降低。
2、主副連桿
主副連桿又稱關(guān)節(jié)式連桿,結(jié)構(gòu)如圖5所示。一列氣缸的連桿裝在連桿軸頸上,稱為主連桿;另一列氣缸的連桿,通過一圓柱銷與主連桿的耳銷孔相連接,稱為副連桿。左右兩列對應(yīng)氣缸的主副連桿及其中心線位于同一平面內(nèi)。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是曲軸的長度不需加長,使曲軸剛度加強(qiáng)。缺點(diǎn)是連桿不能互換。副連桿對主連桿產(chǎn)生附加彎矩,以及左右兩列氣缸的活塞連桿組運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同。
3、叉片式連桿
左右兩列氣缸相對應(yīng)的兩個(gè)連桿中,一個(gè)連桿的大頭做成叉形,另一個(gè)連桿的大頭插在叉形連桿的開擋內(nèi)(如圖6所示),稱為叉片式連桿。
叉形連桿桿身的工字?jǐn)嗝娴拈L軸位于垂直于擺動(dòng)平面的平面內(nèi)。其翼板伸到大頭的部分就成為叉形,這使片式連桿擺動(dòng)時(shí),在叉形連桿桿身上開槽的高度可以減小,因而強(qiáng)度有所提高。叉形連桿的優(yōu)點(diǎn)是兩列氣缸中活塞連桿組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同,曲軸的長度不需加長。缺點(diǎn)是叉形連桿大頭結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復(fù)雜,大頭的剛度也不夠高。
在缸徑較大,缸數(shù)較多的V型柴油機(jī)上,多采用主副連桿和叉片式連桿,而一般V型柴油機(jī)則多采用并列式連桿。
圖3 柴油機(jī)V型連桿形式類型 |
圖4 柴油機(jī)并列連桿結(jié)構(gòu)圖 |
圖5 柴油機(jī)V形主副連桿結(jié)構(gòu)圖 |
圖6 柴油機(jī)叉片式連桿結(jié)構(gòu)圖 |
三、連桿軸承材料和結(jié)構(gòu)
柴油機(jī)中的軸承以滑動(dòng)軸承(又稱軸瓦)為多,其中受力較大且具有重要作用的是連桿軸承和曲軸主軸承,所在位置如圖7所示。它們的工作情況對柴油機(jī)的可靠性、使用壽命等有很大影響。它們的工作情況和材料要求大致相同,因此在此一并介紹。
軸瓦是用厚1~3mm的鋼帶作瓦背,其上澆有厚0.3~1.0mm的減摩合金(白合金、銅鉛合金或鋁基合金)的薄壁零件。連桿軸承在工作時(shí)受到氣體壓力和活塞連桿組往復(fù)慣性力的沖擊作用,而且軸承工作表面和軸之間有很高的相對滑動(dòng)速度,由于高負(fù)荷、高速度的作用,所以軸承很容易發(fā)熱和磨損。這就要求減摩合金的機(jī)械強(qiáng)度要高,耐腐蝕、耐熱性和減摩性要好。由于柴油機(jī)的軸承負(fù)荷大,所以柴油機(jī)通常采用銅鉛合金或鋁基合金軸瓦。它們的抗疲勞強(qiáng)度高,承載能力大,耐磨性也好,但其減摩性較差。為了改善減摩合金的表面性能,通常在減摩合金上再鍍一層極薄的合金(多為鉛錫合金),構(gòu)成“鋼背-減摩合金-表層”的三層金屬軸瓦。我國在中小型柴油機(jī)上廣泛采用了鋁基合金軸瓦,
其疲勞強(qiáng)度高,減摩性也不差,耐腐蝕性好,制造成本低。為了使軸瓦在工作中不致轉(zhuǎn)動(dòng)或軸向移動(dòng),在軸瓦上沖出高出背面的定位凸鍵,在軸瓦裝入大頭孔中時(shí),兩個(gè)凸鍵應(yīng)分別嵌入連桿桿身和連桿蓋的相應(yīng)凹槽中。有些軸瓦在內(nèi)表面有淺槽,用以儲(chǔ)油以利潤滑。但實(shí)踐證明,開油槽的軸瓦承載能力顯著降低,因此受力大的軸瓦,如主軸承的下軸瓦,最好不開槽。
軸瓦的內(nèi)外表面都經(jīng)過精密加工,因此,不允許以任何不適當(dāng)?shù)氖止し绞郊庸ぃㄈ玟S連桿蓋、焊補(bǔ)合金等)。裝配時(shí),連桿軸瓦與曲柄銷間應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠湍らg隙,并注意軸承匹配正確的連桿型式(如圖8所示),匹配錯(cuò)誤會(huì)造成柴油機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。安裝軸瓦時(shí),必須保持干凈,如有任何雜物落入,將會(huì)破壞其緊密性,引起軸瓦變形、過熱甚至燒壞合金。
圖7 柴油機(jī)連桿軸承位置圖 |
圖8 連桿軸承匹配示意圖 |
總結(jié):
為保證連桿結(jié)構(gòu)輕巧,且有足夠的剛度和強(qiáng)度,一般常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼(如45鋼)模鍛或滾壓成形,并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。中小功率柴油機(jī)連桿有采用球墨鑄鐵制造的,其效果良好,且成本較低。強(qiáng)化程度高的柴油機(jī)采用高級合金鋼(如40Cr、40MnB、42CrMo等)滾壓制造而成。合金鋼的特點(diǎn)是抗疲勞強(qiáng)度高,但對應(yīng)力集中比較敏感,因此采用合金鋼制造連桿的時(shí)候,對其外部形狀、過度圓角和表面粗糙度等都有嚴(yán)格要求。近年來,硼鋼、可鍛鑄鐵及稀土鎂球墨鑄鐵已廣泛用于制造柴油機(jī)連桿,其抗疲勞強(qiáng)度接近于中碳鋼,并且其切削性能很好,對應(yīng)力集中不敏感,制造成本低。
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