【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)動機的結構緊湊，最合適的連桿長度應該是，在保證連桿及相關機件在運動時不與其他機件相碰的情況下，選取最小的連桿長度。對于缸徑S≤120mm的高速柴油機來說，～，又考慮到柴油機其他零件的設計，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 連桿小頭的設計 一、小頭結構形式小頭采用薄壁圓環(huán)型結構，它的形狀簡單，制造方便，材料能充分利用，受力時應力分布較均勻。小頭到桿身的過渡采用單圓弧過渡。其結構如圖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，應使小頭與活塞銷座之間每側都留約1～2mm的間隙，用來彌補機體、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，本設計采用鉛青銅，其優(yōu)點是強度較高，耐磨性好，適用于熱負荷比較大的柴油機。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動。小頭孔的直徑設計為mm，～，則襯套外徑尺寸為mm。襯套與活塞銷的配合間隙應盡量小，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。但應該避免在高應力的過渡期開集油空，以免削弱小頭強度。 連桿桿身的設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慣性力的拉伸作用，當連桿受壓時，有可能發(fā)生不穩(wěn)定彎曲，此外當連桿作高速擺動運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。連桿桿身的最大應力一般發(fā)生在桿身與大、小頭圓角過渡處，最大壓應力發(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 連桿大頭的設計連桿大頭聯(lián)結連桿和曲軸，要求有足夠的強度和剛度，否則將影響薄壁軸瓦和連桿螺栓，甚至整機工作可靠性。為了便于維修，對于像本設計的高速柴油機，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，給曲軸設計帶來困難，因此在設計連桿大頭時，應在保證強度、剛度的條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。合理確定大頭的結構尺寸和形狀，就是大頭設計的任務。大頭的結構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構設計。在設計大頭構形的時候針對一些薄弱環(huán)節(jié)，應注意以下問題：連桿蓋上要設置合適的加強筋，加強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荷但同時在結合面上產(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承受慣性力拉伸時，沿連桿體與連桿蓋的結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力集中。這樣的定位方式常用在車用柴油機的斜切口的連桿上。其優(yōu)點是提高了結合處的剛度，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盡量靠近軸瓦，連桿螺栓孔中心距一般為=（～），取=，即=71mm，螺紋外側邊后不小于2～4 mm。大頭采用鋸齒定位時，螺孔外側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)燃機的工作過程；同時活塞組也承受燃氣壓力，并把它傳給連桿、曲軸，將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，從而對外輸出扭矩，以驅動汽車車輪轉動。 活塞設計 活塞的工作條件 活塞的機械負荷在發(fā)動機工作中，活塞承受的機械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復慣性力以及由此產(chǎn)生的側向作用力。在機械載荷的作用下，活塞各部位了各種不同的應力：活塞頂部動態(tài)彎曲應力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應力；環(huán)岸承受彎曲及剪應力。此外，在環(huán)槽及裙部還有較大的磨損。為適應機械負荷，設計活塞時要求各處有合適的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強度、剛度前提下，結構要盡量簡單、輕巧，截面變化處的過渡要圓滑，以減少應力集中。 熱負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?；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氣周期性接觸，燃氣的最高溫度可達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600～700K[7]。高溫一方面使活塞的機械強度顯著下降，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零件的配合。磨損強烈活塞頂部在做功行程時，承受著燃氣的帶沖擊性的高壓力。對于汽油機活塞，瞬時的壓力最大值可達3～6MPa。對于柴油機活塞，其最大值可達6～9MPa，采用增壓時最大值可達13～15MPa。高壓導致活塞的側壓力大，加速活塞外表面的磨損，也容易引起活塞的變形[7]。活塞在氣缸中作變速運動。這樣的高速可產(chǎn)生很大的慣性力，它將使曲柄連桿機構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)生一定的熱應力。 活塞的設計要求（1） 要選用熱強度好、耐磨、比重小、熱膨脹系數(shù)小、導熱性好、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，強度、剛度符合要求，盡量減輕重量，避免應力集中；（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）減少活塞從燃氣吸收的熱量，而已吸收的熱量則能順利地散走； （6）在較低的機油耗條件下，保證滑動面上有足夠的潤滑油。 活塞的材料根據(jù)上述對活塞設計的要求，活塞材料應滿足如下要求：（1）熱強度高。即在高溫下仍有足夠的機械性能，使零件不致?lián)p壞；（2）導熱性好，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慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機械負荷和平衡配重；（5）有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。?，