【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 VSS (進(jìn)口 )、VMn35 、 SMn40 等非調(diào)制鋼。 1984~1994 年期間，康明斯生產(chǎn)線用調(diào)制剛毛胚)855216(40 ?GBBHM n ， 1995 年全面轉(zhuǎn)用非調(diào)制剛材料毛胚 VMn38 。而德國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和零部件的專家 MahleGmbh 公司先后推出 BYSC 670 鋼、 BYVSMn 436鋼、 BYVSMn 470 鋼等。 在加工工藝方面，國(guó)內(nèi)外連桿生產(chǎn)方式大致有：鍛造、鑄造、粉末冶金等，傳統(tǒng)鍛造有將連桿體和蓋分開(kāi)鍛造，連桿體和蓋整體鍛造兩種。 60 年代中期粉末熱鍛技術(shù)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，從 80 年代以來(lái)粉末冶金注射成型成功的得到應(yīng)用，大多數(shù)連桿體制造中使用的中碳鋼和低合金鋼逐步由新鋼種和粉末冶金的鍛造材料所代替。在連桿體和連桿蓋分離工藝方面大部分采用的是鋸斷、洗鍛等工藝，最新工藝是使用斷裂分開(kāi)，即脹斷工藝（或者斷裂工藝），該工藝是用切口（或用機(jī)械方法或用激光束制造欲裂紋）斷裂，使大端連桿蓋從連桿體移去。國(guó)內(nèi)部分汽車廠及設(shè)備 制造廠如一汽大眾，上海大眾和上海通用等都采用了該技術(shù)。 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 12 活塞的結(jié)構(gòu)型式 活塞頭部 活塞頭部的結(jié)構(gòu)主要取決于內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)化程度。頂部的形狀主要決定于燃燒室的類型，在某些二沖程的內(nèi)燃機(jī)中海涉及到換氣的需要。環(huán)帶的位置與結(jié)構(gòu)還影響到了整機(jī)的排放和活塞的使用壽命。 活塞頭部截面形狀?；钊^部經(jīng)常設(shè)計(jì)成導(dǎo)熱良好的 “ 熱流型 ” ，即根據(jù)活塞的熱流通道，采用大圓弧過(guò)渡，以增加從頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部的熱流迅速傳出，使活塞頭部的溫度得以降低。溫度降低同時(shí)也有利于消除應(yīng)力集中，這樣，可以提高活塞的承載能 力。由于活塞頭部需承受高溫高壓作用，因此活塞頭部易產(chǎn)生的疲勞裂紋，多數(shù)發(fā)生在氣門凹坑、燃燒室喉口邊緣、活塞頂內(nèi)壁與銷座根部連接處。從結(jié)構(gòu)上解決頭部裂紋的措施如下： 合理設(shè)計(jì)活塞頭部形狀，降低活塞頂面的機(jī)械應(yīng)力，使頂面應(yīng)力狀態(tài)在疲勞極限的范圍內(nèi)。 避免加工尖角，采用較大的過(guò)渡圓角，消除應(yīng)力集中。 因此，活塞頂?shù)脑O(shè)計(jì)對(duì)于活塞頭部對(duì)抗高溫高壓就顯得尤為重要。其中凹頂式活塞頂部，淺凹坑用來(lái)改善混合氣形成和燃燒質(zhì)量，或?yàn)榱朔乐箽忾T碰撞和調(diào)整壓縮比。 活塞裙部 活塞裙部的結(jié)構(gòu)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的平 順性和活塞與氣缸之間的工作配合條件有著重要的影響。為了控制熱膨脹，盡量保持最佳缸配間隙，裙部可以開(kāi)槽，鑲鋼小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 13 片盒中凸橢圓等結(jié)構(gòu)。 開(kāi)槽（汽油機(jī)活塞） 活塞銷座 新一代活塞銷座結(jié)構(gòu)演變的特點(diǎn)：在不增加尺寸的前提下，優(yōu)化毛胚造型和孔口加工形狀，以提高變形的適應(yīng)能力和整體承載能力；偏置軸線以降低活塞的敲擊噪聲。所謂的異型銷孔，包括橢圓銷孔、帶卸載槽銷孔和錐形銷孔。與普通的直銷孔相比，它可明顯減小應(yīng)力集中，減小幅度約為 10%~30%。活塞銷座的應(yīng)力分布取決于銷座和活塞銷兩者變形是否相互適應(yīng)， 如果活塞銷剛度較大而銷座剛度較小，或者活塞銷剛度小而銷座剛度大，則二者不能相互適應(yīng)。結(jié)果引起銷座內(nèi)孔上側(cè)邊緣等處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中致使銷座斷裂。因此，活塞銷座的設(shè)計(jì)應(yīng)與活塞銷統(tǒng)一考慮，要求活塞銷有較高的剛度，減少活塞銷的彎曲變形，而活塞銷座能承受很高的壓力，又要具有一定彈性，使之適應(yīng)活塞銷的變形。銷座的結(jié)構(gòu)有單筋銷座、雙筋彈性銷座、寬型整體支承筋的剛性銷座、斜面銷座和階梯銷座。 因此，在活塞銷座的設(shè)計(jì)中，采用雙筋彈性銷座，即在銷孔的側(cè)上方設(shè)置兩條支承筋，筋間的凹穴，可以使銷座具有良好的彈性，能在一定程度上適 應(yīng)活塞銷的變形，從而減少銷孔的點(diǎn)的應(yīng)力集中。 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 14 、 活塞的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及其強(qiáng)度校核 活塞主要尺寸的選擇 活塞的主要尺寸主要包括：活塞直徑 D，活塞的高度 H ，壓縮高度 1H ，裙部高度 2H ，環(huán)岸高度 1h 、 2h ，活塞頂厚度 ? 及環(huán)槽底徑 1D 、 2D ，銷座開(kāi)檔距離 B 等。 結(jié)構(gòu)參數(shù) 取決于以下因素：轉(zhuǎn)速、燃燒室的形狀和活塞裙部承壓面積。應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)布置合理和所需承壓面積的條件下，盡量選擇小的活塞高度。 數(shù)據(jù)范圍：根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 知： H/D=，推薦值在 左右，故選擇 ，即活塞高度 H=74mm； 活塞壓縮高度； 在保證氣環(huán)良好的工作條件下，宜縮短 H1，力求降低整機(jī)高度尺寸。根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 知： H1/D=，選擇 ，即壓縮高度 : H1=34mm； 活塞環(huán)的數(shù)目； 目前中小型高速汽油機(jī)采用三環(huán)結(jié)構(gòu) (2道氣環(huán)， 1 道油環(huán) )。 環(huán)槽底徑 ： 可根據(jù)以下公式計(jì)算得到 氣環(huán)槽： ? ? ???? KDtDD ， 得 1D =64mm； 油環(huán)槽； ? ? ???? KDtDD ，得 2D =64mm； 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 15 D— 活塞名義直徑 t— 活塞環(huán)的徑向厚度，氣環(huán)槽 21?t ，油環(huán)槽 ?t ； K— 系數(shù)，鋁活塞 K= 環(huán)岸高度 第一環(huán)岸溫度較高，承受氣體壓力大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂，故第一環(huán)岸高度 h1比其余環(huán)岸高度大一些。 數(shù)據(jù)范圍：根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 知：第一環(huán)岸高度h1/D=，取 ，即第一環(huán)岸高度 h1=。第二、三環(huán)岸高度h2(h3)/D=，取 ，即第二、三環(huán)岸高度 h2(h3)=。 裙部長(zhǎng)度 H2 根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 知： H2/D=，選擇 ，即裙部長(zhǎng)度 H2=51mm； 裙部壁厚 g? : 根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 知： δ/D= ，選擇 ，即裙部壁厚： mmg ?? 活塞銷直徑 d: 根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 知：中小型高速柴油機(jī)，一般d/D， d/D=，選擇 ，即活塞銷直徑： d=19mm 銷座間隔 B 根據(jù)《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 知： B/D=，選擇 ，即銷座間隔： B= 活塞強(qiáng)度校核 (以下使用公式均參照《 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 》《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ) 1）活塞頂 ： 已知條件： a10MPPZ ? ， D1=66mm， σ=13mm 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 16 活塞是鋁合金、有筋頂?shù)模?? ? 2/500 cmkgfu ?? 機(jī)械應(yīng)力： 21 ??????? ?? DPzu 根據(jù)已知條件得： 2/ cmkgf ? ?uu ?? ? ，合格。 2） 第 一環(huán)岸： 已知條件： az MPP 10? ， mmh ? 材料鋁合金， ? ? 2/260 cmkgf?? 彎曲應(yīng)力： 321 ??????????? hDPZw? 根據(jù)已知條件得： 180 2/cmkgf 剪切應(yīng)力： 2212 ??????????? hDP? 根據(jù)已知條件得： 2/cmkgf 總應(yīng)力： 22 3??? ?? w 根據(jù)已知條件得： 2/cmkgf ????? ，合格。 3） 裙部比壓： 已知條件： D=68mm， zP =10MPa， ? ? NpDN z 6 2 940/ 2m a x ?? 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 17 高速柴油機(jī)和汽油機(jī) [1q ]=5 裙部比壓： 2max1 DHNq ? 根據(jù)已知條件得： q1[q1]，合格。 活塞銷的主要結(jié)構(gòu)尺寸及其強(qiáng)度校核 1) 活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，并把活塞承受的氣體壓力傳給連桿?；钊N在高溫下周期地承受很大的沖擊載荷，其本身又作擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且處于潤(rùn)滑條件很差的情況下工作，因此，要求活塞銷具有足夠的 機(jī)械 強(qiáng)度和剛度，表面韌性好，耐磨性好，重量輕 以減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力 。 根據(jù)活塞銷的工作條件和設(shè)計(jì)要求，銷的工作表面應(yīng)具有高硬度，內(nèi)部應(yīng)富有韌性和較高的強(qiáng)度，但是硬的表層和內(nèi)部必需緊密結(jié)合，保 證銷在沖擊載荷作用下沒(méi)有金屬剝落和金屬層之間分離的現(xiàn)象。所以，需要對(duì)銷進(jìn)熱處理，對(duì)于選擇低碳鋼作為材料的活塞銷，需要進(jìn)行滲碳和淬火。根據(jù)不同銷的尺寸大小，滲碳層的深度一般在 ~2mm 之間。對(duì)于 45 鋼的活塞銷則是進(jìn)行表面淬火，淬火層深度為 1~。銷經(jīng)熱處理后，其外表面硬度為 HRC=58~65，內(nèi)部硬度約HRC=36。 2） 活塞銷的結(jié)構(gòu)尺寸，主要指活塞銷外直徑 d，內(nèi)直徑 0d ，銷的長(zhǎng)度 0l 。根據(jù)高功率強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞銷而言，可知： 許用彎曲應(yīng)力 ? ? a500~230 MP?? ； 許用剪切應(yīng)力 ? ? aMP220~120?? ； 彎曲應(yīng)力計(jì)算：活塞銷表面受到氣體壓力 ZP 和往復(fù)慣性力 ,jpinP 的共同作用。 活塞銷中央截面的彎矩： ? ?xp lllpM ??? ； 式中 ,jpinx PPP ?? 。 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 18 空心銷的抗彎斷面系數(shù)為 ? ? daW ?? 其中 0/dda? 所以彎曲應(yīng)力為 WM/?? 即 ? ?? ?43 ad lllP xp ????? 根據(jù)已知條件得： aMP 最大剪切應(yīng)力計(jì)算 最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在銷座和連桿小頭的截面上，橫斷面上的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中性層上，其值按下式計(jì)算： ? ?? ?422m a x ad aaP ? ???? 根據(jù)已知條件得： aMP 所以 ,所測(cè)得的應(yīng)力是符合條件得。 活塞環(huán)主要結(jié)構(gòu)尺寸及其強(qiáng)度校核 活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸主要有環(huán)高 b，徑向厚度 t 和切口間隙 ? （工作間隙）、0S （自由開(kāi)口間隙）。 對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，有氣環(huán)和油環(huán)。絕大部分都放在活塞銷座以上的位置。氣環(huán)在上，油環(huán)在下。汽油機(jī)一般都是這樣放置的，但是在有些柴油機(jī)中，為了增強(qiáng) 刮油效果，也常把一個(gè)油環(huán)放在活塞銷座以下的裙部位置。 活塞環(huán)在環(huán)槽中運(yùn)動(dòng)，因此在環(huán)槽的軸向和徑向上，都因該有適當(dāng)?shù)拈g隙。軸向間隙不能過(guò)大，因?yàn)楫?dāng)環(huán)在環(huán)槽中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)與環(huán)槽之間發(fā)生撞擊。間隙大，撞擊也大，增加了環(huán)與環(huán)槽所承受的機(jī)械負(fù)荷。此外，間隙大也不利于密封。因?yàn)楫?dāng)環(huán)在改變運(yùn)動(dòng)法向的過(guò)程中，總有某一瞬時(shí)處于環(huán)槽的中間位置，形成氣體泄漏通路。間隙越大，泄漏延續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。間隙過(guò)小也有弊病，這時(shí)環(huán)與環(huán)槽受熱后產(chǎn)生膨脹和變形，間隙過(guò)小，環(huán)在環(huán)槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)易被卡住。此外機(jī)油產(chǎn)生的積碳顆粒充塞在間隙內(nèi)，如果間隙過(guò)小， 會(huì)使環(huán)失去活動(dòng)余地，嚴(yán)重時(shí)可能把環(huán)卡住，引起其他故障。所以 ， 最適當(dāng)間隙的選定，應(yīng)使活塞防漏部在活塞小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 19 膨脹后正好與缸壁接觸，而又不發(fā)生抱缸。這樣，既能減輕各道氣環(huán)的受熱強(qiáng)度，又降低了各道環(huán)的熱負(fù)荷。由于溫度分布的不均勻，可把防漏部作成圓柱形、圓錐等不同的形狀和尺寸。以便更好的完成工作。 活塞環(huán)高度不宜過(guò)高，因?yàn)檎h(huán)對(duì)氣缸的適應(yīng)性較好，易于磨合，摩擦損失小，能夠降低整個(gè)活塞組的高度和質(zhì)量，并且環(huán)的高度減小，使環(huán)背和環(huán)槽間的空間變小，環(huán)背壓力容易建立起來(lái)，提高密封效果。對(duì)于中小型高速汽油機(jī)，一般氣環(huán) b=~4 mm，取值 b=2mm。環(huán)的高度和徑向厚度之間也有一定的比例，一般為 ? ? tb ??? ，取中間比例 ，則徑向厚度 t=3mm。 活塞環(huán)的切口間隙有兩種： 其一，工作間隙 ? ： , ??????? atD 式中 t? —— 活塞環(huán)的工作溫升； a—— 活塞環(huán)材料的線膨脹系數(shù)為 ； ,? —— 環(huán)在熱狀態(tài)下切口兩端不相碰，而劉處的熱間隙，一般可取為~1mm。 根據(jù)已知條件得： 其二，自由切口間隙 0S ： 4~3/0 ?tS ； 在相同 ? 下， 0S 越大，環(huán)裝入氣缸后產(chǎn)生的彈力就越大安裝應(yīng)力就相對(duì)較小。 第一道環(huán)肩強(qiáng)度校驗(yàn) 活塞防漏部第一環(huán)槽處溫度較高，并承受很大的氣體壓力。因此，常常發(fā)生第一環(huán)肩跟