【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 熱處理后具有纖維斷面 ,這對(duì)受沖擊、受交變載荷的連桿特別有用。 7 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， 本設(shè)計(jì) 采用精選 優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼模鍛 ，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度 [4]。 連桿基本參數(shù)的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定 4110 柴油機(jī)的主要性能參數(shù)如表 所示。 表 4110 柴油 機(jī)主要性能參數(shù) 氣缸排列方式 直列四缸 供油方式 多點(diǎn)噴射 排量 /L 缸徑 /mm 110 行 程 /mm 125 曲柄半徑 連桿長(zhǎng) /mm 195 缸心 距 /mm 135 壓縮比 16 額定功率 /kW 70(2400 r/min) 平均有效壓力 增壓度 30 曲軸角速度 ? 最大爆發(fā)壓力 10Mpa 活塞組質(zhì)量 連桿的長(zhǎng)短直接影響到柴油機(jī)的高度及側(cè)壓力的大小 ,較長(zhǎng)的連桿能使慣性力增加 ,而同時(shí)在側(cè)壓力方面的改善卻不明顯。因此在柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí) ,當(dāng)運(yùn)動(dòng)件不與有關(guān)零部件相碰時(shí) ,都力求縮短連桿的長(zhǎng)度。 連桿長(zhǎng)度 L（即連桿大小頭孔中心距）與結(jié)構(gòu)參數(shù) lR?? （ R 為曲柄半徑）有關(guān)。連桿長(zhǎng)度越短，即 ? 越大，則可降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度，減輕運(yùn)動(dòng)件重量和整機(jī)重量，對(duì)高 8 速化有利，但 ? 大，使二級(jí)往復(fù)慣性力及氣缸側(cè)壓力增大，并增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸相碰的可能性。 在現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)中，連桿長(zhǎng)度的下限大約是 l=，即 ? =1/，上限大約是l=4R。連桿長(zhǎng)度的確定必須與所設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)整體相適應(yīng)，連桿設(shè) 計(jì)完成后應(yīng)進(jìn)行零件之間的防碰撞校核，應(yīng)校核當(dāng)連桿在最大擺角位置上時(shí)是否與氣缸套的下緣相碰，以及當(dāng)活塞在下止點(diǎn)附近位置上時(shí)活塞下緣是否與平衡重相碰，它們之間的最小距離都不應(yīng)小于 2～ 5毫米 [3]。 在機(jī)體的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)根據(jù)要求設(shè)計(jì)出連桿長(zhǎng)度為 195mm。 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小頭結(jié)構(gòu)型式 現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)絕大多數(shù)采用浮式活塞銷(xiāo)，也就是說(shuō)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中活塞的銷(xiāo)座中和在連桿的小頭中都是能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的。 本連桿的小頭的設(shè)計(jì)采用薄壁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，為了耐磨，在小頭孔內(nèi)還壓有耐磨襯套。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)形簡(jiǎn)單、制造方便， 材料能充分應(yīng)用，受力時(shí)應(yīng)力分布較均勻。連桿小頭的構(gòu)造如圖 22 所示。 圖 22 連桿小頭結(jié)構(gòu)型式 連桿襯套 襯套與連桿小頭孔為過(guò)盈配合，青銅襯套與活塞銷(xiāo)的配合間隙 ? 大致在（ ～） d 的范圍內(nèi)，在采用粉末冶金襯套時(shí)，由于襯套壓入后，內(nèi)徑會(huì)縮小，因此配合間隙應(yīng)適當(dāng)放大，一般 ? 大致在（ ～ ） d。在四沖程柴油機(jī)中，為減少小頭軸承的沖擊負(fù)荷，間隙應(yīng)盡量取小些，以不發(fā)生咬合為 原則。 在小頭上方開(kāi)有集油孔或集油槽，靠曲軸箱中飛濺的油霧進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油的均勻分布可通過(guò)襯套上開(kāi)布油槽來(lái)達(dá)到。 9 設(shè)計(jì)襯套寬度與連桿小頭等寬， 襯套的厚度一般為 mm3~2?? ， 本設(shè)計(jì)取?? 。 小頭結(jié)構(gòu)尺寸 小頭結(jié)構(gòu)尺寸主要是小頭襯套內(nèi)徑 d1和寬度 B小頭外徑 D小頭孔直徑 d 和潤(rùn)滑方式。柴油機(jī) B1≈ d1。根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖表 國(guó)產(chǎn)典型中小功率高速柴油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)表得到以下數(shù)據(jù)： Dd )~(1 ? mmDd ??取 11 dB? mmB ?取 ?? ? d)~(D 1 ? 1 ??取 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 桿身結(jié)構(gòu)型式 連桿桿身的截形十分重要 ,它應(yīng)能在保證強(qiáng)度的前提 下有盡量較輕的重量 ,此外 ,還要有利于該截面形狀向大端、小端的過(guò)渡 ,因此柴油機(jī)連桿桿身常采用工字形截面。連桿桿身采用工字形截面，其長(zhǎng)軸位于連桿擺動(dòng)平面，這種截面對(duì)材料利用得最為合理，這是由于連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)上下兩端的連接相當(dāng)于鉸支，而在垂直連桿擺動(dòng)平面的方向，其上下兩頭的連接則相當(dāng)于兩端固定的壓桿，故后者穩(wěn)定性好，允許的失穩(wěn)臨界力大。若想使連桿在相同載荷作用下，這兩個(gè)平面內(nèi)的穩(wěn)定性相同，則必須 Ix≈4Iy,據(jù)統(tǒng)計(jì) Ix=（ 2～ 3） Iy，這使連桿在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)有較大的抗彎能力。 連桿桿身截面的高 H 一般大約是截面 寬度的 ～ 倍，而 B 大約等于（ ～） D(D 為氣缸直徑 )。為了使桿身能與小頭和大頭圓滑過(guò)渡，桿身截面是由上向下逐漸增大的。桿身的最小截面積與活塞面積之比，對(duì)于鋼制連桿來(lái)說(shuō)大約是在 1125 30的范圍內(nèi) [6]。 桿身結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù) 《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖表 國(guó)產(chǎn)典型中小功率高速柴油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)表得到以下數(shù)據(jù)： 桿身截面寬度 B約 等于 D)~( (D 為氣缸直徑 )，取 mmDB ?? ， 截面高度 BH )~(? ， 取 mmBH 6 2 ?? 。 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(guò)渡處用足夠大的 10 圓角半徑。 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大頭結(jié)構(gòu)型式 連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷(xiāo)直徑 D長(zhǎng)度 B連桿軸瓦厚度 δ 2和連桿螺栓直徑 dm。其中 D B2是根據(jù)曲軸強(qiáng)度、剛度和軸承的承壓能力，在曲軸設(shè)計(jì)中確定。為了結(jié)構(gòu)緊湊，軸瓦厚度 δ 2趨于減薄，因此，本處所謂設(shè)計(jì)大頭設(shè)計(jì)， 實(shí)際上是指確定連桿大頭在擺動(dòng)平面內(nèi)某些主要尺寸，連桿大頭剖分形式，定位方式，及大頭蓋得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。連桿大頭與連桿蓋得分開(kāi)面大多垂直連桿軸線(xiàn)，稱(chēng)為平切口連桿。由于平切口連桿的大頭具有較大的剛度，軸承孔受力變形小及制造費(fèi)用低，一般都采用這種結(jié)構(gòu)。 大頭結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到以下數(shù)據(jù)： )~(2 DD ? mmDD ??取 )~(22 DB ? 22 ?? DB取 mmb ?則大頭寬度 mm3~ ?? mm32 ??取 mmd ?則大頭孔直徑 D）（ ~ m ? m ?? D取 連桿大頭與連桿蓋的分開(kāi)面采用平切口，大頭凸臺(tái)高度 221 )~( dHH ?? ，取 mmdH 21 ?? ，取 mmdH 22 ?? ， 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 2)~( dC ? ，取 mmdC 2 ?? ，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于 2毫米，取 5毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過(guò)渡采用盡可能大的圓角。 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 根據(jù)氣缸直徑 D 初選連桿螺紋直徑 Md ，根據(jù)統(tǒng)計(jì) DdM )~(? ，取mmDd M ?? 。 11 本章小結(jié) 本章在設(shè)計(jì)連桿的過(guò)程中， 是很重要一環(huán)，先對(duì)連桿進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析、 受力分析，而后對(duì)連桿設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要地分析，并說(shuō)明了連桿的工作條件和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，還 對(duì)連桿的材料性能及特點(diǎn)進(jìn)行了比較與分析。 之后 分別確定了連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭 、以及螺栓 的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) ，還對(duì) 各 個(gè) 部件的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了分析。 12 第 3 章 連桿的 強(qiáng)度、剛度計(jì)算 連桿小頭的強(qiáng)度校核 以過(guò)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(guò)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(jiàn)工作載荷具有交變性。上述載荷的聯(lián)合作用可 能使連桿小頭及其桿身過(guò)渡處產(chǎn)生疲勞破壞，故必須進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算 ，如圖 所示。 圖 連桿小頭主要結(jié)果尺寸 計(jì)算時(shí)把連桿小頭和襯套當(dāng)作兩個(gè)過(guò)盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過(guò)盈及受熱膨脹，小頭所受的徑向壓力為 ： MPaddEdDdDEdd t]dd[1][1)(p212212221221 ??????????????????? （ ） 式中 ： ? — 襯套壓入時(shí)的過(guò)盈， mm ； 一般青銅襯套 ~ 1 ?? ，取 mm0 3 0 . 0 0 0 8 ???? ， 其中 ： t? — 工作后小頭溫升 ,約 C 150~100 ? ； ? — 連桿材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，對(duì)于鋼 )/1( 5 C??? ?? ； 13 ?? — 襯套材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅 )/1( 5 C???? ?? ； ? 、 ?? — 連桿材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可取 ????? ； E — 連桿材料的彈性模數(shù)，鋼 M P 5?? ； E? — 襯套材料的彈性模數(shù) ，青銅 M Pa539。 ?? ； 計(jì)算 小頭承受的徑向壓力為： ] [ 1] [ 1 p22225222255????????????????）（? N 由徑向均布力 p 引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計(jì)算， 外表面應(yīng)力 ： 2dp 22 2221 2 ??????? da? 2/mmN （ ） 內(nèi)表面應(yīng)力 ： dDp 2222221221 ???????? di?2/mmN （ ） i??和a 的允許值一般為 150~100 2/mmN ，校核合格。 連桿小頭的應(yīng)力變化為非對(duì)稱(chēng)循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到連桿小頭的過(guò)渡處的外表面上為 ： ma ????????? 1n （ ） 式中 ： 1? — 材料在對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的拉壓疲勞極限 ； 21 ~ ??? 2N/mm ，取 21 ??? 2/mmN ； ?? — 材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱(chēng)的敏感系數(shù)，取 ??? ； a? — 應(yīng)力幅， ???a?2/mmN ； 14 m? — 平均應(yīng)力， 2 0 4 1 ???m? 2/mmN； ?? — 工藝系數(shù)， ~??? ，取 。 則 2 ????? 連桿小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù) 在制造工況穩(wěn)定情況下，疲勞強(qiáng)度安全系 數(shù)可達(dá)到 左右， 一般約在 ~ 范圍之內(nèi) ，基本符合要求。 連桿小頭的剛度計(jì)算 當(dāng)采用浮動(dòng)式活塞銷(xiāo)時(shí)，必須計(jì)算連桿小頭在水平方向由于往復(fù) 慣性力而引起的直徑變形，其經(jīng)驗(yàn)公式為 : 6233j m a x10 )90(P ? ???EId m ?? （ ） 式中 ： ? — 連桿小頭直徑變形量， mm ； md — 連桿小頭的 平均直徑， mm ； I — 連桿小頭斷面積的慣性矩 。 4331 69312 mmh ???? 則 901052 6523???? ?????? ）（）（? 對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)，此變形量的許可值應(yīng)小于直徑方向間隙的一半，標(biāo)準(zhǔn)間隙一般為 ~ ，則校核合格。 連桿桿身的強(qiáng)度校核 連桿桿身在不對(duì)稱(chēng)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)，必須現(xiàn)求出計(jì)算斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力。 由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為： mj fP max1 ?? （ ） 15 式中 ： mf — 連桿桿身的斷面面積， 柴 油機(jī) Af m )~(? ， A 為 活塞投影面積 取 mmDfm 9 5 8 2 ??? ? 。 則 最大拉伸應(yīng)力為： ??? MPa 桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在做功行程中最大燃?xì)庾饔昧?maxgp 時(shí)，并可認(rèn)為是在上止點(diǎn)，最大壓縮力為： jgc PpP ?? max （ ） N04 17 3)44 76 6( 40 6 ???? 連桿承受最大壓縮力時(shí)，桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時(shí)連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲，可認(rèn)為連桿兩端為鉸支，長(zhǎng)度為 mml 195? ；在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn)，長(zhǎng)度為 mmll 3 39。 ???? ，因此在擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為 ： mcmxx fPfIlc )1( 2??? （ ） 式中 ： c — 系數(shù)，對(duì)于 常用鋼材， ~?c ，取 ?c ； xI — 計(jì)算斷面對(duì)垂直于擺動(dòng)平面的軸線(xiàn)的慣性矩， 4mm ； ]6)633(6 2 [121])([121 3333 ???????? htBBHI x ? 4mm ； 將式（ ）改為： mcx fPk1??