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柴油發(fā)電機(jī)連桿在工作時(shí)承受的三種作用力 |
摘要:連桿(connecting rod)是柴油發(fā)電機(jī)中的重要零件,它連接著活塞和曲軸。柴油發(fā)電機(jī)連桿組的功用是連接活塞與曲軸,將活塞承受的燃?xì)鈮毫鹘o曲軸,并和連桿配合,把活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿在工作中,除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外,還要承受縱向和橫向的慣性力。連桿的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接影響著設(shè)備的性能和可靠性,本文將詳細(xì)介紹連桿的主要技術(shù)要求、材料要求、工作原理以及結(jié)構(gòu)和形式分類。
一、連桿工作原理和材料要求
1、運(yùn)動(dòng)形式
(1)連桿小頭與活塞銷相連接,與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng);
(2)連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
因此,連桿體除了有上下運(yùn)動(dòng)外,還左右擺動(dòng),作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。
2、連桿的作用力
連桿受力部位疲勞狀態(tài)如圖1所示,在工作時(shí)承受三種作用力如下:
(1)活塞傳來的氣體壓力;
(2)活塞組零件及連桿本身(小頭)的慣性力;
(3)連桿本身繞活塞銷作變速擺動(dòng)時(shí)的慣性力。
這些力的大小和方向都是周期性的變化,因此連桿承受著壓縮、拉伸和橫向彎曲等交變應(yīng)力。連桿或連桿螺栓一旦斷裂,就可能造成整機(jī)破壞的重大事故。如果剛度不足,使大頭孔變形失圓,大頭軸承的潤(rùn)滑條件受到破壞,則軸承會(huì)發(fā)熱而燒損。連桿桿身變形彎曲,則會(huì)造成汽缸與活塞的偏磨,引起漏氣和竄機(jī)油。所以要求連桿在盡可能輕的情況下,保證有足夠的強(qiáng)度和剛度。
3、受力情況
連桿的基本載荷是拉伸和壓縮,最大拉伸載荷出現(xiàn)在進(jìn)氣沖程開始的上止點(diǎn)附近,其數(shù)值為活塞組和計(jì)算斷面以上那部分連桿質(zhì)量的往復(fù)慣性力。
F’j=(m'+m'1)(1+λ)rω
式中,m'、m'1分別為活塞組和計(jì)算斷面以上那部分往復(fù)運(yùn)動(dòng)的連桿質(zhì)量對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說,同樣是上止點(diǎn),排氣上止點(diǎn)(a=0°)、壓縮上止點(diǎn)(a=360°)的連桿受力是不一樣的。
ɑ=0°時(shí),F(xiàn)g=0,F(xiàn)j=Fjmax,F(xiàn)L=-Fj
ɑ=360°時(shí),F(xiàn)g≈Fgmax,F(xiàn)j=Fjmax,F(xiàn)L=Fgmax-Fjmax
其中,F(xiàn)g和Fgmax為氣壓力和最大氣壓力,F(xiàn)L為連桿力,F(xiàn)jmax為最大往復(fù)慣性力。
4、連桿的常用材質(zhì)
為保證連桿結(jié)構(gòu)輕巧,且有足夠的剛度和強(qiáng)度,一般常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼(如45號(hào)鋼)模鍛或滾壓成形,并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,外觀如圖2所示。中小功率內(nèi)燃機(jī)連桿有采用球墨鑄鐵制造的,其效果良好,且成本較低。強(qiáng)化程度高的內(nèi)燃機(jī)采用高級(jí)合金鋼(如40Cr、40MnB、42CrMo等)滾壓制造而成。合金鋼的特點(diǎn)是抗疲勞強(qiáng)度高,但對(duì)應(yīng)力集中比較敏感,因此采用合金鋼制造連桿的時(shí)候,對(duì)其外部形狀、過渡圓角和表面粗糙度等都有嚴(yán)格要求。近年來,硼鋼、可鍛鑄鐵及稀鎂土球墨鑄鐵已廣泛用于制造內(nèi)燃機(jī)連桿,其抗疲勞強(qiáng)度接近于中碳鋼,并且其切削性能很好,對(duì)應(yīng)力集中不敏感,制造成本低。
(1)連桿常用的材料有45號(hào)鋼(中碳鋼)、40Cr、42Cr(中碳合金鋼)、40CrMo以及采用可鍛鑄鐵GTS65和/或球墨鑄鐵GGG70(多用于汽油機(jī))等。
(2)4340(美國(guó))合金鋼屬中等淬透性鋼,熱處理后有較好的強(qiáng)度和良好的綜合力學(xué)性能,工藝性好,成材率高。最高使用溫度為427℃。制造強(qiáng)度高、塑性好的重要零部件,氮化處置后制造特別功能需求的重要零件,如軸類、齒輪、緊固件等。中國(guó)對(duì)應(yīng)的型號(hào):40CrNiMo(0.4%C,1.65~2.00%Ni鎳,0.70~0.90 %Cr鉻,0.20~0.30 %Mo鉬)。
① 43表示鋼的類別,屬于合金結(jié)構(gòu)鋼。
② 40表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)×104。0.4×104=41.6≈40。
圖1 連桿的受力部位不同狀態(tài) |
圖2 連桿組結(jié)構(gòu)示意圖 |
二、普通連桿結(jié)構(gòu)
柴油發(fā)電機(jī)組的連桿組主要由連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭、連桿蓋、連桿軸瓦、連桿襯套和連桿螺栓等部分組成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。
1、連桿小頭
連桿小頭的結(jié)構(gòu)通常為短圓管形,用來安裝活塞銷。通常以半徑較大的圓弧與桿身圓滑銜接,從而減少過渡處的應(yīng)力集中。
2、連桿桿身
連桿桿身一般采用“工”字形斷面,這是因?yàn)樵诓牧蠑嗝婷娣e相等的條件下,其抗彎斷面模數(shù)最大,因此連桿可在最輕的情況下獲得最大的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。
3、連桿大頭
連桿大頭是連桿與曲軸連桿軸頸相連接的部分,亦是連桿軸頸的軸承部分。連桿大頭一般通過孔心分成兩部分,以利于拆裝,其中被分開的小部分稱為連桿蓋(或連桿瓦蓋),裝配時(shí),這兩部分用兩個(gè)或四個(gè)連桿螺栓連接。連桿大頭的剖分形式有平切口和斜切口兩種,如圖4所示。
(1)如圖4(a)所示,剖分面垂直于連桿桿身中心線的稱為平切口。
(2)如圖4(b)所示,剖分面與桿身中心線傾斜成一定角度的稱為斜切口。
圖3 連桿組結(jié)構(gòu)圖 |
圖4 柴油機(jī)連桿大頭的類型區(qū)分 |
三、連桿的類型區(qū)分
v型柴油機(jī)左右兩側(cè)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)汽缸的連桿,通常都裝在同一個(gè)曲柄銷上。按照兩個(gè)連桿連接方式的不同,可分為下列三種形式。
1、并列連桿
相對(duì)應(yīng)的左右兩缸的連桿, 一前一后地裝在同一曲柄銷上,如圖5(左圖)所示。由于連桿的結(jié)構(gòu)形式相同,因此可以通用,而且兩側(cè)汽缸的活塞連桿組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。其缺點(diǎn)是兩側(cè)汽缸的中心線沿曲軸軸向要錯(cuò)開一段距離,因而曲軸的長(zhǎng)度增加, 使曲軸剛度降低。
2、主副連桿
主副連桿又稱關(guān)節(jié)式連桿,如圖5(右圖)所示。 一列汽缸的連桿裝在連桿軸頸上,稱為主連桿;另一列汽缸的連桿,通過一圓柱銷與主連桿的耳銷孔相連接,稱為副連桿。左右兩列對(duì)應(yīng)汽缸的主副連桿及其中心線位于同一平面內(nèi)。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是曲軸的長(zhǎng)度不需加長(zhǎng),使曲軸剛度加強(qiáng)。缺點(diǎn)是連桿不能互換。副連桿對(duì)主連桿產(chǎn)生附加彎矩,以及左右兩列汽缸的活塞連桿組運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同。
3、叉片式連桿
左右兩列汽缸相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)連桿中,一個(gè)連桿的大頭做成叉形,另一個(gè)連桿的大頭插在叉形連桿的開擋內(nèi),稱為叉片式連桿(如圖6所示)。叉形連桿桿身的工字?jǐn)嗝娴拈L(zhǎng)軸位于垂直于擺動(dòng)平面的平面內(nèi)。其翼板伸到大頭的部分就成為叉形,這使片式連桿擺動(dòng)時(shí),在叉形連桿桿身上開槽的高度可以減小,因而強(qiáng)度有所提高。叉形連桿的優(yōu)點(diǎn)是兩列汽缸中活塞連桿組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同,曲軸的長(zhǎng)度不需加長(zhǎng)。缺點(diǎn)是叉形連桿大頭結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復(fù)雜,大頭的剛度也不夠高。
圖5 并列和主副連桿結(jié)構(gòu)圖 |
圖6 叉片式連桿結(jié)構(gòu)圖 |
四、連桿技術(shù)要求
1、強(qiáng)度要求
連桿在工作過程中承受著較大的壓力和沖擊負(fù)荷,因此其強(qiáng)度是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。以下是連桿強(qiáng)度方面的主要技術(shù)要求:
(1)材料選擇:連桿通常采用高強(qiáng)度合金鋼制造,如40Cr、35CrMo等。選擇合適的材料可以保證連桿具有足夠的強(qiáng)度和韌性。
(2)熱處理:通過熱處理可以改善連桿的組織結(jié)構(gòu)和性能,常用的熱處理方法包括淬火、回火等。熱處理過程應(yīng)嚴(yán)格控制溫度和時(shí)間,以確保連桿達(dá)到設(shè)計(jì)要求的硬度和強(qiáng)度。
(3)強(qiáng)度計(jì)算:根據(jù)工作條件和載荷情況,進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,確保連桿在工作過程中不會(huì)發(fā)生破壞或變形。計(jì)算中應(yīng)考慮動(dòng)載荷、靜載荷、沖擊載荷等因素,并采用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。
(4)表面處理:為了提高連桿的抗疲勞性能和耐磨性,可以進(jìn)行表面處理,如鍍硬鉻、噴涂涂層等。
2、剛度要求
(1)連桿在工作時(shí)會(huì)受到一定的彎曲和扭轉(zhuǎn)力,因此其剛度也是一個(gè)重要的技術(shù)要求。以下是連桿剛度方面的主要技術(shù)要求:
(2)幾何形狀:連桿的幾何形狀應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,包括長(zhǎng)度、直徑、截面形狀等。合理的幾何形狀可以提高連桿的剛度。
(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):采用合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以增加連桿的剛度,如設(shè)置加強(qiáng)肋、螺紋連接等。同時(shí)還需要注意減小連桿的質(zhì)量,以降低慣性力對(duì)剛度的影響。
(4)緊固件:連接連桿與曲軸和活塞的緊固件也需要滿足一定的剛度要求。應(yīng)選擇合適的緊固件材料和規(guī)格,并嚴(yán)格控制緊固力。
3、動(dòng)平衡要求
連桿在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平衡力和振動(dòng),對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行和壽命造成影響。以下是連桿動(dòng)平衡方面的主要技術(shù)要求:
(1)質(zhì)量分配:連桿的質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行合理分配,以降低不平衡力和振動(dòng)。質(zhì)量分配可以通過加重或減輕一側(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)。
(2)動(dòng)平衡測(cè)試:對(duì)連桿進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試,以確定其不平衡力和振動(dòng)情況。測(cè)試過程中應(yīng)使用專用設(shè)備,并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。
(3)平衡修正:根據(jù)測(cè)試結(jié)果,對(duì)不平衡部分進(jìn)行修正。修正方法包括切削、焊接等,修正后再次進(jìn)行測(cè)試,直到滿足要求為止。
4、精度要求
連桿的精度直接影響著設(shè)備的運(yùn)行平穩(wěn)性和壽命。以下是連桿精度方面的主要技術(shù)要求:
(1)尺寸精度:連桿的長(zhǎng)度、直徑、孔徑等尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,并具有一定的公差范圍。尺寸精度可以通過加工工藝和設(shè)備的精度控制來保證。
(2)表面粗糙度:連桿的表面應(yīng)具有一定的光潔度和平整度,以減小摩擦和磨損。表面粗糙度可以通過研磨、拋光等方法進(jìn)行控制。
(3)幾何形狀:連桿的幾何形狀應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,并具有一定的公差范圍。幾何形狀可以通過加工工藝和設(shè)備的精度控制來保證。
(4)裝配間隙:連桿與曲軸、活塞等部件之間的裝配間隙應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,并具有一定的公差范圍。裝配間隙可以通過合理設(shè)計(jì)和加工控制來保證。
總結(jié):
連桿機(jī)構(gòu)是一種由連桿和鉸鏈組成的機(jī)構(gòu),它可以轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式、實(shí)現(xiàn)力的傳遞和變化,并能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。連桿作為柴油機(jī)中重要的傳動(dòng)部件,其設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接影響著設(shè)備的性能和可靠性。連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要考慮多個(gè)因素,包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、能量損耗等等。通過合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的機(jī)械功能,提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。本文從強(qiáng)度、剛度、動(dòng)平衡和精度等方面詳細(xì)介紹了連桿的主要技術(shù)要求。合理選擇材料、進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?、進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和表面處理,可以保證連桿具有足夠的強(qiáng)度;合理設(shè)計(jì)幾何形狀、采用合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和緊固件,可以提高連桿的剛度;合理分配質(zhì)量、進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試和修正,可以降低不平衡力和振動(dòng);控制尺寸精度、表面粗糙度、幾何形狀和裝配間隙,可以保證連桿的精度。通過滿足這些技術(shù)要求,可以提高連桿的工作性能和可靠性,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
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