内燃机连杆设计,内燃机连杆设计标准

('连杆的计算校核第三章连杆的材料选取于强度效荷3.1连杆材料的选择连杆是一个细长杆件它承受了交变载荷。为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，一般多用精选含碳量的优质结构钢45磨锻，只有在特别强化且产量不太大的柴油机中用40Cr等合金钢。合金钢有较高的综合机械性能。但当存在生产应力集中的因素时，它的耐疲劳能力急剧下降，甚至底到于碳素钢不相上下。所以合金钢连杆的形状设计、过渡圆滑性、毛胚表面质量等，必须给以更多的注意，才能充分的发挥优质材料的潜力。40MnB、40MnVB等硼钢作为高附和的大量生产连杆的材料，显示了良好的使用性能。40MnB钢化成分（%）：C0.37~0.45，Mn1.1~1.4,Cr<0.3,P和S≤0.45,B0.001~0.005,经850℃油淬，500℃高温回火后，强度极限＞1000牛顿/毫米2，冲击任性＞牛顿•米/厘米2。连杆纵向断面内宏观金相组织要求金属纤维方向于连杆外形相符，纤维无环曲及中断现象。连杆一般用钢锻造，在机械加工前一般应进行调治处理（淬火后高温回火），以得到较高的机械性能，既强又韧。为了提高连杆的疲劳强度，不经机械加工的表面应经过喷丸处理。连杆还必须经过磁力探伤检验，以求工作的稳定性、和可靠性。我国已经研究出了连杆辊锻工艺，辊锻连杆不仅不需要大型的锻压设备，而且还改善了工人的劳动条件，为了节约优质钢材降低成本，我国还成功的试用了以稀土镁球墨铸铁制造的高速柴油机连杆。实验表明，铸造连杆硬度应在HB210~250之间，上限为保证足够的强度，下限是为了保证良好的切削性。这样硬度的珠光体球具有300~350牛顿/毫米2的抗弯疲劳强度，与中碳钢差不多。在大批生产铸件连杆时保证制造质量稳定，要求对炉料、浇铸、热处理工艺规程严加控制，并进行仔细的内在质量检查，例如超声波或X光无损探伤等。据国外经验，强韧的珠光体液可锻铸铁也适于制造连杆。3.2连杆的设计与强度效核3.2.1连杆长度的确定设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度l。它通常是用连杆比λ=r/l来说明的，λ值越大，连杆越短，则发动机总高度（立式发动机）或总宽度（卧式发动机）越小。在V型发动机上，则总高度和总宽度可同时缩小。所以为式发动机紧凑轻巧，现代高速发动机在设计中的总趋势是尽量缩短连杆长度。目前λ值以大到1/3.2,常用范围为1/4~1/3.2，但是连杆长度必须根据发动机的最后布置才能最后确定。过短的连杆在运动中可能与气缸套的下端相碰。在S/D比值很小的短行程发动机中，例如CA~72型小客车V8发动机要求有很大的平衡块以保证运转平稳，连杆过短容易引起活图3-1塞裙部与曲轴平衡块相碰。因此，尽管这种发动机要求有高度紧凑性，但从λ>1/3.8的数值看，它的连杆还是相当长的当然从λ=1/3为止，这种影响并不大。因此，对于四冲程高速来说，最合理的连杆长度应该是保证连杆及其相关机件在运动时不与其他机件相碰的情况下的最短长度。由于连杆长度的偏差直接影响发动机的压缩比和装配关系。3.2.2连杆小头的结构设计与强度效核1）连杆小的结构设计运输式发动机广泛采用浮式活塞销结构，它不仅传递由活塞传来的力，还相对与活塞销往复摆动，因此，设计连杆小头时应同时考虑强度、刚度、核滑动面的摩擦和磨损问题。现在高速发动机上的连杆小头一般采用薄壁圆环结构。这种结构简单轻巧、制造方便、工作时应力分布均匀、材料利用率高。为了耐磨。在小头孔内还压有耐磨称套。设计连杆小头的任务是确定其结构尺寸和润滑方式。其中、B1应在活塞设计中确定。椐统计，小头的外径一般比孔径大20%~35%，即D1=（1.2~1.35）d小头的最小径向厚度大于4毫米。该尺寸可按强度、刚度条件确定。有的连杆小头，外径中心向上下各偏心e，以加强结构，并相对减轻重量，一般e=(0.02~0.04)D在二冲程发动机上，气压总是大于往复惯性力，活塞销总是压在小头孔下部，为减轻重量，可适当缩小小头孔上半部尺寸。实验应力测定结果表明，连杆小头到杆身过渡处形状即尺寸对小头强度、刚度的影响也很大。如将小头看作两端固定与杆身上端的大圆环，该圆环的中心角与小头在压缩载荷Pc拉伸载荷Pj作用下容易自由变形的那部分的角度2φ相对应。φ被称为连杆小头固定角。一般在过渡处A点有应力高峰，且过渡弧ρ越小，固定角φ越大，应力峰值高。为了改善磨损，小头中以一定过盈量压入耐磨称套，称套大多数用耐磨的锡青铜铸造，牌号ZQSn6-6-3,ZQSn5-5-5,zqsn102,等。这种称套的厚度一般在为2~3毫米。铅青铜其强度教高，耐磨性较好，适用于强化柴油机上。高锡铝合金被用在大功率中速机上近些年来为了节约有色金属材料已大量采用铁基或铜基粉末冶金称套，他们具有海绵状多孔结构，若在孔隙中存有润滑油在使用中能够产生石墨胶体润滑剂，因此具有优良的减磨性。由于材料便宜，工序简化，使称套成本大大下降。铜基粉末冶金由于有较底的硬度和摩擦系数，因而具有较好的耐磨性、抗咬合性和较高的导热性。加上它的耐腐蚀性好，对磨砾部甚敏感，所以它对中、小负荷发动机较为适用。但是粉末冶金在压碎强度方面还需进一步提高；以过盈压入小头孔厚的尺寸变化还要近一步研究，以避免装配后的机械加工，否则会破坏其表面的存油孔隙；此外，粉末冶金称套的精度也还需提高。现在还广泛采用由冷扎青铜带或青铜双金属带卷成的薄壁称套。小轴称套外径与连杆小头孔的配合常用，过盈太大会使材料屈服而松弛，太小则会引起压配松动，使称套和小头孔可能会相对转动。称套与活塞的配合间隙尽量小，以不发生咬合为原则。一般青铜称套△/d1=0.0002~0.0015,粉末冶金称套△/d1=0.0002~0.0015,粉末称套△/d1=0.0015~0.002。因为粉末冶金称套过盈压入小头孔后，内径会缩小，故间隙适当取大些。椐我国一些工厂的经验数据，粉末冶金称套过盈压入孔后内径缩小量对铁基称套使近似等于外圆的过盈量铜基称套则外圆过盈量的60%左右。连杆小头轴承由于比压大，滑动速度慢，一般不可能造成理想的液体润滑。目前四冲程发动机的连杆小头大多数通过飞溅给润滑油，因为载荷的交变性引起活塞销相对连杆上下移动，这个泵吸作用可以促成油膜恢复，故在连杆小头合称套上应设有有孔或油槽。由于二冲程发动机连杆受单向载荷，小头大多数采用压力润滑，这时润滑油由连杆大头通过杆身中的油孔供给。少数四冲程的发动机连杆小头轴承也用压力润滑。2）小头的强度效核以过盈压入连杆小头衬套，使小头端面承受拉伸应力。若衬套材料的膨胀系数比连杆材料大，则随工作温度升高，过盈加大，小头端面中的应力也增大，由装配过盈和升温过盈所引起的载荷称为预加载荷。当发动机以定常温度工况运转时，此载荷不随曲轴转角变化，相当于静载荷如图2—1所示。此外，连杆组小头在工作中还承受活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩，可见工作载荷具有交变性。上述载荷的联合作用可能使连杆小头极其杆身过渡处产生疲劳破坏，故必须进行疲劳强度的计算。显然应取应力变化幅度大的工况作为计算工况，须视发动机的高速度、、气压力变化情况以及小头结构而定。1）衬套过盈装配及温升产生的小头应力把小头和衬套当作两个过盈配合的圆桶，则在两零件的配合表面，由装配过盈△和升温过盈△t所引起的颈项均布压力由径向均布P硬气的小头外侧及内侧纤维上的应力,可按厚壁筒公式计算图3—3由拉伸所引起的小头应力进行应力计算时简化为刚性的固定与它与杆身的衔接处曲杆。3.2.3连杆大头的结构设计及强度效核连杆大头连接连杆和曲轴，要求有足够的强度和刚度,否则将影响薄壁轴瓦、连杆螺栓，甚至整机工作的可靠性。为了便于维修，高速内燃机的连杆必须能从气缸中取出，故要求大头在摆动平面内的总宽必须小于气缸直径；大头的外形和尺寸决定了凸轮轴的位置和曲轴箱的形状；大头的重量产生的离心力会使连杆轴承、主轴承负荷加大，磨损加剧，有时还为此不得不增加平衡重，给曲轴设计带来困难，因此在设计连杆大头时，应在保证强、度刚度的条件下，尺寸尽量减轻。合理确定大头结构尺寸和形状，就是大头设计的任务。1）大头的结构形式及主要尺寸连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径D2、长度B2、连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径。其中D2、B2是根据曲轴强度、刚度和轴承的乘压能力，在曲轴设计中确定。为了结构紧凑，轴瓦厚度δ2趋于件减薄，汽车拖拉机用轴瓦δ=1.5～3毫米.连杆螺栓尺寸则根据强度设计.因此，本处所谓大头设计，实际上是指连杆大头在摆动平面内某些主要尺寸，连杆大头刨分型式定位方式，及大头盖的结构设计，实际上是确定连杆大头在摆动平面内某些主要尺寸，连杆大头刨分型式、定位方式及大头盖的设计。连杆大头于连杆盖的分开面大多数垂直于连杆的轴线，称为平切口连杆。由于平切口连杆的大头具有较大的刚度，轴承孔承受的变形力小以及制造费用低，一般都采用这种结构。高度H2、H3。对于切口连杆的大头强度刚度影响很大，一般取H3≈H4≈（0.35～0.5）D2。此高度过小时，连杆的螺栓头或螺帽的支撑面过渡圆角处易成为薄弱环节，会因为应力集中而成为疲劳裂纹的发源地。为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离C应尽量减小，对平切口连杆，C=(1.2～1.31)D2,因此螺栓孔比于轴瓦孔间距很小，为（１～１.5）毫米。当D2相对较大，B2也很大时，为了缩小大头宽度B0，并保证轴瓦沿长度均匀压紧，可以采用每边两个螺栓的结构。但是这时应注意严格保证安装时两个螺栓的预紧力大小一致，否则轴瓦工作条件恶化。螺栓孔外侧壁一般不应小于2毫米，否则大头刚度将过小，在连杆受拉时，大头易产生椭圆变形。为了减少应力集中，连杆大头各处的形状都应是圆滑，特别是螺栓头支撑面到杆身或大头盖的过渡必须避免尖角，尽可能用大的圆角。当应布置所限，圆角半径不够大时，可以用大半径沉割消除严重的应力集中，沉割可以一直延续到螺栓孔口。实验表明，用适当的圆弧代替尖角过渡时，最大应力可能下降30%～50%。图3——为了提高曲轴的轴承的工作能力，目前高、中、速柴油机广泛采用的曲柄销直径D2>(0.65～0.7)D，这时平切口连杆一般已再也不能保证B0