连杆小头和杆身的结构设计与计算

2017-06-21  来自: 河南省项城市华兴连杆厂 浏览次数:270

连杆小头的结构形状取决于活塞销的尺寸大小及其连接方法。典型的连杆小头结构形式见图4-4。汽车发动机主要采用全浮式活塞销。活塞销工作时在连杆小头和活塞销孔里转动。在高速汽油机上,连杆小头多采用半浮式活塞销结构活塞销直径较小。

连杆小头设计是确定它的结构尺寸和润滑方式。小头孔直径尺寸d1和宽度B1已在活塞组设计中确定,一般汽油机 B1=(1.2~1.4)d1 ,柴油机月 B1≈d1 。dl和Bl设计的合理性以它的承载面比压来判定。

式中 Pz ——燃烧爆发压力,N。

对一般汽车发动机,q的许用值为62N/mm2,高强化发动机为85~90N/mm2。当比压大时,可将小头设计成上小下大的楔形或梯形结构(图4—5)。

小头外径d一般比孔径d1大20%~35% ,即d=(1.2~1.35)dl。小头外径中心向上下各偏心e,以加强结构尺寸并减轻质量,推荐e=(0.02~0.04)D。

通常在连杆小头顶部或侧面设有平衡去重凸块(图4—6),用以调整连杆质量或改变连杆质心位置。连杆小头到杆身的过渡部分是连杆应力集中的部位。为缓和应力集中,可增加小头到杆身的过渡半径或采用二三个圆弧过渡。半浮式连杆小头与活塞销的固定,大多数采用过盈配合方式,但也有采用螺栓连接的方式(图4—7)。

对连杆小头孔及活塞销的润滑,通常采取在连杆小头孔钻孔的方式,例如CA6110、CA6102、CA488等机型,或在小头处铣槽(如CA15),来收集飞溅润滑的油雾。对高速强化柴油机采用强制润滑手段,在连杆杆身设有油道对小头和活塞顶部内腔喷油冷却。对工况苛刻的高速汽油机也有在杆身钻油道孔向小头供油冷却活塞的,例如捷达发动机连杆。

②连杆小头的计算

1)连杆小头的受力

对全浮式连杆,衬套以过盈压人小头孔中。若衬套材料的线膨胀系数比连杆的线膨胀系数大,随着温度升高,过盈增大,小头断面中的应力也增大。由装配和温升过盈所引起的载荷为静 载荷,它不随负荷大小变化。半浮式连杆小头的静载荷只由装配过盈决定。

连杆小头在工作中还承受活塞组惯性力的拉伸和去掉惯性力后气压力的压缩,是交变的工作载荷。连杆小头应采用大应力幅工况作为计算工况。

2)连杆小头的应力、安全系数及刚度计算由衬套过盈装配及温升产生的应力,按两个过盈配合的薄壁圆筒在两个配合表面上产生径向均布压力来对待。由最大拉伸载荷及最大压缩载荷所引起的小头应力大小及其分布,现在都采用有限元方法计算。小头的疲劳安全系数计算是按在连杆有限元计算中选取小头处不同载荷时的最大应力 σmax 一和最小应力 σmin ,计算出应力幅 σa 和平均应力 σm ,再求出安全系数n的步骤进行的

式中 σ-1z ——材料在对称情况下的拉压疲劳极限;

碳钢的 σ-1z=(2.0—2.5)X102N/mm2 ;

合金钢的 σ-1z=(2.5~3.5)X102N/mm2 ;

——工艺系数,=0.4~0.6 ;

——角系数(表示平均应力对脉动部分的影响),取0.2。

对安全系数n一般取为1.5~2.5。

连杆小头应有足够的刚度。根据使用经验,由拉伸载荷引起的小头横向直径收缩量δ 应小于轴承间隙的一半以上。δ可按以下半经验公式计算(见图4—3)

式中Pj——小头最大拉仲载荷,N;

dm——小头的平均直径,mm;

φ——小头固定角,(·);

E——连杆材料的弹性模数

对于钢,

I——小头断面惯性矩;

I=B1h3/12,mm4。

(3)连杆杆身的结构设计与计算

①杆身结构设计

现代高速内燃机连杆杆身断面都采用“工”字形,它适用于模锻,且刚度大、质量轻。“工”字形断面见图4—8,它的平均相对高度H/D=0.2~0.3 (汽油机)或H/D=0.3~0.4(柴油机);高宽之比H/B=1.4~1.8。B值可按下面经验公式选取:

式中 D——气缸直径,mm;

S——行程,mm。

连杆杆身在摆动平面内上下两端连接为铰接,在垂直摆动平面内是两端固定。两端固定的平面稳定性好。为使连杆在相同载荷下,两个平面的稳定性相同,应使断面惯性矩 Ix≈4Iy,为使连杆在摆动平面内有较大的抗弯能力,则可采用lx=(2~3)ly。考虑到连杆的弯曲应力,则把杆身断面的H值从小头到大头逐渐加大,一般取Hmax/Hmin≈1.3 。在杆身与大小头的连接处尽量采用大圆弧过渡,以缓和应力集中。

②杆身应力与安全系数

连杆杆身在不对称的交变循环载荷下工作,它受到位于计算断面以上作往复运动质量的惯性力拉伸,又受到爆发压力和惯性力差值的压缩。杆身的应力幅值σa 只取决于气缸压力,惯性力只影响平均应力σm。所以计算工况为最大扭矩工况。

连杆由纵向弯曲造成的附加应力不大于10%~15%。CA488连杆杆身最小断面的安全系数为1.3,这是美国通过试验得出负荷而计算的安全系数。按传统计算方法得出的安全系数为1.33,此安全系数值对轻型货车,使用负荷大部分在80%左右,经常处于大负荷工况下工作,连杆易出现断裂。所以应加大CA488连杆杆身尺寸,但加大的尺寸只控制在图纸规定的上限。连杆杆身的尺寸修改后,称为改进型连杆。对改进前后的连杆作静拉伸试验,改进型连杆的断裂负荷为131kN,原设计连杆称为基本型连杆,其断裂负荷为127.5kN。改进前后的断面尺寸见图4-9。CA488连杆杆身安全系数计算见表4—2。


关键词: 连杆小头和杆身的结构设计与计算           

扫一扫访问移动端