曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 曲軸飛輪組設(shè)計(jì) 二連桿組設(shè)計(jì) 三、活塞組設(shè)計(jì) A曲柄連桿機(jī)構(gòu) Crankshaft and Connecting Rod 將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并輸出動(dòng)力。 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 連桿曲軸組件是內(nèi)燃機(jī)主要的受力運(yùn)動(dòng)件，它們在缸內(nèi)氣壓力的壓 縮及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)慣性力拉伸作用下應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以防疲勞破壞， 這是它們的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)。連桿和曲軸的軸承應(yīng)保持工作可靠而耐久，而這 些軸承可以說是機(jī)械制造業(yè)中工作條件最嚴(yán)酷的軸承。 織愉ftfrtiE吋齒輪 織愉ftfrtiE吋齒輪 卡環(huán) a if

2、lS 弟_血?dú)鈮? If桿 定件霧.世 曲軸飛輪組 織愉ftfrtiE吋齒輪 ?工作條件： ? 高溫（2500K以上） ? 高壓（5?9MPa） ?高速（3000?6000r/min） （100?200沖程/秒） ? （線速度大） ? 化學(xué)腐蝕（如氣缸、氣缸蓋、活塞組等） 、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力 曲柄連桿機(jī)構(gòu)：高壓、變速運(yùn)動(dòng) 作用力（復(fù)雜）: 氣體作用力 往復(fù)慣性與離心力 摩擦力 外界阻力 曲軸飛輪組 活衆(zhòng)環(huán) 活塞 活

3、塞銷 連桿 連桿軸承 連桿蓋 連桿螺栓 (1)氣體作用力Gas force 四個(gè)沖程: 氣體壓力始終存在。 ?進(jìn)氣、排氣兩沖程：氣體壓力較小，對機(jī)件影響不 ?作功和壓縮兩沖程：氣體作用力大 進(jìn)氣行程 壓縮行程 作功行程 進(jìn)氣 排氣行程 作功沖程(Power stroke): ＞氣體壓力推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的力。 ＞高壓燃?xì)庵苯幼饔迷诨钊敳俊? Fp-活塞t活塞銷Fp2 FplT連桿t曲柄銷tR、So Rt曲柄方向t主軸頸與主軸承壓緊 St垂直方向-＞（壓緊力）轉(zhuǎn)矩Tt旋轉(zhuǎn) a）?作功行程

4、 Fp2-＞側(cè)壓力t翻倒t機(jī)體下部應(yīng)支承 a）?作功行程 壓縮沖程(Compression Stroke) >氣體壓力：阻礙活塞向上運(yùn)動(dòng) > F'ptF"、F'p2 Fb-RS S R't壓緊力；旋轉(zhuǎn)阻力矩T, F'p2 t將活塞壓向氣缸的另一側(cè)壁。 (2) 往復(fù)慣性力與離心力 Parts inertia and centrifugal force ＞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度變化時(shí)，就要產(chǎn)生往復(fù)慣性力。 ＞物體繞某一中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生離心力。 燃燒室徐

5、 匕 活塞和連桿小頭 >往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，速度高、不斷變化 >上止點(diǎn)T下止點(diǎn)，速度變化規(guī)律= 零-> 增大-> 最大（臨近中間）-> 減小->零 活塞向下運(yùn)動(dòng)： 前半行程加速運(yùn)動(dòng)，慣性力向上，F(xiàn)j； 后半行程減速運(yùn)動(dòng)，慣性力向下，門 活塞向上運(yùn)動(dòng)： 前半行程慣性力向下 活塞行程 IF活塞fT程 兩倍曲柄半徑 L作容積 匕 后半行程慣性力向上 往復(fù)慣性力與離心力 Parts inertia and centrifugal force b）恬寰在下半行程時(shí)的慣甦力 亦活型在上半行程時(shí)的慣姓力

6、 往復(fù)慣性力(Parts inertia force) 活塞、活塞銷和連桿小頭 ▲質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速大T往復(fù)慣性力大 ■使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各零件和所有軸頸承受周期性的附加 載荷，加快軸承的磨損； ?末被平衡的變化著的慣性力傳到氣缸體后，還會(huì)引起發(fā) 動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。 ?離心力(Parts centrifugal force)： ?偏離軸線的曲柄、曲柄銷和連桿大頭 *方向沿曲柄半徑向外 大小?曲柄半徑、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、轉(zhuǎn)速。 半徑長、質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高-離心力大。 桑垂直方向分力與往復(fù)慣性力方向一致，加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)的上、下振 動(dòng)。 賽水平方向分力使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生水平方向

7、振動(dòng)。 ▲離心力使連桿大頭的軸瓦和曲柄銷，曲軸主軸頸及其軸承受到又 一附加載荷，增加它們的變形和磨損。 (3) 摩擦力(Friction) ?摩擦力是任何一對互相壓緊并作相對運(yùn)動(dòng)的零件表面之 間必定存在的，其最大值決定于上述各種力對摩擦面形 成的正壓力和摩擦系數(shù)。 (4) 受力與變形(Force and distortion) ?壓縮 ■拉伸 ?彎曲 ■扭轉(zhuǎn) 二、曲軸飛輪組設(shè)計(jì) 第一節(jié) 曲軸的工作情況、結(jié)構(gòu)型式和材料選擇 1?、曲軸的工作情況、設(shè)計(jì)要求 曲軸是內(nèi)燃機(jī)中價(jià)格最貴的重要零件。曲軸的成本大致占整機(jī)成本的 1/10 O 曲軸承受著不斷周期

8、性變化的缸內(nèi)氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性 力引起的周期性變化的彎曲和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷。 曲軸還可能承受扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的附加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 曲軸最常見的損壞原因是彎曲疲勞。所以，保證曲軸有足夠的疲勞強(qiáng)度 是曲軸設(shè)計(jì)的首要問題。曲軸各軸頸的尺寸還應(yīng)滿足軸承承壓能力和潤滑條 件的要求。另一方面，曲軸軸頸直徑加大會(huì)使摩擦損失增加。 曲軸破壞形式: 彎曲疲勞裂紋一一從軸頸根部表面的圓角處發(fā)展到曲柄上，基本上成 45°折斷曲軸; 扭轉(zhuǎn)疲勞破壞-一-通常是從機(jī)械加工不良的油孔邊緣開始，約成45。 斷曲柄銷。 彎曲疲勞斷口 連桿軸頸扭轉(zhuǎn)疲勞斷口

9、 總結(jié)起來，曲軸的工作條件為： 1） 受周期變化的力、力矩共同作用，曲軸既受彎曲又受扭轉(zhuǎn)，承受交 變疲勞載荷，重點(diǎn)是彎曲載荷。曲軸的破壞80%是彎曲疲勞破壞。 2） 由于曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，特別是在曲柄與軸頸過渡的圓 角部分。 3）曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴(yán)重。 設(shè)計(jì)曲軸時(shí)要求： 1） 有足夠的耐疲勞強(qiáng)度。 2） 有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨。 3） 盡量減少應(yīng)力集中。 4） 剛度要好，變形小，否則使其他零件的工作條件惡化。 2、曲軸的材料 曲軸材料要根據(jù)用途和強(qiáng)化程度正確選用。 1） 中碳鋼。如選用45鋼（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4

10、2%?0.47%）,絕大多數(shù) 采用模鍛制造。 2） 合金鋼。在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)中采用，通常加入C“ Nix Mo、 V、W等合金元素以提高曲軸的綜合力學(xué)性能。 3） 球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的力學(xué)性能和使用性能優(yōu)于一般鑄鐵，在強(qiáng)度 和剛度能夠滿足的條件下，使用球墨鑄鐵材料能夠減少制造成本，而且 由于材料本身的阻尼特性，還能夠減小扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅值。 第二節(jié)曲軸主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 1、曲軸的結(jié)構(gòu)型式 曲軸從總體結(jié)構(gòu)看可分為整體式和組合式兩種O 隨著復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄造和鍛造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代中、小功率高速內(nèi)燃機(jī)幾乎都 用整體曲軸，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，加工容易。 圖6?1四拐平血曲軸二維實(shí)

11、體圖 2v曲軸的長度 曲軸的長度都是由總體布置來決定的，主要決定于：缸心矩L。、 氣缸直徑D以及曲軸的支承形式。 曲軸采用全支承時(shí)，曲軸的長度就要大一些。 曲軸總長度定下來后，曲軸其他部位長度的確定就是如何合理分 配的問題了。 為了降低曲拐旋轉(zhuǎn)慣性力引起的曲軸內(nèi)彎矩和主軸承的附加動(dòng)負(fù)荷，曲 軸大多帶有平衡塊(圖11-22) o多缸內(nèi)燃機(jī)的曲軸一般由多個(gè)相同的曲 拐以及前端、后端構(gòu)成。 一個(gè)曲拐的主要尺寸參數(shù)有： 曲柄銷直徑dcp (D』和長度lcp (L2)； 主軸頸直徑dJDJ和長度l?(Li)； 曲柄臂的厚度％和寬度bcw ； 圖5?15 曲軸基本結(jié)構(gòu)尺寸圖 軸頸到

12、曲柄臂的過渡圓角R (圖11-22) o 3、曲柄銷（連桿頸）直徑和長度L2 曲軸尺寸中最值得關(guān)注的是曲柄銷（連桿頸）直徑D2和曲柄臂厚 hw。 曲柄銷（連桿頸）直徑D2增大使連桿軸承工作條件改善，曲軸強(qiáng) 度和剛度提高，但同時(shí)使連桿尺寸增大，曲軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增大，平衡塊 加大；使曲軸扭振頻率下降，所以要特別慎重地選擇。 當(dāng)前的設(shè)計(jì)趨勢是：增加減小鳥。 這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是： 1) 1_2—定時(shí)，D?增加，比壓下降，耐磨性提高。 2) D?增加時(shí)，彎曲剛度增加，扭轉(zhuǎn)剛度增加。 3) 1_2下降時(shí)，縱向尺寸下降，曲軸剛度提高。 從潤滑理論來講，希望L2/ D2?0.4o 因?yàn)長JD

13、2過小，潤滑油很容易從滑動(dòng)軸承兩端泄掉，油膜壓力建立不 起來，軸承的承載能力下降。 如果L2/D2過大，潤滑油流動(dòng)不暢，導(dǎo)致油溫升高，潤滑油粘度下降和 承載能力下降。而且P過大時(shí)曲軸變形大，容易形成棱緣負(fù)荷。 提高D?受到兩個(gè)限制： 1) D?增加導(dǎo)致離心力增加，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加。 2) 受到連桿大頭及剖分面形式的影響，一般DJD的取值為 I 0.65 ~| 0.65-0.7 平切口 斜切口 承壓面積(cm2) A2=0.01D2L2, 一般與活塞頂投影面積A的比值為 A2/A=0.2-0.5,對于汽油機(jī)取值偏下。 4、主軸頸直徑D］和長度L］ 從曲軸全長等剛度出發(fā)，應(yīng)該

14、設(shè)計(jì)成D產(chǎn)D2； 從曲軸等強(qiáng)度出發(fā)，DVD?。 但是實(shí)際結(jié)構(gòu)中，主軸頸D］都大于連桿軸頸D?。這樣做的原因是： 1) D］增加，可以提高曲軸剛度，增加了曲柄剛度，不增加離心力。 2) D］增加，可增加扭轉(zhuǎn)剛度，固有頻率叫增加，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I增加不多。 但是，D增加，主軸承圓周速度增加，摩擦損失增加，油溫提高。一般 D2-1.05-1.25f L{

15、軸彎曲疲勞強(qiáng)度的 主要參數(shù)。 增大R對提高曲軸疲勞強(qiáng)度非常有效。 但增大R意味著縮小軸承承壓長度，所以這里又存在一個(gè)強(qiáng)度與耐磨性之 間的矛盾，要合理折中。r = (0.05?0.10) d R>2nmi 過渡圓角半徑不僅要足夠大，而且要仔細(xì)加工，形狀必須圓滑，表面必須光 潔。圓角加工后再進(jìn)行滾壓，不但可以減小表面粗糙度值，而且在表層造 成殘余壓縮應(yīng)力，因而可提高彎曲疲勞強(qiáng)度30?60 % o 6v曲柄 在確定曲柄的尺寸時(shí)，應(yīng)該考慮到曲柄往往是整體式曲柄中的最薄弱環(huán)節(jié)。疲 勞裂紋往往起源于高度應(yīng)力集中的過渡圓角處。 曲柄在曲拐平面內(nèi)的抗彎能力以其矩形斷面的抗彎斷面模數(shù)w。來衡量:

16、bh2 (5-2) 增加曲柄的厚度h要比增加曲柄的寬度b要好的多。 圖5?6曲柄形狀對曲軸扭轉(zhuǎn)疲芳強(qiáng)度的影響 7、平衡重 設(shè)計(jì)平衡重時(shí)： ① 應(yīng)盡可能使平衡重的重心遠(yuǎn)離曲軸旋轉(zhuǎn)中心。即用較輕的重量達(dá)到較好的效果。 ② 平衡重的徑向尺寸和厚度應(yīng)以不碰活塞裙底和連桿大頭能通過為限度。 燕尾槽結(jié)構(gòu)：螺釘不承受平衡重的離心力，僅起拉緊作用。 縱向切槽：為了增加彈性，槽下方的小圓孔則是為了減小應(yīng)力集中和退力。為了消除 b〉 圖"8平衡更的緊固方法 &油孔的位置和尺寸 將潤滑油輸送到曲軸油道中去的供油方法有兩種: ① 集中供油 ② 分路供油 ①潤滑油一般從機(jī)體上的主軸

17、油道通過主軸承的上軸瓦引入。因?yàn)樯陷S瓦僅承受慣性 力的作用，比下軸瓦受力要低一些。 ②從主軸頸向曲柄銷供油一般采用斜油道。直的斜油道結(jié)構(gòu)最簡單，但有兩個(gè)主要缺 點(diǎn)：一是油道位于曲拐平面內(nèi)，油道出口處應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。二是斜油道相對軸承 摩擦面是傾斜的，潤滑油中的雜質(zhì)受離心力的作用總是沖向軸承的一邊。 圖5?9 b) 油孔的布置應(yīng)該由曲軸強(qiáng)度、軸承負(fù)荷分布和加工工藝綜合確定: 1） 設(shè)在低負(fù)荷區(qū)，保證潤滑油出口阻力小，供油充分。 2） 從強(qiáng)度來講，應(yīng)該在曲拐平面運(yùn)轉(zhuǎn)前方=45° ~90°處，即彎曲的中性面 上，使得加工方便，曲軸切應(yīng)力最小。 9、曲軸兩端的結(jié)構(gòu) 曲軸上帶動(dòng)

18、輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)齒輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，當(dāng)曲軸因 受離合器的作用力、斜齒的軸向力和熱膨脹而產(chǎn)生軸向位移時(shí)，將影響配氣和 供油定時(shí)。多缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于曲軸較長，往往把傳動(dòng)齒輪裝在曲軸后端。 曲軸后端設(shè)有法蘭或加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。定位 銷用來保證重裝飛輪時(shí)保持飛輪與曲軸的裝配位置。故定位銷的布置是不對稱 的或只有一個(gè)。 10v曲軸的止推 曲軸由于受熱膨脹而伸長或受斜齒輪及離合器等的軸向力會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng), 為防止曲軸的軸向位移，在曲軸與機(jī)體之間設(shè)置止推軸承。 止推軸承只能設(shè)置一個(gè)，以使曲軸相對于機(jī)體能自由地沿軸向作熱膨脹。 1. 從減小軸向移動(dòng)對配氣定時(shí)和供油定

19、時(shí)的影響出發(fā)，希望把止推軸承 設(shè)在前端。 2. 止推軸承設(shè)置在后端則可以避免曲軸各曲拐承受功率消耗者的軸向推 力的作用。 3. 從降低曲軸和機(jī)體加工尺寸鏈精度要求出發(fā)，也可設(shè)在曲軸中央。 1K曲軸的油封裝置 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，為了防止曲軸前后端沿著軸向漏油，曲軸應(yīng)有油封裝置。在高 速內(nèi)燃機(jī)上采用的油封結(jié)構(gòu)都是組合式的，常用的有： 1） 甩油盤和反油螺紋； 2） 甩油盤和填料（石棉繩）油封; 3）甩油盤和橡膠骨架式油封 1. 2止推軸承 3?止推片 4. 正時(shí)齒輪 5. 甩油盤 6. 油封 7. 皮帶輪 8?起動(dòng)爪 1. 2止推軸承 3?止推片 4.正時(shí)齒輪 5

20、.甩油盤 6.油封 7.皮帶輪 8?起動(dòng)爪 移需動(dòng)正擦 前軸面移與摩 向推端后承而 軸止臂向軸貉 曲軸的前端 兩止推軸承白金合面相背 曲柄銷直徑D2和長度L2 ； L2/ D2-0.4 2l< 065 D - 0.65-0.7 平切口 斜切口 主軸頸直徑D和長度 Li ； Di/D2^1.05-1.25, Li0.3 曲柄臂的厚度h和寬度b ； w嚴(yán)竽 軸頸到曲柄臂的過渡圓角R R = (0.05~0?10) d R>2nun 】(2 h 仏 h/2 I ■ ■ ■ — ■ —亠 第三節(jié)提高曲軸強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施和工藝措施

21、 1、結(jié)構(gòu)措施 在載荷不變的情況下，要降低最大彎曲應(yīng)力值，提高曲軸的彎曲強(qiáng)度 就應(yīng)設(shè)法： ① 降低軸的應(yīng)力集中效應(yīng)； ② 適當(dāng)減小單拐中間部分的彎曲剛度； 使應(yīng)力分布較為均勻，即用結(jié)構(gòu)措施使形狀彎曲部分的應(yīng)力集中最大 限度地下降。 (―)加大軸頸重疊度A 采用短行程是增加重疊度的有效方 法，它比通過加大主軸頸來增加重 疊度的作用大。為了使重疊度A成 為無量綱參數(shù)，以便對不同發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)行比較，引用軸頸重疊系數(shù)＜p : A D、+ D? 69 = 1 + —= E S 2 圖5-30表示軸頸重疊度系數(shù)Q隨S/D 而變化的趨勢。 圖5?30曲軸重逸度系數(shù)9

22、 （二）加大軸頸附近的過渡 過渡圓角的尺寸、形狀、材料組織、表面加工質(zhì)量和表面粗糙度等對曲軸應(yīng)力的影響 十分明顯。為了減小圓角部位的應(yīng)力集中效應(yīng)，必須增大圓角半徑。但隨著圓角半徑 的增大，軸頸有效承壓長度縮短。為解決這一矛盾，設(shè)計(jì)了變曲率過渡曲線（例如用 1/4橢圓狐）的方法或者用幾段相互相切的圓弧近似代替，如圖6-7所示。但是這種過 渡曲線要求對精磨圓角的砂輪進(jìn)行專門的修整，工藝復(fù)雜。如果砂輪修整得不準(zhǔn)，可 能會(huì)弄巧成拙，所以應(yīng)用得不廣。 5 圖6-7圓角過渡

23、曲線形式 （三）采用空心曲軸 若以提高曲軸抗彎強(qiáng)度（降低曲柄圓角最大彎曲應(yīng)力）為主要目標(biāo)，采用主 軸頸為空心的半空心結(jié)構(gòu)就行了。 若同時(shí)要減輕曲軸的重量和減小曲柄銷的離心力，從而降低主軸承負(fù)荷，則 宜采用全空心結(jié)構(gòu)（圖6?8）,且將曲柄銷內(nèi)孔向外側(cè)偏離。 圖6?8空心曲軸 （四）開卸載槽 所謂卸載槽，就是在曲柄銷下方或主軸頸上方曲柄內(nèi)挖一凹槽（圖6/0）。 一般稱前者為曲柄銷卸載槽，后者為主軸頸卸載槽。 適當(dāng)?shù)剡x擇槽的形狀、邊距、槽深、圓角以及張角，在相同的載荷條件下，可使曲柄 銷圓角最大應(yīng)力值有所降低。因?yàn)樾遁d槽挖去的金屬比空心結(jié)構(gòu)相對較少，對曲柄的 彎曲剛度影響

24、不大，對其應(yīng)力狀態(tài)幾乎沒有影響。 圖6?10有卸載槽的曲軸結(jié)構(gòu) （五）沉割圓角 為了能增加圓角半徑R的同時(shí)保證軸頸的有效承壓長度，可采用曲軸沉割圓角（ 圖6?9） o 圖6?9a所示為把過渡圓弧移到曲柄里，形成的組合內(nèi)凹圓角，這時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)移向曲 柄內(nèi)側(cè)，因此要注意內(nèi)凹圓角不能太深，否則會(huì)過多地削弱曲柄的強(qiáng)度反而使曲軸強(qiáng) 度降低。 a) a) O a) 2、工藝措施 工藝措施就是采用局部強(qiáng)化的方法來充分發(fā)揮材料強(qiáng)度的潛力 角滾壓強(qiáng)化 曲軸圓角滾壓強(qiáng)化是近年來應(yīng)用越

25、來越廣的圓角強(qiáng)化方法。 圓角滾壓強(qiáng)化的原理: 表面產(chǎn)生剩余壓應(yīng)力，抵消部分工作拉伸應(yīng)力，提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。 鋼軸的疲勞強(qiáng)度可提高30%,球墨鑄鐵軸的疲勞強(qiáng)度可提高30%?60%。 曲軸圓角滾壓強(qiáng)化(圖6-11)之后, 還可以降低圓角的表面粗糙度值，消除顯微表面 裂紋和針孔、氣孔等表面缺陷。 圖6?11曲軸圓角滾樂強(qiáng)化 (GC0? 60 -65HRC) （二）軸頸和 角表面同時(shí)進(jìn)行淬火強(qiáng)化 一般都用高周波電流感應(yīng)加熱的方法進(jìn)行表面淬火。一般鍛鋼曲軸感應(yīng)淬火的效 果比球鐵好。但曲軸圓角淬火容易引起曲軸變形。所以粗磨后進(jìn)行感應(yīng)淬火，用精磨 來消除

26、變形。 淬硬帶 圖6?12曲軸表面淬火示意圖 （三）噴丸強(qiáng)化處理 它與滾壓強(qiáng)化方法一樣，亦屬于利用冷作變形，在金屬表面上留下壓應(yīng)力，而 且使表層硬度提高，從而提高曲軸疲勞強(qiáng)度的方法。噴丸比滾壓優(yōu)越的地方是使曲 軸整個(gè)表面都能得到強(qiáng)化，甚至包括未加工的高應(yīng)力區(qū)，同時(shí)適于大批生產(chǎn)。 圖6-15曲軸噴丸強(qiáng)化處理示意圖 1 一噴丸裝置2—曲軸3—滾輪 （四）氮化處理 氮化處理是指利用輝光離子氮化或氣體軟氮化方法，使氮?dú)鉂B入曲軸表面，由 于氮的擴(kuò)散作用，使金屬體積增大，因而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。 氮化處理是一種化學(xué)熱處理化金屬表面的方法。氮化處理后，由于氮的擴(kuò)散作 用，在曲軸表面形成一

27、層由氮化鐵及碳化鐵組成的化合層，它有極高的耐磨性, 并且抗咬合、耐腐蝕?；铣蓪觾?nèi)部為氮的擴(kuò)散層（總滲氮層深0.2? 0.3mm）,由于氮不斷向內(nèi)部擴(kuò)散，使金屬體積增大。 曲軸經(jīng)氮化處理后其疲勞強(qiáng)度可提高30%0 第四節(jié)飛輪的設(shè)計(jì) 仁飛輪的作用 任何往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，其輸出扭矩即使在穩(wěn)定工況下也是不斷周期性變化的。通常 用扭矩不均勻系數(shù)P來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)合成（指示）扭矩的均勻程度。 發(fā)動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的從動(dòng)裝置的有效阻力矩一般是定值（它與發(fā)動(dòng)機(jī)的平均扭矩相平衡）。 因此，當(dāng)曲拐在某一位置時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩有可能大于或小于由其所帶動(dòng)的阻力 矩。根據(jù)動(dòng)力學(xué)基本定律，扭矩M的變化與

28、曲軸速度3的波動(dòng)有如下的關(guān)系： M —Mr "普(N”) (5-41) 由上式可見，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩大于有效阻力矩時(shí)，曲軸就加速，反之則減速, 造成曲軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。 扭矩不均勻系數(shù) 曲軸角速度變化率 max nun nt 出 厶 曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù) ? _ — "min 降低S波動(dòng)的措施： 增加氣缸數(shù)，發(fā)火均勻； 增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10,最有效的方法就是裝飛輪。 2、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定 曲軸飛輪組 1.盈虧功AE 圉發(fā)劫機(jī)穩(wěn)定工況下扭矩M及曲軸角速度3的變化情況 卩？ dE = j （Af 亠界? ” 了、 comax J 打示呦二

29、j打型如二-f （?爲(wèi)_ e爲(wèi)） I。（%X - %）M（% + % ）2 （% + % ）/2 4 \E （%-%）二（％-％） （%x+%』/2 % 2. E輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定 令I(lǐng)f二屮I。 0=0.8 ?0.9 則 =^.10.8x10^4 f 8com 8 滬 關(guān)鍵在于§的選擇 一般車輛用內(nèi)燃機(jī) S =— 50 發(fā)電用內(nèi)燃機(jī) s二丄?- 150 2

30、00 3、飛輪的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 一般飛輪的外徑D2和內(nèi)徑6根據(jù)結(jié)構(gòu)布置決定，而飛輪的結(jié)構(gòu)必須考慮輸 出裝置的需要，所需要飛輪矩的大小用改變斷面厚度b來調(diào)整。在汽車拖拉機(jī)等 運(yùn)輸式發(fā)動(dòng)機(jī)中，飛輪實(shí)際上就是摩擦片式離合器的主動(dòng)盤，所以其外徑和內(nèi) 徑尺寸必須與摩擦片尺寸協(xié)調(diào)。 高速柴油機(jī)D?二(400—600) mm。 飛輪的外徑D?是它最重要的尺寸。在選擇6時(shí)首先應(yīng)該考慮到6越大，在 同樣的慣量下飛輪可以越輕。但是另一方面6的加大又受到一系列因素的限制。 飛輪加大可能使汽車或拖拉機(jī)的離地間隙過小，影響車輛的通過性。此外，飛 輪上都?jí)河衅饎?dòng)齒圈，所以最后確定D?時(shí)必須考慮起動(dòng)電機(jī)的布置以及起動(dòng)齒

31、輪與齒圈的嚙合。高速內(nèi)燃機(jī)6二(3~4) D (D—缸徑)。 三、連桿組設(shè)計(jì) 內(nèi)燃機(jī)的連桿組包括連桿體、連桿蓋、連桿軸瓦和連桿 螺栓。 連桿體又常分為連桿小頭、桿身和大頭三部分。 -T 7 "2 A A_ A咅tJ而 連桿組的作用:是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 并把作用在活塞組上的力傳給曲軸。 第一節(jié)連桿的設(shè)計(jì) 1、連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料 (―)工作情況 g 連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)韋 連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。? □ □ ① 最大拉伸載荷岀現(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

32、斷面以上部分連桿質(zhì)量的往復(fù)慣性力。 (6-1) P\ = (1 + A)rco2 (N) g 式中G\ G/——分別為活塞組和計(jì)算端面以上那部分連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)重量。 ②最大壓縮載荷出現(xiàn)在膨脹沖程開始的上止點(diǎn)附近，其數(shù)值是爆發(fā)壓力產(chǎn) 生的推力減去前述的慣性力。 （6-2） P： = P. — P c z j 式中Pz—作用在活塞上的氣壓力。 ? 7TD2 4=〒（代-D（N） 附加彎賈擺功的角加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而產(chǎn)生的慣性力矩 也使連桿承受

33、 （二）設(shè)計(jì)要求 連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。 首先保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度。 連桿大頭的變形使連桿螺栓承受附加彎曲； 大頭孔的失圓使連桿軸承的潤滑受到影響。 對強(qiáng)化程度不高的發(fā)動(dòng)機(jī)來說.剛度比強(qiáng)度更重要。 在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。 1 ?選用高強(qiáng)度的材料 2. 合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸 b) 圖6?2連桿剛度不足的弊病 小大頭變形b）桿身尹 3. 采用提高強(qiáng)度的工藝措施 (三) 材料的選擇 連桿材料的選擇就是要保證在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度。 所以一般有如下材料可供選擇

34、: (1) 中碳鋼(45鋼,40鋼)、中碳合金鋼(40Cr, 40MnB, 40MnVB) 鍛造后進(jìn)行調(diào)質(zhì)，機(jī)械加工后探傷?，F(xiàn)在連桿輻鍛工藝已經(jīng)很成熟，不需 要大的鍛壓設(shè)備，制造成本更低。 (2) 球墨鑄鐵 其硬度在210-250HBW之間，具有300~500N/mm2的 抗彎強(qiáng)度，與中碳鋼差不多。 (3) 鑄鋁合金 它主要用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)。 （四）連桿的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 連桿的結(jié)構(gòu)型式如圖11?21所示。其 基本尺寸有： ?連桿長度I ?小頭和大頭孔直徑d〔、d2 ?小頭和大頭孔寬度B3, ?桿身工字形斷面尺寸Hg和Bg 由于連桿小頭孔通過小頭襯套與活 塞銷相配，而連桿大頭孔通過連桿軸

35、瓦 與曲軸相配，因而d1、d2、B1 > B2等尺寸（圖11-21 a）基本上決定于活 塞銷和曲軸的設(shè)計(jì)。 2、連桿長度的確定 連桿長度…-連桿大、小頭孔間的距離。 通常是用連桿比入=171來說明，入值越大，連桿越短，則發(fā)動(dòng)機(jī)總高度（立式發(fā)動(dòng)機(jī)） 或總寬度（臥式發(fā)動(dòng)機(jī)）越小。 為使發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊輕巧，現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的總趨勢是盡量縮短連桿長度。 目前入值已大到1/3.2,常用范圍為1/4?1/3.2o連桿長度必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布 置才能最后確定。 ① 過短的連桿在運(yùn)動(dòng)過程中有可能與氣缸套的下端相碰。 ② 在S/D比值很小的短行程發(fā)動(dòng)機(jī)中，要求有很大的平衡塊得以保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn), 連

36、桿過短容易引起活塞裙部與曲軸平衡塊相碰。 連桿縮短會(huì)引起活塞側(cè)壓力加大，可能增加活塞與氣缸的摩擦和磨損。 對于四沖程高速內(nèi)燃機(jī)來說，最合理的連桿長度應(yīng)該是保證連桿及相關(guān)機(jī)件在運(yùn)動(dòng) 時(shí)不與其他機(jī)件相碰情況下的最短長度。 連桿長度1是內(nèi)燃機(jī)最重要的尺寸參數(shù)之一，它影響內(nèi)燃機(jī)的總體設(shè)計(jì)。 連桿長度當(dāng)然是越短越好，連桿縮短不僅縮小了內(nèi)燃機(jī)的總高度，而且增 強(qiáng)了連桿的結(jié)構(gòu)剛度。 不過，1減小使曲柄連桿比X增大，使二階慣性力增大，同時(shí)由于連桿最大 擺角卩max增大，使活塞側(cè)向力增大。 短連桿內(nèi)燃機(jī)的主要問題是曲軸平衡塊可能與活塞裙在下止點(diǎn)附近相碰。 在相關(guān)零件表面均經(jīng)機(jī)加工的條件下，運(yùn)動(dòng)件之

37、間最小間隙不得小于1-2 mm o 3、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （一）連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿小頭一般采用薄壁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)簡單輕巧、制造方便、工作時(shí)應(yīng)力分布均勻、材料利用率高。 等厚度 楔形 ■ 等厚度 楔形 Pfp d]d 設(shè)計(jì)連桿的主要任務(wù)是確定其結(jié)構(gòu)尺寸：小頭軸承孔直徑d1和寬度B 圖“連桿小頭結(jié)構(gòu)舉例 連桿小頭到桿身過渡處的形狀及尺寸對小頭強(qiáng)度、剛度影響也很大（如圖6?6） 為改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯

38、套。 圖6 6連桿小頭的應(yīng)力測定結(jié)果對比 小普通結(jié)掬b）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)c）實(shí)測應(yīng)力，尹沖咚線為普適結(jié)?紅.克雙為如強(qiáng)結(jié)杓 銅基粉末冶金由于有較低的硬度和摩擦系數(shù)，因而具有較好的磨合性、抗 咬合性和較高的導(dǎo)熱性。加上它的耐腐蝕性好，對磨粒不甚敏感。 粉末冶金在壓碎強(qiáng)度方面還需要進(jìn)一步提高，以過盈壓入小頭孔后甚內(nèi)孔的尺 寸變化還要進(jìn)一步研究，以避免裝配后的機(jī)械加工，否則會(huì)破壞其表面的存油 孔隙。 小頭襯套外徑與連桿小頭孔的配合: 過盈太大會(huì)使材料屈服而松弛； 太小則會(huì)造成壓配松動(dòng)，使襯套與小頭孔可能會(huì)相對轉(zhuǎn)動(dòng)。 泵吸作用可以促成油膜恢復(fù)，故在連桿小頭和襯套上應(yīng)設(shè)有油孔或油槽。

39、連桿小頭孔要有足夠的壁厚外，還要特別注意小頭到桿身過渡的圓滑性，盡 ■減小這里的應(yīng)力集中。 連桿小頭孔中壓入由錫青銅板材卷制的襯套,其厚度為S 0?5?1.5mm （汽油機(jī)） 1?5?3mm傑油機(jī)）。 等厚度 楔形 4、連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了在較小重量下得到較大的剛度，高速內(nèi)燃機(jī)的連桿桿身斷面都是“工”字 形的，而且其長軸應(yīng)在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)。 在垂直擺動(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。 為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，一般把桿身斷面從小頭到大頭逐漸加大。 圖672連桿的縱、橫彎曲力學(xué)松型 連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，多用工字

40、形斷面＜ 中央斷面的工字形高度Hg與寬度Bg之比多為1.4 -1.8, 而Hg/D二0?2?0?3 （汽油機(jī)），0?3?0?4 （柴油機(jī)）。 現(xiàn)代汽油機(jī)連桿桿身平均斷面積等于活塞面積的2?3.5 柴油機(jī)為3?5 %。 5、連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿大頭連接連桿和曲軸，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，否則將影響薄壁軸瓦、連 桿螺栓等。為了便于維修，高速內(nèi)燃機(jī)的連桿必須能從缸中取出，故要求： ① 大頭在擺動(dòng)平面內(nèi)的總寬必須小于氣缸直徑 ② 大頭的外形尺寸又決定了曲軸位置和曲軸箱形狀 ③ 大頭的重量產(chǎn)生的離心力會(huì)使連桿軸承、主軸承負(fù)荷増大，磨損加劇 因此，在設(shè)計(jì)連桿大頭時(shí)，應(yīng)在保證強(qiáng)度

41、、剛度條件下，尺寸盡量小，重量盡 量輕。 1?大頭的結(jié)構(gòu)型式與主要尺寸 平切口連桿——連桿大頭與連桿蓋的分開面大 多垂直連桿軸線。（圖6-13） 為了減少應(yīng)力集中，連桿大頭各處形狀都 應(yīng)圓滑，特別是螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋 圖G 3高遠(yuǎn)內(nèi)燃機(jī)連桿的芒要結(jié)構(gòu)參數(shù) 圖6-13螺栓頭或螺僚支承面的過渡形送 的過渡必須避免尖角（圖6-13a）,盡可能用大的 圓角（圖6-13b） o也可以用大半徑沉割消除嚴(yán) 重的應(yīng)力集中（圖6-13 c）o 連桿大頭剖分式結(jié)構(gòu) 平切口連桿（?ll-21a）連桿體與連桿蓋的剖分面垂直連桿軸線，結(jié)構(gòu)簡單、 對稱。不過，從內(nèi)燃機(jī)裝拆 要求連桿大頭在拆卸

42、連桿蓋后應(yīng)能通過氣缸 孔，即Bo

43、采用其它能承受較大剪切 力的定位元件，才能保證工作可靠。常用的定位方式有： (1)止口定位( 6-15a) 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，成本低。 缺點(diǎn)：不能防止大頭蓋止口向外變形， 連桿體止口向內(nèi)變形，這種蓋與體都是 單向定位，定位不可靠。 止口易變形； 止口因加工誤差或裝拆變形對大頭孔影 響較大； 大頭橫向尺寸較大，不緊湊。 95系列柴油機(jī)連桿采用這種定位方式。 (2)銷套定位( 6-15b) 連桿體與連桿蓋上的定位孔要分別加工，且 加工要求高，工藝復(fù)雜； 孔距不準(zhǔn)時(shí)易因過定位使大頭孔嚴(yán)重失圓； 大頭橫向尺寸大。故近來較少應(yīng)用。 135系列柴油機(jī)連桿

44、即采用此結(jié)構(gòu)。 b) (3)鋸齒定位(圖6-15c) 這是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)：其定位可靠，尺寸緊湊 缺點(diǎn)：齒槽加工精度要求高，否則中間 會(huì)有鋸齒脫空，大大影響結(jié)合剛度，引 起大頭孔失圓。 齒節(jié)公差應(yīng)限制在0.05mm,最好在 0.01m m 以內(nèi)。 齒形角一般為60。-90° ,對于DV 250mm的柴油機(jī)，齒距在3?6mm范圍 內(nèi)。 這種齒槽用拉削加工比較理想，用銖削 加工精度較差。鋸齒定位時(shí)，接合面上 不能加墊片調(diào)整軸承間隙，不便維修。 105型、180型柴油機(jī)均采用這種連桿。 C ) （4）舌槽（矩形單齒）定位（圖6? 15d) 連桿

45、體和蓋上均有一舌一槽，它們是由 同一把拉刀（帶一舌一槽）加工成，所 以體與蓋上舌槽間的距離精度較高，定 位可靠，尺寸緊湊。 缺點(diǎn)：拆裝不便，且只有在采用拉刀加 工時(shí)才能保證較高的定位精度。 舌槽部位要注意減少應(yīng)力集中。 這種定位方式常用于車用柴油機(jī)上。 85系列柴油機(jī)用此結(jié)構(gòu)。 第二節(jié)連桿螺栓的設(shè)計(jì) 連桿螺栓的布置位置非常有限，其尺寸不能太大，而所受載荷又很大，所 以要盡可能提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗疲勞能力。這可通過: 適當(dāng)選用材料 合理設(shè)計(jì)

46、結(jié)構(gòu)形狀 采取相應(yīng)工藝措施等來實(shí)現(xiàn)。 仁受力情況 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，連桿螺栓承受的最大拉伸載荷按照式（7-7）計(jì)算，假定 連桿用i個(gè)螺栓，則每個(gè)螺栓所受的工作載荷為 1 1「/ 、/ 、 1 （7-7） F = - F：= 一 |（m/ + m1 X】+ 兄）廠/ + （m2 一 m3 ）ra）2 i i 式中，加'為活塞組質(zhì)量；"為連桿組往復(fù)部分質(zhì)量；加2為連桿組旋轉(zhuǎn)質(zhì)量；叫為大 頭蓋質(zhì)量 對斜切口連桿來說，連桿螺栓所承受的拉伸載荷相應(yīng)減少為 rar + (m2 - m3 )rar ] ] ] 「 (7-8) F屮—Fcost// =二F：= -co

47、sy/ (jn + + 2) 2、連桿螺栓、連接件的載荷-變形關(guān)系 要正確地選擇F。，必須進(jìn)一步分析內(nèi)燃機(jī)螺栓和大頭的載荷與變形的情況。為了 簡化問題，暫不考慮軸瓦的影響。 設(shè)螺栓抗拉剛度為6,大頭抗壓剛度為Cr 在預(yù)緊力F。作用下，螺栓拉伸變形為入01,大頭相應(yīng)壓縮變形為入02。 圖7?9所示為它們各自的載荷■變形關(guān)系。 圖7?9螺栓與連桿體的剛度曲線 1)如圖7?9所示，預(yù)緊力F。作用后，連桿螺栓的變形為入連桿大頭的變形為入吃， 則剛度分別為 C2 =50 二于 Z02 tana 圖7-9螺栓與連桿體的剛度曲線 2)在工作載荷F：作用下，螺栓被進(jìn)一步拉長AA,

48、而大頭的彈性壓縮變形則減少△入， 于是原來螺栓與大頭之間的互為反作用的預(yù)緊力F。就被部分卸載，變?yōu)闅堄囝A(yù)緊力。 因此螺栓所受載荷為 (7-9) 式中為動(dòng)載部分，決定應(yīng)力幅值的大小，力為基本動(dòng)載系數(shù)，z = AF°/Fj AA / J 4 圖7?10連桿螺栓與大頭的負(fù)荷變形關(guān)系 預(yù)緊力F。既是螺栓承受的拉伸力，也 是連桿與大頭蓋的壓縮力，二者互為 反作用。 把這兩個(gè)負(fù)荷一變形圖合并就成為圖 6-27a, B點(diǎn)?…表示連桿螺栓連接部件的預(yù)緊 狀態(tài)。 工作

49、時(shí)螺栓承受的最大載荷:僅為工作 載荷和殘余預(yù)緊力E之和， 或者說是預(yù)緊力F。與部分工作載荷XF- 之和， 而不是預(yù)緊力Fo與工作載荷F；的 直接疊加。 C點(diǎn)■…螺栓最大載荷工作點(diǎn) D點(diǎn)…?大頭最小載荷工作點(diǎn)。 tana XF- tan/? (l-Z)F； tana 無F； _ / 圖7-10連桿螺栓與大頭的負(fù)荷變形關(guān)系 圖7-10連桿螺栓與大頭的負(fù)荷變形關(guān)系 C'/ /YAr J ZfV (7-10： 所以 G - i Ct + c2 1 + C2 / Cj 從上

50、式可以看出，螺栓抗拉剛度5增 加，基本動(dòng)載系數(shù) 增加，即動(dòng)載荷變大, 疲勞應(yīng)力變大。 在實(shí)踐中，提高連接件的柔度和被連接件的剛度。 這從圖7T0中也可以明顯看出來。 圖7-10連桿螺栓與大頭的負(fù)荷變形關(guān)系 據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，有 C2/Q = 2 ?6比=0?14~0?33 —般 F() = (2 ?2?5)/7+心 式中，巳為壓緊軸瓦的預(yù)緊力。 圖7?10連桿螺栓與大頭的負(fù)荷變形關(guān)系 3）考慮超速、拉缸、軸瓦過盈量的影響因素。由于連桿螺栓的預(yù)緊力F。對其工作可 靠性有很大影響，必須在裝配時(shí)對F。值嚴(yán)加控制。目前在生產(chǎn)中都是通過用扭力扳手 控制預(yù)緊力矩M （N.m

51、）來間接控制F。的，而這兩者之間的關(guān)系與螺紋中以及螺母 （或螺釘頭）端面與支承面之間的摩擦有很大關(guān)系。 (7-11) 式中，d為連桿螺栓螺紋外徑（mm） ；$為螺距（mm）；勵(lì)摩擦因數(shù)；心為螺母或螺 釘頭支承環(huán)面平均半徑。 在一般情況下， s/dM =1/8 ~1/12 0 0丄心/為=0?6J = 0.15 ,則得 M ? 0.2F()dM xlO-2 (7-12) 3、設(shè)計(jì)要求 根據(jù)以上的分析，連桿螺栓在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)： 首先滿足有足夠的抗拉強(qiáng)度，在預(yù)緊力和工作載荷下不產(chǎn)生塑性變形 要有足夠的耐疲勞載荷能力，沒有應(yīng)力集中 采用細(xì)牙螺紋，螺栓剛度要小于被聯(lián)接件剛度。

52、 第三節(jié)提高螺栓強(qiáng)度的措施 連桿螺栓工作時(shí)受到交變載荷的作用，處于疲勞應(yīng)力狀態(tài)，它的尺寸受到空間限 制，又存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，它的破壞又會(huì)引起整機(jī)重大事故。因此，連桿螺栓設(shè)計(jì) 和加工時(shí)就要對一些細(xì)節(jié)倍加注意，要從這些細(xì)節(jié)考慮提高連桿螺栓的疲勞強(qiáng)度。通 常有以下措施： 1） 降低螺桿剛度0,主要是通過光桿直徑/進(jìn)行調(diào)整，一般do = （0.8?0.85）d「 2） 提高被聯(lián)接件的剛度C“ 3） 增加過渡圓角半徑，降低應(yīng)力集中。 4） 采用細(xì)牙滾壓螺紋。 5） 嚴(yán)格控制螺栓和被聯(lián)接件的形位公差，減少附加彎矩。 活塞組包括活塞、活塞銷和活塞環(huán)等在氣缸里作 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，它們

53、是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條 件最嚴(yán)酷的組件。 活塞組零件工作情況的共同特點(diǎn): 工作溫度很高 在很高的機(jī)械負(fù)荷下高速滑動(dòng) 潤滑不良。 鑄鐵耐磨圈 活塞銷 梯形連桿 這決定了它們遭受強(qiáng)烈的磨損，并且可能產(chǎn)生滑 動(dòng)表面的拉毛、燒傷等故障。 (2)活塞頭部(Piston Head) A指活塞環(huán)槽以上的部分。它有數(shù)道環(huán)槽，用以安裝活塞環(huán)，起密封作用。 (2)活塞頭部(Piston Head) 安裝活塞環(huán)、與活塞環(huán)一起密封氣缸、 2、 防止可燃混合氣漏到曲軸箱內(nèi)， 3、 將頂部吸收的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁。 (3)活塞裙部(Piston Skirt) 位置:從油環(huán)

54、槽下端面起至活塞最下端的部分，包 括銷座孔。 作用：對活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，并 承受側(cè)壓力，防治破壞油膜。 裙部 \> 大力中大行力承兩推處軸方 大壓程也縮壓部的為們銷的 力縮行力壓側(cè)裙力稱它塞直 比壓功壓于的塞壓面，活垂? 活塞的變形: (1) 受力變形，沿銷軸向，氣壓力，側(cè)向力都使該向伸長。 (2) 受熱變形：沿銷軸向，金屬量多，膨脹大。 (C)彎曲變形 (d)裙部變形 (C)彎曲變形 (d)裙部變形 ㈤銷座熱膨脹

55、 (C)彎曲變形 (d)裙部變形 第一節(jié)活塞設(shè)計(jì) 一、活塞的工作條件 1?活塞的熱負(fù)荷■咼溫 活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔?，燃?xì)獾淖罡邷? 活塞不僅溫度高，而且溫度分布很不均勻， 各點(diǎn)間有很大的溫度梯度，這就成為熱應(yīng)力 的根源，正是這些熱應(yīng)力對活塞頂部表面發(fā) 生的開裂起了重要作用。 柴油機(jī) 400 二二二預(yù)燃室 r 300 =直接噴射P t/x： 300 200 400汽油機(jī) 300 Q 二二二風(fēng)冷 ?二=水冷 度可達(dá)2000~2500°C.因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨撸瑘D8

56、?2表示一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。柴油機(jī)的活塞熱負(fù)荷尤為嚴(yán)重。 噴射式柴油機(jī)活塞頂上都有相當(dāng)深的凹坑，活塞實(shí)際受熱面積大大增加， 其熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。 因此，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要求選用導(dǎo)熱性好的材料，并且在300?400 °C時(shí)仍有足 夠的機(jī)械性能，在結(jié)構(gòu)上盡量減小活塞頂?shù)奈鼰崃浚盐盏臒崃縿t應(yīng)能很好 地散走；適當(dāng)加大傳熱斷面，使活塞頂和環(huán)區(qū)的最高溫度限制在一定范圍內(nèi)，減 小溫度梯度。 2.活塞的機(jī)械負(fù)荷一高壓 D活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，一般在膨脹沖程上止點(diǎn)附 近達(dá)到最大值Pz jr 弓=巧 S T) = 丁，(z _ 1) x 10」(N) 4 (8-1) 式中Fp—

57、_活塞投影面積(cm2) D——?dú)飧字睆?mm) pz——?dú)飧變?nèi)工質(zhì)的最高燃燒壓力(bar),可由實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖得出。 一般汽油機(jī)Pz為30~50bar；柴油機(jī)為60~90bar；增壓柴油機(jī)為80~120baro 2）活塞組在氣缸里作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生極大的往復(fù)慣性力，其最大值 ^?maX=-—^2（l + >t）（yv） g （8-2） 式中G，—活塞組的重量（N） 目前，發(fā)動(dòng)機(jī)向高速發(fā)展，活塞組的最大慣性力一般已達(dá)活塞本身重量的1000- 2000倍（汽油機(jī)）和300-600倍（柴油機(jī)）。周期性變化的慣性力引起發(fā)動(dòng)機(jī)的 振動(dòng)，并使連桿組、曲軸組零件，特別是軸承負(fù)荷加重

58、，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性下降。 由于連桿的擺動(dòng)，作用在活塞式的力傳給連桿時(shí)，活塞還受一個(gè)交變的側(cè)壓 力Pn，使活塞不斷撞擊缸套，往往導(dǎo)致裙部變形，缸套振動(dòng)。 為適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)活塞時(shí)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。此外希望采用強(qiáng)度好，比重小的材料。 3?活塞高速滑動(dòng)，潤滑不良 活塞在側(cè)壓力作用下，在氣缸內(nèi)高速滑動(dòng)（活塞平均速度已高達(dá)12m/s）,而缸 壁一般均靠飛濺潤滑，因此潤滑條件差，摩擦損失大（活塞組的摩擦損失約占發(fā)動(dòng)機(jī) 全部摩擦損失的40%）,磨損嚴(yán)重，易焦活塞和活塞環(huán)磨損鶴。 活塞

59、組與缸套的磨損除了與側(cè)壓力」的大小和平均速度 有關(guān)，還與摩擦面 間的潤滑情況和摩擦副材料匹配有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)活塞時(shí)，要正確選擇活塞和活塞環(huán) 的材料，使它們有足夠的減摩性；選擇合理的活塞環(huán)斷面和活塞裙部型線及必要的工 藝措施。使活塞環(huán)、活塞裙部與缸套間保持良好的油膜，減少摩擦損失及磨損，改善 活塞對缸套的撞擊，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。 由于活塞在不同工況下具有非常不同的溫度，所以在不同工況下始終保持最佳 的配合間隙成為十分復(fù)雜的問題。如果冷態(tài)下間隙合適，在熱態(tài)下由于活塞溫度大小 超過氣缸溫度，很可能使間隙過小而拉缸或咬死；反之則冷態(tài)下可能間隙太大，發(fā)生 敲擊，使裙部變形，缸套振動(dòng)，引起穴蝕。因此，一

60、般希望活塞材料的熱膨脹系數(shù)要 小，防止過大的熱變形。 4. 交變的側(cè)壓力 由于活塞上下行程時(shí)活塞要改變壓力面因此側(cè)向力是不斷變化方向的，這就 造成了活塞在工作時(shí)承受交變的側(cè)向載荷，因此產(chǎn)生如下的工作后果： D造成側(cè)向拍擊，引起機(jī)體振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)體表面輻射噪聲。 2） 由于潤滑不良使摩擦磨損較大。 3） 使裙部產(chǎn)生變形，垂直銷軸方向壓扁，銷軸方向變長。 4） 缸套表面產(chǎn)生振動(dòng)，容易引起缸套穴蝕。 SIS 6120柴油機(jī)活塞拉缸 原因：將6135柴油機(jī)上的噴油器裝在6120^油機(jī)上，使 活塞頂過熱、積炭、活塞環(huán)粘結(jié)，直至拉飪停車。 活塞燒頂

61、 特征：燃燒室喉口邊緣燒蝕并擴(kuò)展至拉缸。 原因：噴油器失效。 心 ...忍匚 活塞裙部及座孔斷裂 特征：活塞整個(gè)下部碎裂。 原因：內(nèi)燃機(jī)超速或缺油使連桿螺釘斷裂或變形、 使連桿與蓋脫開并撞去機(jī)體與曲柚。 活塞四點(diǎn)劃傷 特征：汚塞銷孔兩側(cè)處劃傷。 原因：冷卻液溫度低或流量不足；不適當(dāng)?shù)倪B續(xù)冷起動(dòng)；大負(fù)荷工 作后馬上停車；超負(fù)荷運(yùn)行；活寒銷與孔配合不當(dāng)。 座孔內(nèi)側(cè)壓裂 原因：機(jī)械負(fù)荷過大；銷與銷孔剛度不匹配.變形不協(xié)調(diào)。 活塞頂外側(cè)疲勞腐蝕損傷 特征：適塞頂、火力面外側(cè)及周向材料呈點(diǎn)狀連片損傷，它出現(xiàn)在 嚴(yán)兔地區(qū)冷起動(dòng)。 原因：頻繁冷起

62、動(dòng)引起酸性介質(zhì)（燃燒氣冷凝）腐蝕；冷起動(dòng)時(shí)出 現(xiàn)究發(fā)性爆宸，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比較低情況下。 二、設(shè)計(jì)要求 活塞是在高負(fù)荷、高溫、高速、潤滑不良的條件下工作的，對它的 設(shè)計(jì)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的散走; 6） 在較低的機(jī)油耗條件下，保證滑動(dòng)

63、面上有足夠的潤滑油。 當(dāng)進(jìn)行活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重解決的問題是： 1） 改善活塞頂及第一環(huán)的工作條件，防止頂部熱裂和環(huán)粘結(jié)、卡死和過渡磨損; 2） 改善活塞銷和銷座的實(shí)際承載能力，減少磨損，防止破裂； 3） 確定合適的裙部外形和熱膨脹控制措施，提高裙部承載能力和減小配缸間隙, 改善磨損并使運(yùn)轉(zhuǎn)平順。 近幾十年來，就活塞結(jié)構(gòu)而言以發(fā)生了巨大變化。圖8-島、b是兩個(gè)活塞。對比 它們的結(jié)構(gòu)，無論在環(huán)數(shù)、活塞總高、活塞銷直徑，還是在環(huán)斷面、環(huán)槽結(jié)構(gòu)、銷座 設(shè)計(jì)、裙部外形等方面，都有顯著的變化。顯然，這些改進(jìn)都是向上述設(shè)計(jì)要求的邁 進(jìn)。 三、活塞的材料 根據(jù)上述對活塞設(shè)計(jì)的要求，活塞

64、材料應(yīng)滿足如下要求： 1） 熱強(qiáng)度高。即在300?400°C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。已降低頂部及環(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） 有良好的減摩性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。湍?、耐蝕； 6） 工藝性好，價(jià)廉。 由于上述要求往往是互相矛盾的，因此，到目前為止，還沒有一種能全面滿 足上述要求的單一材料，現(xiàn)在常用的活塞材料是鑄鐵、鋁合金和鋼。 在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)

65、小、熱強(qiáng)度高、成 本低、工藝性好等原因，曾廣泛地被作為活塞材料。 鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵正好相反，鋁合金： 1?比重小，約只有灰鑄鐵的1/3,結(jié)構(gòu)重量僅鑄鐵活塞的50?70%。因 此其慣性小，這對高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。 2?導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的3?4倍，使活塞溫度顯著下降。 鋁合金的缺點(diǎn)： 1?溫度升高時(shí)，強(qiáng)度和硬度下降較快，線膨脹系數(shù)P較大，為控制熱變 形使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化； 2.其成本較高。 鋁合金一般可分為兩大類： 1 ?鋁銅合金 鋁銅合金中最有名的是Y合金，它以Al-Cu-Ni-Mn系為基礎(chǔ)，其高溫強(qiáng)度 （特別是疲勞強(qiáng)度）、導(dǎo)熱性、延展性都很好，鍛造性能

66、也好，易加工。 但比重大，尤其是熱膨脹系數(shù)大，成本高，因此在鑄造活塞中幾乎已不采用, 近在鍛造活塞中尚有使用。 2.鋁硅合金 鋁硅合金中最有名的是含硅12%左右的共晶鋁硅合金。因?yàn)樗蛎浵禂?shù)很 低，國外經(jīng)常稱為Lo?Ex合金。鋁硅合金中，硅的作用是使膨脹系數(shù)和比重下 降，耐磨性、耐蝕性、硬度（特別是工作溫度下硬度）、剛度和疲勞強(qiáng)度提高 鑄造流動(dòng)性改善（直到共晶為止）。但硅使鋁合金導(dǎo)熱性下降，塑性減小，切 削性和鍛造性惡化。 鋁合金活塞毛坯的最通用生產(chǎn)方法是金屬型鑄造，保證毛坯尺寸精度較高， 生產(chǎn)率高，成本低。為了保證起模方便，金屬型芯必須分成很多塊（例如三塊、 五塊或七塊），比較復(fù)雜且使用不耐久。所以，在設(shè)計(jì)活塞內(nèi)腔形狀時(shí)必須注意 到型芯制造的方便。因?yàn)殇X合金的收縮率大，凝固時(shí)間長，又容易吸氣，所以用 這種僅有重力作用的鑄造法時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱裂、氣孔、針孔及縮松等缺陷。為 了得到優(yōu)質(zhì)的毛坯，可以采用壓鑄法。 在強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)中，可以采用鍛造鋁合金活塞。 第二節(jié)活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞的結(jié)構(gòu)如圖8-2、圖8-3所示，根據(jù)用途的不同，可以分為如下幾個(gè)部分: € A B D