精品毕业设计活塞连杆组的工作情况分析与连杆的设计

活塞连杆组的工作情况分析与连杆的设计2006年6月中文摘要利用燃料在气缸内燃烧后的热能无损失地直接推动活塞运动而作功。这种燃烧方式，简称为内燃式”当时，对内燃机工作原理的研究相当少，还没有寻求到提高效率的途径。对内燃方式引起和燃料有关的很多问题也未解决，汽 油的出现促成了汽油发动机的产生，柴油的出现促成了柴油发动机的产生。从此，汽油和柴油成为一种可以广泛应用的新燃料。关键词：内燃机燃烧方式新燃料外文摘要目录活塞连杆组的工作情况分析与连杆的设计1中文摘要1外文摘要1目录1绪论2汽车柴油机的发展形势2柴油机的发展4柴油机中的活塞连杆机构5第一章活塞和杆连组的工作条件51.1活塞的工作条件51.1.1活塞的机械负荷61.1.2活塞的热负荷61.1.3活塞高速滑动，润滑不良71.2连杆的工作条件7第二章活塞材料的选取82.1活塞的材料及设计要求82.2活塞的材料9第三章连杆的材料选取于强度效荷143.1连杆材料的选择143.2连杆的设计与强度效核153.2.1连杆长度的确定153.2.2连杆小头的结构设计与强度效核163.2.3连杆大头的结构设计及强度效核183.2.4杆身的设计及强度效核213.3连杆的螺栓22第四章连杆的生产工艺流程234.1连杆的机械加工工艺过程分析234.2连杆的加工工23第五章总结25致谢26参考文献26绪论汽车柴油机的发展形势从第一辆汽车问世它得到从无到有，迅猛发展，产量大幅度增加，技术日新月异。目前全世界汽车的保有量已超过 5亿辆。中国的汽车工业是在1949年后才建立起来的。1953年7月第一汽车制造厂开始在长春市兴建，仅用三年建成并于1956年10月开工，大批生产装载4t的解放CA10货车，从而结束了中国不能制造汽车的历史。在1958年该厂又制造了我国第一辆轿车一一东风牌轿车，接着又开始小批量生产红旗 CA770高级轿车。在一汽逐步扩大生产的同时，我国各地一批汽车修配企业相继改建成汽车制造厂，主要产品有：南京汽车制造厂生产的装载2.5t的跃进NJ130轻型货车，济南汽车制造厂生产的装载8t的黄河JN150重型货车，北京汽车制造厂生产的BJ212轻型越野车，北京第二汽车制造厂生产的装载2t的BJ130轻型货车等等。我国汽车工业经过40年的艰苦创业、巩固、调整与发展，虽然与世界水平还有相当大的差距，汽车品种尚不能完全满足国民经济的需要，但已形成相当的规模并明确了发展的方向，为迅速腾飞奠定了较好的基础。到本世纪末，将集中人力、财力、物力分期分批建成几个大型现代化的轿车、轻型车、重型车基地并进一步提高中型车的水平。我国汽车的保有量将超过 1000万辆，年产量将超过100万辆并跃居世界主要汽车产国的行列。随着汽车及各种内燃机车的不断发展我国的内燃机设计与制造也有突飞猛进的增长。各种发动机的型号日异更新，发动机向着更加环保、节能的方向发展。新型的材料新的制造工艺和设计理念已经在发动机的设计和制造中有了广泛的应用，大大提高了发动机的性能。由于包括汽车在内的各种类型的动力装置对内燃机的要求日益提高。随着科学技术的突飞猛进，新材料、新工艺不断涌现，计算和测试技术不断提高，提供了这种可能，使得内燃机在性能和结构设计等各个方面，都有了较大的改进和提高。作为交通工具和各种生产工具的引擎原动力柴油机生产在现代社会有了突飞猛进的增长。新材料的应用新的锻造、铸造以及设计工具的不断创新与发展发动机的研发与生产有了很大的发展。铸造技术不断的发展开发铸造符合新材料，如金属基复合材料、母才机体材料、增强强化组材料、加强颗粒、短纤维、晶须非连续增强金属复合基材料、原位铸造金属基复合材料。开发了镁合金高锌铝合金及黑色金属等新兴压铸合金。柴油机的发展柴油机的前身在蒸汽机发展的同时，有人开始研究使 外燃”改变为内燃”的可能性，也就是不用蒸汽做工作介质，而是设法把燃料燃烧放热都放在气缸内部进行，即是蒸汽机蒸汽机使用的燃料是煤价热水是蒸气推动机器运动。蒸汽机有许多弊病，在其不断的发展中逐渐显现出来。例如：煤很难在短时间里迅速燃烧和产生推动活塞运动的具有一定压力的气体。用煤气做燃料，受到气源的限制，不但效率低，而且不经济等.直到石油的发现和大量的开采，以及石油工业的发展，给内燃机创造了合适的燃料来源。所以才有了柴油机和气有机的研究与发展并逐渐替代了蒸汽机。给汽车发动机发展开阔了美好的前景。柴油机从诞生至今，一方面朝着提高压缩比的方向发展，另一方面大幅度地提高了发动机的转速。因此，总的来说柴油机是沿着降低油耗、增大功率、减轻比重地方向发展。其中以提高压缩比为核心。以为压缩比越高，问题就越多，公害就越严重。因此柴油油机的压缩比不得不降到 8〜8.5。这样一来，过去汽油机发展障碍爆燃还没有很好的排除，新的更大的障碍空气污染有显现出来。近十年来，汽油机的研发工作者把主要精力都放在了降低污染上了。排污加上噪音问题使的柴油机的发展进入了与以前有所不同的领域。柴油机的功率也有了很大的提高十年来同一级的动力机械，功率要求约提高了50漪功率有两个方面的含义：一是重型超重型和巨型动力输出装置要求内燃机大型化；一是在体积和重量变化不大的情况下要求增大功率，即内燃机强化。强化是使工过程有效指标和工作频率强化。这一措施往往带来内燃机比容积的减小和重量的减小。按强化手段可分为；强化混合气的形成提高制造精度和光洁度，改进附件设计、减少活塞环数目、改良机油品质，等用以减少机械损失，使平均有效压力尽可能的高。强化工作效率。提高发动机的转数。强化进气过程增加气门数目减小气道阻力、利用气体的脉动效应等等。但最主要的还是通过废气窝轮增压器，增加冲量密度。因为废气涡轮增压可以充分利用废气能量来提高功率，可以减小柴油机的比重量和比容积，通过进气量的增多可以改进燃烧，加上废气能量的利用 HC含量。柴油机中的活塞连杆机构活塞连杆机构把燃气作用在活塞顶部上的力转变为曲轴的转矩以向工作机械输出机械能。它承受着来自燃气的压力和往复惯性力。在四个冲程中气体压力始终存在。活塞受的总压力Fp通过活塞销传给连杆，并沿连杆方向作用在曲柄销上。在压缩行程中，气体压力阻碍活塞向上运动。在工作循环的任何行程中，气体的作用力的大小都随着活塞位移的变化而变化，在加上连杆的左右摇摆，因而活塞连杆每时每刻受力都时不均匀的，而且工作环境最恶劣，对其材料的要求也很高。铸造技术不断的发展开发铸造符合新材料，如金属基复合材料、母才机体材料、增强强化组材料、加强颗粒、短纤维、晶须非连续增强金属复合基材料、原位铸造金属基复合材料。开发了镁合金高锌铝合金及黑色金属等新兴压铸合金。铸造原铺材料建立了新的高密度黏土型砂相适应的原铺材料体系。砂型铸造研制低密度尺寸稳定的EPC工艺复合的新技术；发展金属半固态连续铸造技术；推广树脂砂型金属型及覆砂金属型高密度、近无切削高效铸造技术；推广无铸型电磁技术；开展了喷铸技术的应用。充分借鉴冶金界电渣技术的研究成果解决了电渣铸造工艺的技术难题第一章活塞和杆连组的工作条件1.1活塞的工作条件活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里往复运动的零件，它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的可靠性与使用的耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密闭性，否则活塞式发动机就不能正常运转。活塞组零件工作情况的共同特点是工作温度很高，并在很高的机械负荷下高速滑动，同时润滑不良，这决定了它们遭受强烈的磨损，并且可以产生滑动表面的拉毛、烧伤等故障。1.1.1活塞的机械负荷活塞在工作中受到周期性变化的气压直接作用，一般在膨胀冲程上止点附近达到最大值Pz直径为135毫米，Pz=90巴的的柴油机活塞顶上就作用着高达118000牛顿的气压力，可见活塞的机械负荷很大，它是活塞各布分产生 机械应力和变形，严重时会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一道环断裂等等。有时与它相配合的活塞销也会因此而卡死或断裂。活塞组在气缸里往复运动，产生极大的往复惯性力，活塞组的最大惯性力一般达活塞本身重量的 1000〜2000倍（汽油机）和300〜600倍（柴油机）。周期性变化的惯性力引起发动机的振动并使连杆组、曲轴零件，特别是轴承负荷加重，导致发动机耐久性下降。由于连杆的摆动，作用在活塞上的力传给连杆时，活塞还受一个交变侧压力Pn，使活塞不断撞击缸套往往导致裙部变形，缸套振动。1.1.2活塞的热负荷活塞在气缸工作时，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达2000〜2500C。因而活塞顶的温度也很高，活塞不仅温度高而且温度分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正是这些应力对活塞顶部的表面发生的开裂起了重要的作用。柴油机的活塞热负荷由为严重。因为它的工质密度大，扰流强，很高的压力升高率引起急剧的气流脉动，促进对流传热。另外，柴油机不均匀混合气燃烧形成碳粒，使其火焰的的热辐射能力大大超过汽油机。还有，活塞中燃料喷注常使活塞的温度更不均匀。例如预燃室或涡流室偏执缸盖某一侧，由其喷射出的火焰将首先加热活塞的局部地区，带来过热的危险，当燃料喷射雾化不良时，情况更加严重了。直接喷射活塞顶上都有相当深的回坑，活塞实际受热面积大大增加，使其热附和更加严重。活塞顶温度如果超过370〜400C就会产生疲劳热裂现象，而第一环环槽温度如果超过 200〜220C就会使润滑油变质或炭化，造成活塞环黏结失去活动性或者使环槽迅速磨损变形。这些都是由热负荷引起的，它是发动机强化的一个重要障碍。因此，设计活塞时要求选用导热性好的材料，并且在300〜400°C时仍有足够的机械性能；在结构上尽量减小活塞顶的吸热量，而已吸收的热量则应能很好的散走；适当加大传热断面，使活塞顶部和环区的最高温度限制在一定范围内，减小温度梯度。1.1.3活塞高速滑动，润滑不良活塞在侧压力作用下，在气缸内高速滑动（活塞的平均速度以达 12米/秒），而缸壁一般靠飞溅润滑，因此润滑条件差，摩擦损失大（活塞组的摩擦损失约占发动机全部摩擦损失的40%）磨损严重，易使活塞和活塞环磨损失效。活塞组与气缸的磨损除了与侧压力 Pn有关还和平均速度有关，还与摩擦面的润滑情况和摩擦副材料匹配有关。因此，设计活塞时。要正确选择活塞环的材料，使它们有足够的减磨性；选择合理的活塞环断面和活塞裙部型线及必要的工艺措施。是活塞环、活塞裙部与缸套间保持良好的的油膜，减少摩擦损失，改善活塞对缸套的撞击，使发动机运动平静。由于活塞在不同的共况下有非常不同的温度，所以在不同的工况下始终保持最佳配合间隙成为十分复杂的问题。如果冷态下间隙合适，在热态下由于活塞温度大大超过气缸温度，很可能使间隙过小而拉缸或咬死；反之则冷态下间隙过大发生敲击，是裙部变形，缸套振动，引起穴蚀。因此，一般希望活塞材料的热膨胀系数要小，同时要在结构上采取必要的措施，防止过大的变形。1.2连杆的工作条件内燃机的连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆轴瓦、和连杆螺栓。而连杆体有分为连杆小头、杆身和连杆大头三部分。连杆组的作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞组上的力传给曲轴。连杆的工作状况。连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起往复运动，连杆大头与曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除了上下运动以外还左右摆动，作复杂的平面运动。连杆受交变载荷的作用，连杆的基本载荷是拉伸与压缩。最大拉载荷出现在进气冲程开始的上止点附近，其数值为活塞组和计算断面以上那部分连杆质量的往复惯性力。最大压缩载荷出现在膨胀冲程开始的上止点附近，其数值为爆发压力产生的推力减去前述的惯性力。此外，由于连杆是一细长杆件，在压缩载荷作用下，还会引起平行与垂直与曲轴轴线的平面内的弯曲两种弯曲都会给杆身以附加弯曲应力。制造连杆时，若有初始弯曲及偏心，以上情况更为严重。由于连杆摆动的角加速度和转动惯量而产生的惯性力矩，也使连杆承受附加弯矩。第二章活塞材料的选取2.1活塞的材料及设计要求连杆是发动机中的重要零件，如图1所示。它将作用与活塞顶面的膨胀气体的压力传给曲轴，推动曲轴旋转，同时受曲轴的驱动而带动活塞压缩汽缸内的气体。连杆结构复杂，其通常在大头处分开为连杆体和连杆盖两部分，连杆杆身是工子型截面，而且从大头到小头逐步变小。如果不做任何特征规划，直接运用特征造型技术构建连杆三维模型，造型很容易失败，难以获得较理想的结果，因为连杆结构复杂，不是简单的特征加减就可以完成的。活塞是在高负荷、高强度、高温、高速、润滑不良的条件下工作的，所以它要求1） 要选择强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好的减磨性、工艺性的材料；2） 有合理的形状壁厚。使散热良好，强度刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；3） 保证燃烧室气密性良好，串气、串油少又不增加活塞组的摩擦损失；4） 在不同的工况下都能保证活塞与汽缸的最佳配合；5） 减少活塞从汽缸中燃气吸收的热量而已吸收的热量都能顺利的散走；6）在较底的机油消耗条件下，保证润滑面上有足够的润滑油。当进行活塞的结构设计时，应着重解决的问题是：1） 改善活塞及第一环的工作条件，防止顶部热裂或环黏结、卡死和过度磨损；2） 改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂；3） 确定合适的群部外形和热膨胀控制措施，提高裙部承载能力和减小配缸间隙，改善磨损并使运转平顺。近几十年来，就活塞结构而言发生了巨大的变化。对比它们的环数、活塞高度、活塞销直径，还是在断面、换草结构、销座设计、裙部外形等方面，都有了显著的变化。显然，这些改进都是为了更好的满足活塞的工作要求。2.2活塞的材料活塞的工作环境是整个发动机中最为恶劣的一个部件，发动机的靠性与耐久性再很大程度上与活塞工作组的工作情况有关。活塞足于气缸组一起保证发动机的可靠性和密闭性。他收到的高温摩擦最为强烈，活塞在工作时受到瞬时变化得的高温气体的作用，燃起的最高温度可达2000~2500C。因而顶部的温度也很高，而且温度分布很不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的 根源，正是这些热应力对活塞顶部表面发生开裂也有很大的作用。活塞定不如超过 370C~400C就会出现疲劳现象，因此活塞的材料要尽可能的有良好的导热性，并且在370C~400C仍有良好的机械性能。由于活塞在不同的工况下具有非常不同的温度，所以要在不同的温度下始终保持最佳的配合间隙是很重要的问题，在冷态下间隙合适，而在热态下由于活塞温度大大超过气缸温度，很可能使间隙过小而拉缸，咬死；反之冷态下还有可能间隙过大而产生敲击，是裙部变形，钢套震动，引起穴食。因此，一般希望活塞的热膨胀系数小，防止过大的热变形。综上所述，活塞是在咼负荷、咼温、咼速、润滑不良的条件下工作的,所以活塞材料应满足如下要求1） 热强度高。即在300〜400C高温下仍有足够的机械性能，使零件不致损坏；2） 导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区温度，并减少热应力；3） 膨胀系数小。使活塞与气缸间能保持较小的间隙；4） 比重小。以降低活塞组往复运动的惯性力，从而降低了曲轴连杆组的机械负荷和平衡配重；5） 有良好的减磨性能（即与缸套间的摩擦系数小），耐磨、侵蚀；6） 工艺性好廉价。由于上述要求往往是相互矛盾的。因此，到目前为止，还没有一种能够完全满足上述所有要求的材料，现在常用的活塞材料是铸铁铝合金和钢。在活塞式发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐腐蚀性好、膨胀系数小、热强度高、成本底、工艺性好等原因，曾广泛的被作为活塞的材料。但由于发动机转速的提高，工作过程不断的强化，灰铸铁由于其比重大和导热性差两个根本的缺点而逐渐被铝合金活塞所淘汰。目前汽油机和柴油机几乎以完全不用铸铁的活塞，只有在大型的，底速的柴油机中、高压柴油机和热负荷教高的的二冲程柴油机中，由于考虑强度和耐磨性，仍有使用。当工作应力允许时可以使用磷灰铸铁，在更严重的负荷条件下，则用珠光体球磨铸铁或耐热钢。铝合金的优点和铸铁正好相反，铝合金比重小，约只有灰铸铁的 1/3，结构重量仅为灰铸铁的50%〜70%。因此惯性小，这对咼速发动机具有中大意义。铝合金的另一突出优点是导热性好，其热传导系数约为铸铁的 3~4倍。使活塞温度显著下降。铝活塞由于材料强度较差，而比重小，所以有必要也有可能加大断面，这就促进了温度场的均匀，减小活塞应力。铝活塞最高温度比铸铁活塞降低了100C左右。活塞温度降低，可以使发动机具有较高的充气系数，防止润滑油变质，改善活塞的工作条件。对汽油机来说，采用铝活塞是为提高压缩比、改善发动机创造了重要的条件。铝合金的缺点是温度升高时，强度和硬度下降很快线膨胀系数较大为了控制热变形使结构设计复杂化；此外，成本较高。铝合金一般可分为两大类：铝铜合金铝铜合金中最有名的使丫合金，它以AL-Cu-Ni-Mn系为基础,其高温强度（特别是疲劳强度）、导热性、延展性都很好，锻造性能也好，但比重大。尤其是热膨胀系数大，成本高，因此在铸造活塞中几乎不采用，仅在锻造活塞中尚有使用。铝硅合金铝硅合金中最有名的使含硅12%左右的共晶铝硅合金。因为它的膨胀系数较底，铝硅合金中，硅的作用是使膨胀系数和比重下降，耐磨性、耐蚀性硬度（直到共晶为止）。但硅使铝合金导热性下降，塑性减小，切削性和锻造性恶化。共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，即可用于汽油机，也可用于柴油机，既可铸造，也可锻造。含硅 9%左右的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广泛。随着发动机的强化，活塞的热负荷和机械负荷越来越高，要求发展线膨胀系数比共晶铝硅合金更小，耐热性更好的铝合金材料。这就导致了含硅18~23%的过共晶铝硅合金的应用。硅含量增加，使其膨胀系数继续减小，耐磨性和耐腐蚀性继续增加。它的主要缺点是工艺困难，因为超过共晶点以后，随着含硅量增加，铝硅合金熔点不断增高，也即结晶温度不断提高，使得铸造流动性变差，铸件易产生冷隔和缩孔。另外，含硅量的增加使合金容易产生偏析，粗大的初生硅使铸件变的又硬又脆，强度差，加工费刀，光洁度不好。但是通过添加0.01~0.05%磷的变质处理，能阻止硅从溶液中析出，从而使硅的析出温度下降，共晶点偏移，并使初生硅细化。中指，采取措施是能够改善过共晶硅合计能够偏析、脆硬及铸造流动性的。我国关于铝合金活塞的技术标准推荐采用铝硅系合金。为了使结晶细化，性能改善，还可以加入稀土合金。无论是车用汽油机，还是中小型柴机，均广泛采用共晶硅合金制造活塞。但过共晶硅合金也开始使用在、热负荷较大的柴油机上。铝合金活塞毛胚的最通常用生产方法时金属型铸造，保证毛胚尺寸精度较高，生产率高，成本底。为了保证起模方便，金属型心必须分成很多块，比较复杂且使用不耐久。所以，在设计活塞内腔形状时必须注意到型心制造方便。因为铝合金的收缩率较大，凝固时间场，又容易吸气，所以用这种仅有重力作用的铸造法时，有时会产生热裂、气孔、针孔及缩松等缺陷。为了得到优质的毛胚，可以采用压铸法。在强化发动机中，可以采用锻造铝合金活塞。在模锻时经理细化，呈流线型分布，同时晶粒发生塑性变形，且由于晶格错位增加了硬化作用，所以强度较高。锻造活塞由于小除了微孔，所以组织致密，导热性好，所以活塞温度可比铸造的低。锻造活塞的最高温度比铸造活塞的最高温度低 50C左右。锻造活塞的延伸率大，韧性好，对缓和应力集中很有利。但含Si多于18%的过共晶铝硅合金由于性脆，不适于锻造。锻造时往往会在活塞中造成很大的残余应力，所以锻造工艺，特别时终锻温度、热处理温度一定要合适。锻造活塞在使用过程中出现的裂纹大多数是由于残余应力引起的此外锻造对活塞结构形状的限制更多了，锻造成本也高，所以一般只用于高强化发动机。但由于锻造生产率高，机械加工量少，国外小客车上有是甚至也用锻造活塞。为了保证活塞的在使用中的尺寸稳定提高其强度、刚度、耐磨性，还必须对铝合金进行热处理，通过改善合金中硅的形态及祢散程度来提高综合机械性能。我国规定铝合金：铝合金活塞铸成厚加热到500~550C，保温3~5个小时，水淬，再加热到200C左右，保湿8~16个小时进行人工实效。热处理后常温硬度 HB90~104，在300C时不小于HB35,常温下抗拉强度极限》200牛顿/毫米2，300C时》80牛顿/毫米2常温下延伸率》0.5%随着淬水前活塞的加温铝合金固溶体中硅及镁溶解度大大增加，经淬水后成为过饱和固溶体，它是不稳定的。因此，在常温下坚硬的硅和 MgzSi不断自行在晶界面析出，从而强化了铝的机体，使铝合金的强度、硬度、耐磨性都有了很大的提高，称为祢散硬化，这是自然实效的结果。但是这种自然实效硬化速度太慢，生产周期太长，而且由于金相组织改变伴随尺寸变化，因而影响精加工后零件的尺寸的稳定性。因此淬

火后尚加热、保温，人为的加速硅等的析出，硬化铝机体，称为人工实效，并使金相组织和尺寸稳定。表2—1国内外几种活塞材料的成分和性能类别铝铜台金共晶铝硅台金过共晶硅铝台金牌号ZL3LD8LM14ZL8ZL966-1F132LM13KS281KS282国别'英~~美'英~-W4德成型方法~w~~w~~w~~w~~w~~w~化学成分{重量％>其余铝SiCuNiMgMnFeZnTi其他5~6.56〜7<0.30.3〜0.5<0.5<0.5<0.50.5〜1.21.9〜2.51.0〜1.51.4〜1.80.21.3~1.611〜12.51.5~2<0.50.4~10.5~0.9<0.8<0.2<0.211〜130.5~0.152~30.7~1.7<0.1<0.6<0.1<0.211〜121.5~20.5~0.80.35~0.45<0.75稀土Re0.5~0.158.5〜10.52~40.50.5~1.50.51.21.00.2511〜130.5~1.30.7~2.50.5~1.50.5~1.50.50.80.10.217〜190.8~1.50.8~1.20.8~1.3<0.2<0.7<0.2<0.2Cr<0.5Cr<0.5密度2.852.82.772.732.72.742.72.72.68弹性模数720007100080000720007500080000延伸率101.30.50.3~0.81~30.2~0.7硬度80851009512590~125导热率179134104117138~154125〜146抗拉强度160440263200200240~280252285200~250230〜30C310186100~150110〜14C线膨胀系数22.022.519.2317.1418.2319.223.121.4320.1420.0620.220.5~21.51.7~1.8

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，一般多用精选含圈3・2东凤EQ6100-1型发动机活塞连杆总咸1-第一道气环很-第二r三圈3・2东凤EQ6100-1型发动机活塞连杆总咸1-第一道气环很-第二r三道气环3-刮油环4油环衬环；5-活塞4活塞削；•活塞削锁环卜连杆钢化成分（%） : C0.37~0.45，Mn1.1~1.4,Cr<0.3,P和S<0.45,B0.001~0.005经850C油淬，500C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 I。它通常是用连杆比入=r/l来说明的，入值越大，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「 口I ||门□口图同时缩小。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。目前入值以大到1/3.2常用范围为「 口I ||门□口图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，但从入＞1/3.8的数值看，它的连杆还是相当长的当然从入=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、 Bi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Di=(1.2~1.35d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P作用下容易自由变形的那部分的角度2©相对应。©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P越小，固定角©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,zqsn10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 DDD，过盈太大会使材料屈JaJbJc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。一般青铜称套厶/di=0.0002~0.0015,粉末冶金称套△/di=0.0002~0.0015,粉末称套△/di=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，贝U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D、B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 S2趋于件减薄，汽车拖拉机用轴瓦S=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、H。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，B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D>(0.65〜0.7)D，这时平切口连杆一般已再也不能保证Bo<D的条件了。为了使连杆大头在卸下连杆盖以后仍然能从气缸中抽出，可以采用斜切口连杆。斜角在30°〜60°之间，大多为45°。某些V型发动机为了使曲轴箱外型更紧凑一些，也有采用斜切口连杆的。连杆采用斜切口连杆后带来的问题首先是必须相应增加两个螺栓孔之间的距离。因为这是要在连杆体上攻螺纹，而螺纹于大头孔之间应留有一定的壁厚。平切C/D=1.24〜1.31，斜切口连杆的C/D2=1.31 〜1.47。C值增大，对连杆盖、轴瓦以及螺栓本身受力都是不利的，连杆大头的刚度也比较差特别是连杆体的长插口远离主干，变形较大。其次，平切口连杆螺栓上精密加工的定位环带就是连杆体于连杆盖之间的对中定位元件。但是斜切口连杆在承受惯性力拉伸时，沿连杆体于连杆盖结合面方向作用这很大的横向力 PT=Psin书，使连杆螺栓承受减切力。为此，必须采用能承受其他较大剪力的定位元件，才能保证工作的可靠性。常用的定位方式有：止口定位。其工艺简单，杆体止口向内变形，这种盖于体都是单向定位，定位不可靠；止口易变形；止口因加工误差或装拆变形对大头孔影响较大；而且大头横向尺寸较大，不紧凑。95系列柴油机连杆采用这种定位方式。（2） 销套定位。连杆体于连杆盖上的定位孔要分别加工，且加工要求高，工艺复杂。孔距不准时易因过定位使大头孔严重失圆；大头横向尺寸大。故近来较少应用。（3） 锯齿定位。这是目前国内外广泛应用的一种结构。其定位可靠，尺寸紧凑，但尺槽加工精度较高，否则中间会有锯齿脱空，大大影响结合刚度，引起大头孔失圆。齿节公差应限制在0.05毫米，最好在0.01毫米以内，齿行角一般在60°〜90°,D<2.50毫米的柴油机，齿距在3〜6毫米范围内。这种齿槽用拉削加工比较理想，用铣削加工精度较差。锯齿定位时，结合面上下不能加垫片调整间隙，不便维修。（4） 舌槽（矩形单齿）定位。连杆体和盖上均有一舌一槽，它们是由同一把拉刀（带一舌一槽）加工成的，所以体与盖上的舌槽间的距离精度较高，定位可靠，尺寸紧凑。但其拆装不方便，且只有在采用拉刀加工是才能保证较高的定位精度。舌槽部位要注意减少应力集中。这种定位方式常用于柴油机上。上述（1）（3）（4）的定位方式中，一般还利用螺钉上的精密定位环带作轴向定位，有时也可另用销钉定位。为了提高连杆大头盖的刚度，使之在活塞连杆组惯性的载荷的作用下不产生很大的变形，连杆盖上都设有加强筋有单筋和双筋两类。单筋连杆毛胚可以于连杆一起模锻。一般应尽可能使两者的毛胚在一起锻出，以简化工艺过程。而冲程发动机的大头盖不受载荷，无须加强，，要注意减轻重量。连杆盖中央断面积于活塞面积之比，椐粗略统计 0.03〜0.04（汽油机）和0.04〜0.07（柴油机）。有的发动机连杆盖宽度小于体宽度，即 B3〈E2以改善连杆大头两侧面的润滑，同时也减轻重量。3.2.4杆身的设计及强度效核杆身也承受这交变载荷，可能产生疲劳破坏和变形，连杆高速摆动时的横向惯性力也会使连杆弯曲变形，因此杆身必须有足够的断面积，并消除产

生应力集中的因素，对工作可靠的发动机的统计表明，现代汽车的汽油机连杆杆身的平均断面积fm与活塞f压缩行程面 积f压缩行程Fm主=0.2〜Fp0.35,柴油机为0.03〜0.05。为了在较小的重量下取得较大的刚度，高速内燃机连杆杆身都是“工”字形的，而且其长轴因在连杆摆动平面的方向，其上下两头的连杆在摆动平面上下两端的连接相