柴油發電機連桿在工作時承受的三種作用力
柴油發電機連桿組的功用是連接活塞與曲軸,將活塞承受的燃氣壓力傳給曲軸,并和連桿配合,把活塞的直線往復運動變為曲軸的旋轉運動。
一、工作原理
連桿在工作時承受三種作用力:
(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時的慣性力。
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力。連桿或連桿螺栓一旦斷裂,就可能造成整機破壞的重大事故。如果剛度不足,使大頭孔變形失圓,大頭軸承的潤滑條件受到破壞,則軸承會發熱而燒損。連桿桿身變形彎曲,則會造成汽缸與活塞的偏磨,引起漏氣和竄機油。所以要求連桿在盡可能輕的情況下,保證有足夠的強度和剛度。
為保證連桿結構輕巧,且有足夠的剛度和強度,一般常用優質中碳鋼(如45號鋼)模鍛或滾壓成形,并經調質處理。中小功率內燃機連桿有采用球墨鑄鐵制造的,其效果良好,且成本較低。強化程度高的內燃機采用高級合金鋼(如40cr、40mnb、42crmo等)滾壓制造而成。合金鋼的特點是抗疲勞強度高,但對應力集中比較敏感,因此采用合金鋼制造連桿的時候,對其外部形狀、過渡圓角和表面粗糙度等都有嚴格要求。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燃機連桿,其抗疲勞強度接近于中碳鋼,并且其切削性能很好,對應力集中不敏感,制造成本低。
二、普通連桿
柴油發電機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。
1、連桿小頭:
連桿小頭的結構通常為短圓管形,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力集中。
2、連桿桿身:
連桿桿身一般采用“工”字形斷面,這是因為在材料斷面面積相等的條件下,其抗彎斷面模數最大,因此連桿可在最輕的情況下獲得最大的結構剛度和強度。
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,這兩部分用兩個或四個連桿螺栓連接。連桿大頭的剖分形式有平切口和斜切口兩種。剖分面垂直于連桿桿身中心線的稱為平切口。剖分面與桿身中心線傾斜成一定角度的稱為斜切口。
連桿組結構圖
二、v型連桿
v型內燃機左右兩側相對應的兩個汽缸的連桿,通常都裝在同一個曲柄銷上。按照兩個連桿連接方式的不同,可分為下列三種形式。
1、并列連桿:
相對應的左右兩缸的連桿, 一前一后地裝在同一曲柄銷上,如圖3-49所示。由于連桿的結構形式相同,因此可以通用,而且兩側汽缸的活塞連桿組的運動規律相同。其缺點是兩側汽缸的中心線沿曲軸軸向要錯開一段距離,因而曲軸的長度增加, 使曲軸剛度降低。
并列和主副連桿結構圖
2、主副連桿:
主副連桿又稱關節式連桿, 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。左右兩列對應汽缸的主副連桿及其中心線位于同一平面內。這種形式的優點是曲軸的長度不需加長,使曲軸剛度加強。缺點是連桿不能互換。副連桿對主連桿產生附加彎矩,以及左右兩列汽缸的活塞連桿組運動規律不同。
3、叉片式連桿:
左右兩列汽缸相對應的兩個連桿中,一個連桿的大頭做成叉形,另一個連桿的大頭插在叉形連桿的開擋內,稱為叉片式連桿。叉形連桿桿身的工字斷面的長軸位于垂直于擺動平面的平面內。其翼板伸到大頭的部分就成為叉形,這使片式連桿擺動時,在叉形連桿桿身上開槽的高度可以減小,因而強度有所提高。叉形連桿的優點是兩列汽缸中活塞連桿組的運動規律相同,曲軸的長度不需加長。缺點是叉形連桿大頭結構和制造工藝比較復雜,大頭的剛度也不夠高。
叉片式連桿結構圖
三、連桿軸承
柴油發電機組中的軸承以滑動軸承(又稱軸瓦) 為多,其中受力較大且具有重要作用的是連桿軸承和曲軸主軸承。它們的工作情況對無動柴油發電機組的可靠性、使用壽命等有很大影響。它們的工作情況和材料要求大致相同,因此在此一并介紹。
為了使軸瓦在工作中不致轉動或軸向移動,在軸瓦上沖出高出背面的定位凸鍵,在軸瓦裝人大頭孔中時,兩個凸鍵應分別嵌人連桿桿身和連桿蓋的相應凹槽中。有些軸瓦在內表面有淺槽,用以儲油以利潤滑。但實踐證明,開油槽的軸瓦承載能力顯著降低,因此受力大的軸瓦,如主軸承的下軸瓦最好不開槽。軸瓦的內外表面都經過精密加工,因此,不允許以任何不適當的手工方式加工(如銼連桿蓋、焊補合金等)。
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