【正文】 值越小，連桿越長(zhǎng)。如果強(qiáng)度不足，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中一旦發(fā)生連桿桿身、大頭蓋和連桿螺栓斷裂，會(huì)使機(jī)器遭到嚴(yán)重的破壞。也就是說(shuō)，在擠壓或沖擊作用下，桿身不會(huì)被顯著壓彎；連桿大小頭不致顯著失圓。連桿大小頭的軸承潤(rùn)滑條件苛刻，工作中反復(fù)受到擠壓和沖擊。將環(huán)從氣缸中取出，環(huán)處于自由狀態(tài)中就不在是圓形而是一個(gè)復(fù)雜的幾何形狀，環(huán)在自由狀態(tài)下的形狀就是我們所需要的制造尺寸。 由此可以發(fā)現(xiàn)增加環(huán)肩的高度 ??,b ，就可以減小環(huán)肩的復(fù)合壓力，因此一般的鋁合金活塞第一環(huán)肩比其他環(huán)肩要搞一些。在其全部面積 ? ? 2212 6124 mmDDF ??? ?，從上面作用著燃?xì)鈮毫?aZ MPPP ?? ,從下面作用著 aZ MPPP ,1 ?? 燃?xì)鈮毫?，可得到? 環(huán)肩根部受到的彎矩為： ? ? ? ? 44 1212,11 DDDDppM u ???? ?； 環(huán)肩根部的抗彎斷 面系數(shù)為： 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 20 6 2,1bDW ?? ； 式中 ,b 是環(huán)肩的厚度 。為此，要對(duì)第一環(huán)肩處的受力情況進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算。 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。 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。對(duì)于中小型高速汽油機(jī)，一般氣環(huán) b=~4 mm，取值 b=2mm。以便更好的完成工作。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。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。間隙越大，泄漏延續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。此外，間隙大也不利于密封。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。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。絕大部分都放在活塞銷座以上的位置。 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）。 活塞銷中央截面的彎矩： ? ?xp lllpM ??? ； 式中 ,jpinx PPP ?? 。 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 。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~。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?；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 。 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。 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。 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=。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) )。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。 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。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。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。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%。 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。 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。 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。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)。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。 活塞頭部截面形狀。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。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)。 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。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。 連桿方面，在滿足性能指標(biāo)的前提下，連桿的材料和制造技術(shù)關(guān)聯(lián)很大，連桿在毛胚材料方面：國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工藝連桿毛胚材料一般采用 orMC42 、 orMC35 、VBMn40 、 BMC nr45 、 rC40 、 4 CBSMC nr 4040 等調(diào)制剛和 143CVSS (進(jìn)口 )、VMn35 、 SMn40 等非調(diào)制鋼。美國(guó) Wisconsin 大學(xué)Madison 分校 Yong Liu 和 運(yùn)用有限差分法對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒室部件進(jìn)行了循環(huán)瞬態(tài)模擬，分析模型綜合考慮了活塞組、潤(rùn)滑油膜、缸套以及缸蓋等，提高了缸內(nèi)傳熱模擬的精 度。比如說(shuō)英國(guó)的里卡多公司建立了熱流和熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于 熱流的流向和熱流的分配研究，德國(guó)的馬勒公司對(duì)活塞的研究主要是通過(guò)整機(jī)實(shí)驗(yàn)，馬勒公司的 35 個(gè)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)用于研究各種活塞的可靠性。 基于計(jì)算機(jī)發(fā)展和普及，最近國(guó)外公式對(duì)汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞的機(jī)械疲勞研究多采用對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)建模和仿真計(jì)算等來(lái)模擬熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷對(duì)活塞機(jī)構(gòu)的影響，從而判斷活塞的可靠性。 其中較為先進(jìn)的活塞分析方法是有限元分 析計(jì)算，通過(guò)有限元分析，能在活塞的設(shè)計(jì)上大幅度提高活塞的強(qiáng)度；活塞的溫度場(chǎng)有限元分析，能非常準(zhǔn)確的模擬活塞的實(shí)際工作環(huán)境溫度。同時(shí)，對(duì)活塞的數(shù)值模擬計(jì)算，科研人員不斷地尋求專業(yè)的數(shù)值計(jì)算方法，來(lái)提高分析解決問(wèn)題的能力。其研究的主要內(nèi)容是：活塞的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、熱疲勞、熱沖擊和機(jī)械強(qiáng)度等?；钊募庸ぞ纫蟾?，其裙部橫向橢圓度精度達(dá) ，縱向中凸軸線精度達(dá) ~ mm。 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 活塞方面， 活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，是一種技術(shù)含量比較高的零部件。 此工藝流程為傳統(tǒng)活塞加工的工藝流程，是大部分企業(yè)普遍采用的流程。 為提高噴鉬或鍍 鉻 層的牢度，外層多用于鑲嵌結(jié)構(gòu)，鍍層僅限于環(huán)部中段。 活塞環(huán)常用的表面處理 : 高強(qiáng)度的汽油機(jī)頂環(huán)與氣缸外圓接觸面一般要進(jìn)行噴鉬或鍍鉻處理， KG160小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 10 汽油機(jī)活塞環(huán)所采用的是外圓面鍍鉻處理，鉻層厚度 以上，衍磨后，液體噴砂處理，其余面磷化處理。 活塞環(huán)材料及表面處理 活塞環(huán)常用材料。 活塞銷加工可采用冷擠壓工藝，這種工藝具有節(jié)省金屬、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)。 活塞銷外圓表面須經(jīng)滲碳處理，滲碳層 深度與活塞銷壁厚有關(guān)，常規(guī)滲碳層厚度約為活塞銷壁厚的 10%，內(nèi)孔表面也可根據(jù)需要進(jìn)行滲碳，厚度可比外表面小。 鋁合金活塞毛胚多采用金屬模鍛，成型后一般要熱處理，對(duì)硅鋁合金可加熱到 300~500℃保溫 3~4 個(gè)小時(shí)，然后淬入熱水，再加熱到 200℃保溫 8小時(shí)，用以消除內(nèi)應(yīng)力。 小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 9 活塞組件的材料及表面處理 活塞材料及表面處理 現(xiàn)代高速小型汽油機(jī)活塞材料可選用共晶鋁硅合金或過(guò)共晶鋁硅合金。由于只有一道油環(huán)，因此強(qiáng)化油環(huán)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)刮油效果是必要的?？菇Y(jié)膠和抗拉缸性能較好的梯形環(huán)、桶面環(huán)使用日益增多。因此，要強(qiáng)化第一道氣環(huán)，對(duì)其材料和復(fù)層，結(jié)構(gòu)尺寸和斷面形狀等都應(yīng)仔細(xì)選定。 頂環(huán)，即第一道環(huán)又稱壓縮環(huán)，主要起密封燃?xì)庾饔谩?duì)于第二道環(huán)以下的氣環(huán)，要充分研究它的氣密性有多大；增加環(huán)的數(shù)目未必能減少漏氣量。 活塞環(huán)的功能是密封氣缸上部和潤(rùn)滑氣缸下部，以及將部分燃燒的熱量通過(guò)氣缸壁傳給冷卻水。因此，要求活塞環(huán)彈性好，強(qiáng)度高、耐磨損?；钊h(huán)工作時(shí)受到氣缸中高溫高壓燃?xì)獾淖饔?，溫度很?(特別是第一道環(huán)溫度可高達(dá)600K)，活塞環(huán)在氣缸內(nèi)隨活塞一起作高速運(yùn)動(dòng)，加上高溫下機(jī)油可能變質(zhì)，使環(huán)的潤(rùn)滑條件變壞，難以保證良好的潤(rùn)滑，因而磨損嚴(yán)重。難以實(shí)現(xiàn)完全液體潤(rùn)滑， 1）足夠的強(qiáng)度和剛度以限制變形量 ； 2）內(nèi)韌外硬以提高抗疲勞和耐磨性 ； 3）盡可能輕以減小自身往復(fù)慣性力。 活塞銷的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有故：組慣性力和連桿小頭作用力。所以活塞銷一般都做成空心圓柱體，采用低碳鋼和低碳合金鋼制成，外表面經(jīng)滲碳淬火處理以提高硬度，精加工后進(jìn)行磨光，有較小型汽油機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)與校核 8 高的尺寸精度和表面光潔度。是散熱良好，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，盡可能靠近活塞中部，確定活塞周邊溫度均勻注意喉口部位設(shè)計(jì)，防止局部燒損； 4） 保證活塞頭部必須有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的熱散熱，以承受高溫高壓燃?xì)獾淖饔? 5） 活塞裙部應(yīng)有控制熱膨脹措施，以確保在任何工作條件下與氣缸之間有最佳配合間隙； 6） 活塞銷座處（特別是銷座孔內(nèi)側(cè)）應(yīng)有避免應(yīng)力集中的措施，應(yīng)根據(jù)冷卻條件合理確定第一活塞環(huán)的位置及活塞環(huán)糟的設(shè)計(jì)，盡可能減少有害間隙容積。 4） 活塞組件在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)中與氣缸壁形成密封配對(duì)副，在傳遞力過(guò)程中裙部承受很大的側(cè)壓力。 2） 目前承受高速增壓柴 油機(jī)的最高燃燒壓力控制在 12~13MPa，最高可達(dá) 15MPa。 1） 承受高溫高壓燃?xì)庾饔貌⑼ㄟ^(guò)活塞銷，連桿將力傳遞給曲軸。因此，受熱嚴(yán)重，而受熱條件又差，所以活塞溫度都很高，頂部高達(dá) 600~700K，且溫度分布不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程最大，一般汽油機(jī)可達(dá) 3~5 aMP ,這使得活塞產(chǎn)生壓力，并產(chǎn)生側(cè)壓力的作用；活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度（ 8~12m/s）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷變化，這就產(chǎn)生了很大的慣