【文章內(nèi)容簡介】 曲軸平衡塊與活塞、氣缸套相碰的可能性。所以為使發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，最合適的連桿長度應(yīng)該是，在保證連桿及相關(guān)機(jī)件在運(yùn)動時不與其他機(jī)件相碰的情況下，選取最小的連桿長度。對于缸徑S≤120mm的高速柴油機(jī)來說，～，又考慮到柴油機(jī)其他零件的設(shè)計，所以取連桿長度為156mm，在此范圍內(nèi)，是可取的。圖 連桿小頭的尺寸 連桿小頭的設(shè)計 一、小頭結(jié)構(gòu)形式小頭采用薄壁圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，它的形狀簡單，制造方便，材料能充分利用，受力時應(yīng)力分布較均勻。小頭到桿身的過渡采用單圓弧過渡。其結(jié)構(gòu)如圖21所示。二、小頭尺寸小頭的主要尺寸為小頭內(nèi)徑d1，小頭外徑d2 ,小頭寬度b1,襯套內(nèi)徑的d。由于襯套內(nèi)徑d要和活塞銷相配合，d=(~)D,，即d=*75=27mm,其公稱直徑是27mm。襯套的厚度一般是=（～）d。選==，所以小頭的內(nèi)徑d1為32mm。小頭外徑d2的選取范圍一般是d2=（～）d1 ，取d2==42mm。小頭寬度b1取決于活塞銷間隔B和銷座與連桿小頭的端面間隙。在確定小頭的寬度時候，應(yīng)使小頭與活塞銷座之間每側(cè)都留約1～2mm的間隙，用來彌補(bǔ)機(jī)體、曲軸、活塞和連桿等零件在軸向尺寸上可能出現(xiàn)的制造誤差和由于熱膨脹所引起的軸向相對位置的變化。應(yīng)該盡量使小頭具有足夠的承壓面積，以便使小頭孔與活塞銷之間相互壓緊的單位面積壓力不超過許用值。一般小頭寬度b1的范圍是b1=（～）d，取b1==30mm，這樣小頭寬度和銷座之間每側(cè)的間隙為2mm。三、連桿襯套為了減小活塞銷對連桿小頭的磨損，應(yīng)在小頭內(nèi)裝入襯套。襯套的材料襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，如：錫青銅，鉛青銅，鋼背高錫鋁合金，本設(shè)計采用鉛青銅，其優(yōu)點是強(qiáng)度較高，耐磨性好，適用于熱負(fù)荷比較大的柴油機(jī)。襯套與小頭孔的配合襯套與連桿小頭孔為過盈配合，常用的配合為jd、je、jbjc3等。過盈太大會使材料屈服而松動，太小會造成壓配松動，使襯套與小頭孔可能會相對轉(zhuǎn)動。小頭孔的直徑設(shè)計為mm，～，則襯套外徑尺寸為mm。襯套與活塞銷的配合間隙應(yīng)盡量小，以不發(fā)生咬合為原則。青銅襯套與活塞銷的配合間隙△大致在（～）d的范圍內(nèi)，～，由于此設(shè)計選用全浮式活塞銷，故可使銷和襯套的間隙梢大，～，即襯套的內(nèi)徑為mm。襯套的潤滑在小頭上方開集油孔或集油槽，靠機(jī)體上的噴油嘴噴出的油冷卻活塞的同時，一部分油通過孔流入襯套，達(dá)到冷卻的效果。在小頭和襯套上都開有集油孔和集油槽，用來收集和積存飛濺的潤滑油。但應(yīng)該避免在高應(yīng)力的過渡期開集油空，以免削弱小頭強(qiáng)度。 連桿桿身的設(shè)計連桿桿身采用工字型截面，工字型截面的長軸位于連桿的擺動平面內(nèi)。因為工字型截面對材料利用的最為合理，所以應(yīng)用的也很廣。連桿桿身在膨脹行程中承受作用在活塞上的氣體壓力的壓縮作用，在吸氣行程中承受往復(fù)慣性力的拉伸作用，當(dāng)連桿受壓時，有可能發(fā)生不穩(wěn)定彎曲，此外當(dāng)連桿作高速擺動運(yùn)動時還要承受本身的橫向慣性力的彎曲作用。實驗證明，彎曲應(yīng)力實際上不大?？珊雎?。從鍛造工藝方面看，工字型截面兩臂過薄和圓角半徑過小都是不利的。因為這種連桿鍛造時變形比較大，就有可能產(chǎn)生鍛造裂紋的危險，特別時在工字型截面兩臂邊緣上更易出現(xiàn)裂紋。此外，鍛造這種連桿時模具磨損也較大。具有邊緣厚并倒圓的工字型截面是比較有利的。工字型截面的長軸yy處于連桿的擺動平面內(nèi)，使桿身截面對垂直與連桿擺動平面的x軸的慣性矩Jx大與對位于擺動平面的y軸的慣性矩Jy，一般Jx=(2～3)Jy，這樣符合桿身實際受力情況，并有利于桿身向大、小頭過渡。連桿桿身的最大應(yīng)力一般發(fā)生在桿身與大、小頭圓角過渡處，最大壓應(yīng)力發(fā)生在桿身中部?？紤]上面所述，綜合考慮，確定出下列尺寸：。其中截面寬B=20mm t=5mm截面的高H=（～）B ，取H==28mm圖 連桿桿身橫截面形狀 連桿大頭的設(shè)計連桿大頭聯(lián)結(jié)連桿和曲軸，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，否則將影響薄壁軸瓦和連桿螺栓，甚至整機(jī)工作可靠性。為了便于維修，對于像本設(shè)計的高速柴油機(jī)，連桿必須能從氣缸中取出，故要求大頭在擺動平面內(nèi)的總寬必須小于氣缸直徑，大頭的外型尺寸又決定了凸輪軸位置和曲軸箱形狀，大頭的重量產(chǎn)生的離心力會使連桿軸徑、主軸承負(fù)荷增大，摩擦加劇，有時還為此還不得不增大平衡重，給曲軸設(shè)計帶來困難，因此在設(shè)計連桿大頭時，應(yīng)在保證強(qiáng)度、剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。合理確定大頭的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，就是大頭設(shè)計的任務(wù)。大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定與曲柄銷直徑、長度和連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。所謂的大頭設(shè)計，實際上是確定連桿大頭在擺動平面內(nèi)某些主要尺寸，連桿大頭的剖分形式和定位方式以及大頭蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計大頭構(gòu)形的時候針對一些薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)注意以下問題：連桿蓋上要設(shè)置合適的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋到螺栓孔支承面處要圓滑過渡。螺栓頭支承面和螺母支承面要圓弧過度，避免加工尖角，可采用鍛造圓角或圓弧沉割來減少應(yīng)力集中，但必須盡量提高圓弧沉割處的光潔度。斜切口連桿長叉口一側(cè)變形較大，除了采用大圓弧過渡外，還可以用單筋和桿身連接，以提高大頭剛度。一、連桿大頭的剖分形式采用斜切口的剖分方式，切口角為45度。這樣的剖分形式的優(yōu)點是滿足連桿組能從氣缸裝拆的條件下，可增大曲柄銷直徑，有利于提高曲軸的剛度和連桿軸承的工作能力，也就是說它在解決曲柄銷直徑和從氣缸中抽出連桿之間的矛盾。減小了連桿螺釘承受的慣性拉伸負(fù)荷但同時在結(jié)合面上產(chǎn)生較大的切向力，使連桿螺釘承受剪切作用。二、連桿大頭的定位方式斜切口連桿當(dāng)承受慣性力拉伸時，沿連桿體與連桿蓋的結(jié)合面方向作用著很大的橫向力，使連桿螺栓承受剪切力。為此必須采用能承受較大剪切力的定位方式，才能保證工作可靠。本設(shè)計采用的是舌槽定位。連桿體和蓋上均有一舌和一槽，他們是有同一把拉刀（帶一舌一槽）加工成的，所以體與蓋上舌槽間的距離精度較高，定位可靠，尺寸緊湊。當(dāng)然它有不好的地方，就是其拆裝不便，且只有在采用拉刀加工時才能保證較高的定位精度，還有舌槽要注意減少應(yīng)力集中。這樣的定位方式常用在車用柴油機(jī)的斜切口的連桿上。其優(yōu)點是提高了結(jié)合處的剛度，縮小了連桿螺栓之間的距離，減小了螺栓尺寸。三、連桿大頭的主要尺寸大頭孔直徑根據(jù)曲軸曲柄銷的設(shè)計尺寸為48mm，再考慮到軸瓦的尺寸，取D1=53mm 大頭寬度 連桿軸瓦厚度 連桿螺栓直徑 連桿螺栓孔中心線中心線應(yīng)盡量靠近軸瓦，連桿螺栓孔中心距一般為=（～），取=，即=71mm，螺紋外側(cè)邊后不小于2～4 mm。大頭采用鋸齒定位時，螺孔外側(cè)至少有一個完整的受力鋸齒。大頭高度 圖 連桿大頭的主要尺寸 活塞組的設(shè)計活塞組主要由活塞、活塞環(huán)、活塞銷組成，用來與氣缸、氣缸蓋相配合形成一個容積變化的密閉空間，在這里完成內(nèi)燃機(jī)的工作過程；同時活塞組也承受燃?xì)鈮毫?，并把它傳給連桿、曲軸，將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而對外輸出扭矩，以驅(qū)動汽車車輪轉(zhuǎn)動。 活塞設(shè)計 活塞的工作條件 活塞的機(jī)械負(fù)荷在發(fā)動機(jī)工作中，活塞承受的機(jī)械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復(fù)慣性力以及由此產(chǎn)生的側(cè)向作用力。在機(jī)械載荷的作用下，活塞各部位了各種不同的應(yīng)力：活塞頂部動態(tài)彎曲應(yīng)力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應(yīng)力；環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。為適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計活塞時要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強(qiáng)度、剛度前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡單、輕巧，截面變化處的過渡要圓滑，以減少應(yīng)力集中。 熱負(fù)荷活塞的主要作用是承受氣缸中的氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊敳窟€有氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。由于活塞頂部直接與高溫燃?xì)庵芷谛越佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2500K以上，因此活塞的溫度也很高，例如活塞頂部的溫度可高達(dá)600～700K[7]。高溫一方面使活塞的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，另一方面使活塞材料的熱膨脹量增大，容易破壞活塞與其相關(guān)零件的配合。磨損強(qiáng)烈活塞頂部在做功行程時，承受著燃?xì)獾膸_擊性的高壓力。對于汽油機(jī)活塞，瞬時的壓力最大值可達(dá)3～6MPa。對于柴油機(jī)活塞，其最大值可達(dá)6～9MPa，采用增壓時最大值可達(dá)13～15MPa。高壓導(dǎo)致活塞的側(cè)壓力大，加速活塞外表面的磨損，也容易引起活塞的變形[7]?；钊跉飧字凶髯兯龠\(yùn)動。這樣的高速可產(chǎn)生很大的慣性力，它將使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各零件和軸承承受附加的載荷?；钊惺艿臍鈮毫蛻T性力是周期性變化的，因此活塞的不同部分會受到交變的拉伸、壓縮和彎曲載荷；并且由于活塞各部分的溫度極不均勻，活塞內(nèi)部將產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。 活塞的設(shè)計要求（1） 要選用熱強(qiáng)度好、耐磨、比重小、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料；（2） 有合理的形狀和壁厚。使散熱良好，強(qiáng)度、剛度符合要求，盡量減輕重量，避免應(yīng)力集中；（3）保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失；（4）在不同工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合；（5）減少活塞從燃?xì)馕盏臒崃?，而已吸收的熱量則能順利地散走； （6）在較低的機(jī)油耗條件下，保證滑動面上有足夠的潤滑油。 活塞的材料根據(jù)上述對活塞設(shè)計的要求，活塞材料應(yīng)滿足如下要求：（1）熱強(qiáng)度高。即在高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞；（2）導(dǎo)熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力；（3）膨脹系數(shù)小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙；（4）比重小。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重；（5）有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。?，