零件裝配與結(jié)構(gòu)組成
康明斯柴油機(jī)活塞連桿組零件圖和結(jié)構(gòu)說明
一、活塞連桿總成
柴油發(fā)電機(jī)的活塞連桿總成用來將燃燒過程中獲得的動(dòng)力傳遞給曲軸。在該總成上有若干個(gè)零件。活塞連桿總成由如下零件組成(如圖1所示):氣環(huán)、油環(huán)、活塞、活塞銷和鎖止環(huán)、連桿、軸承(襯套)、螺栓、軸承蓋、螺母。當(dāng)該軸承置于缸體內(nèi)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中往復(fù)運(yùn)動(dòng)被傳遞給曲軸轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖1 活塞連桿總成的零件圖
二、活塞功能與工作條件
(1)活塞的功能:活塞與汽缸、汽缸蓋組成工作室,并通過活塞銷和連桿向曲軸傳遞機(jī)械能。
(2)活塞的工作條件與結(jié)構(gòu)要求:
① 活塞工作時(shí),頂部要承受很高的爆發(fā)壓力。因此,要求活塞應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。
② 活塞承受高溫燃?xì)獾淖饔谩0l(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫燃?xì)猓漤敳孔罡邷囟瓤蛇_(dá)300℃~400℃,整個(gè)活塞的溫度分布又極不均勻,易產(chǎn)生熱應(yīng)力及疲勞熱裂現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)槽溫度超過220℃時(shí),就會(huì)使?jié)櫥妥冑|(zhì)或炭化,造成活塞環(huán)粘結(jié),失去彈性,使活塞迅速磨損以至破裂。
③ 活塞的往復(fù)慣性力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。活塞在強(qiáng)烈的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷作用下,勢(shì)必引起活塞的熱變形和受力變形。
三、活塞的組成及構(gòu)造
活塞由活塞頂、活塞上部(也稱防漏部)、活塞裙等部分組成,如圖2所示。活塞是一空的鋁筒,它的頂部是封閉的,底部是敞開的。它裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸或缸套內(nèi),能夠在缸徑中交替上下移動(dòng)。活塞是活塞環(huán)的支架。圖2所示為活塞的共用零件,包括如下:
環(huán)岸:頂環(huán)上部的活塞部分或者環(huán)槽之間的部分。環(huán)岸將活塞環(huán)限制并支撐在各自的環(huán)槽內(nèi)。
導(dǎo)熱槽:在某些活塞頂部開的窄槽,用來減少傳到頂環(huán)槽的熱量。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,該槽充滿了碳,從而減少了傳到頂環(huán)的熱量。導(dǎo)熱槽也可設(shè)計(jì)成活塞上的開槽。
活塞頭:活塞頂面,在該表面上燃燒氣體產(chǎn)生壓力。活塞頭可以是平的、凹的、凸的或不規(guī)則形狀的。
活塞銷:連桿上端和活塞之間的連接部件。這些連接可以有以下幾種形式:在活塞上固定,在連桿上浮動(dòng);在連桿上固定,在活塞上浮動(dòng);在連桿和活塞上全都浮動(dòng)。第3種形式需要用鎖止環(huán)將活塞銷固定在位。某些活塞銷和連桿通過過盈配合連在一起。過盈配合也稱作壓力配合,是一種連桿外徑和活塞銷內(nèi)徑相互干擾的配合。也就是說外徑比內(nèi)徑小,這樣兩個(gè)零件在裝配過程中就必須通過壓力結(jié)合在一起。
裙部:活塞銷孔上方第一個(gè)環(huán)槽和活塞底部之間的活塞部分。裙部形成了與缸壁接觸的支撐區(qū)域,并與活塞銷成90°。
止推面:承載活塞載荷的活塞裙部部分。
氣環(huán)凹槽:在活塞周圈上開的凹槽,用來保持氣環(huán)。
油環(huán)凹槽:在活塞周圈上開的凹槽,油環(huán)凹槽通常要比氣環(huán)凹槽寬。在油環(huán)的底部通常開有孔或槽以使?jié)櫥吐浠厍S箱。
活塞銷襯套:裝配在活塞銷和活塞之間的襯套。它作為支撐材料大多用在鑄鐵活塞上。該襯套也可位于連桿總成的小端,通常由銅制成。
圖2 柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)圖
① 活塞頂
活塞頭部形狀根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同而有所不同。頭部形狀用來產(chǎn)生擾流并改變壓縮比,通常,小型、低成本的發(fā)動(dòng)機(jī)都使用平頂。這種頭部接近某些發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門,而發(fā)動(dòng)機(jī)要求活塞上必須有為氣門留出的凹部區(qū)域。另一種類型的頭部稱作凸頂,用來增加壓縮比。盤形的頭部也能改變壓縮比。圖3表示了不同種類型的活塞頭部設(shè)計(jì)。當(dāng)然還可以采用其他類型的活塞頭部,但僅做某些特殊用途。
圖3 柴油機(jī)活塞頂形狀圖
活塞頂部承受高溫燃?xì)獾膲毫π枰凶銐虻膹?qiáng)度。活塞頂常制成各種形狀以滿足燃燒要求。為防止活塞由于熱膨脹而卡死在汽缸中,所以活塞的直徑必須小于汽缸直徑,以形成必不可少的膨脹間隙。為了減少活塞頂?shù)臒崃窟^多的向頭部傳遞,有的活塞在第一道氣環(huán)槽的上部制有隔熱槽。
② 活塞上部
活塞上部是用來安裝活塞環(huán)的。上面的2~3道環(huán)槽安裝氣環(huán),下面的1~2道環(huán)槽安裝油環(huán),油環(huán)槽的底面鉆有許多小孔,以便刮油環(huán)從缸壁上刮下的潤(rùn)滑油經(jīng)小孔流回油底殼。
活塞頭部的散熱問題是應(yīng)著重解決的問題。為了降低第一道活塞環(huán)的溫度,有些柴油發(fā)電機(jī)活塞的第一道氣環(huán)上面還有一道絕熱槽(有些稱避熱槽),如圖4(a)所示。
③ 活塞裙(也稱導(dǎo)向部)
活塞頭的下部叫活塞裙,主要是引導(dǎo)活塞在汽缸內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng),并把連桿的側(cè)向力傳給汽缸壁,所以應(yīng)有足夠的承壓面積。
活塞裙的上部有活塞銷孔,活塞銷裝在銷孔內(nèi),為增強(qiáng)活塞銷孔的強(qiáng)度,在銷孔的內(nèi)端沿孔的周圍制有加強(qiáng)筋,以形成銷座。
自20世紀(jì)70年代以來,使發(fā)動(dòng)機(jī)變得盡可能小而且動(dòng)力還要強(qiáng)勁已越來越重要。要達(dá)到這個(gè)目的的一種方法就是使活塞連桿的高度保持最小,這可以通過縮短連桿來實(shí)現(xiàn)。可采用拖鞋式裙部,去掉活塞裙部部分使曲軸上的平衡重碰不到活塞。這種設(shè)計(jì)就意味著曲軸中心和活塞頂部之間能有較小的距離。由于缸徑和沖程仍保持原樣,所以發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不受影響。
④ 裙部最終加工面
裙部表面有些粗糙,裙部上加工有小凹槽以使?jié)櫥驮诎疾蹆?nèi)傳遞,如圖4(b)所示,這有助于活塞裙部在汽缸中上下移動(dòng)時(shí)得到潤(rùn)滑。不過,如果發(fā)動(dòng)機(jī)過熱,潤(rùn)滑油就會(huì)變薄,從而可能導(dǎo)致活塞過度磨損。某些活塞的裙部上具有浸硅表面,浸硅(硅顆粒嵌入到活塞的外表面內(nèi))有助于減少裙部與缸壁之間的摩擦。
圖4 柴油機(jī)活塞上部和裙部凹槽
⑤ 對(duì)活塞的要求
必須將活塞總成設(shè)計(jì)成具有能夠在惡劣條件下工作的性能。活塞頂部產(chǎn)生的溫度非常高,該熱量導(dǎo)致應(yīng)力和膨脹問題。活塞每分鐘上下移動(dòng)多次,這就產(chǎn)生了高壓和應(yīng)力。為了解決這些情況,大多數(shù)活塞都是由鋁制成的。鋁制活塞比較輕。不過,某些大型發(fā)動(dòng)機(jī),尤其是某些柴油機(jī)可能會(huì)使用鑄鐵活塞。這種情況,轉(zhuǎn)速就比較低。
⑥ 活塞膨脹
當(dāng)燃燒發(fā)生在活塞頂部時(shí),某些熱量通過活塞體向下傳遞,這就使活塞膨脹。如果膨脹過大,活塞就可能將汽缸磨損壞。為了補(bǔ)償膨脹,老式活塞就有一分開式的裙部,如圖5所示。當(dāng)活塞裙部膨脹,開槽就靠緊而不增加尺寸。用于老式發(fā)動(dòng)機(jī)的t形槽是另一種控制膨脹的方式。對(duì)于這種情況,t形槽阻止熱量從頭部到裙部的傳遞,也使膨脹發(fā)生在開槽內(nèi)部。
某些發(fā)動(dòng)機(jī)采用鋼環(huán)。鋼環(huán)與鋁環(huán)的膨脹量不一樣。鋼環(huán)具有調(diào)節(jié)膨脹或?qū)⑴蛎浟拷档椭磷钚〉膬?yōu)點(diǎn)。
凸輪形活塞也用來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹量,如圖6所示。活塞的基體呈凸輪形或雞蛋形。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)過程中活塞受熱,就會(huì)變圓。設(shè)計(jì)此種活塞的目的是使最大膨脹量發(fā)生在尺寸b上,而尺寸a仍保持不變。
圖5 柴油機(jī)活塞分開式裙部
柴油機(jī)活塞受熱變形狀態(tài)圖
四、活塞銷
1、活塞銷作用
活塞銷是用來連接活塞和連桿的,并把活塞所承受的力傳給連桿。裝配后,它的兩端支承在活塞銷座孔中,中部穿過連桿小頭孔與連接桿小頭襯套配合工作。
2、活塞銷工作條件
活塞銷在高溫下承受很大的周期性沖擊負(fù)荷,而且潤(rùn)滑條件較差,因此要求強(qiáng)度高而且表面耐磨。為了減小往復(fù)慣性力,還要求質(zhì)量輕。所以活塞銷采用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼,制成空心管狀,經(jīng)滲碳淬火提高表面硬度,最后進(jìn)行研磨。
3、活塞銷安裝方法
活塞銷安裝的方法有固定和浮式兩種。
現(xiàn)代大多數(shù)柴油發(fā)電機(jī)都采用浮式活塞銷,這種活塞銷既可在銷座內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),又可在連桿小頭內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),所以浮式活塞銷具有磨損均勻、構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便、使用壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)。
(1)為了防止銷子的軸向移動(dòng),在活塞銷座兩端的凹槽中放有卡環(huán),進(jìn)行軸向定位。多數(shù)柴油發(fā)電機(jī)的活塞銷都采用激濺潤(rùn)滑。
(2)由于活塞銷孔的膨脹系數(shù)大于活塞銷,所以安裝活塞銷時(shí),應(yīng)先將活塞放在溫度為70℃~90℃的水或油中加熱,然后把銷子壓入銷孔內(nèi)。
(3)活塞銷是用來將活塞連接到連桿上。活塞銷可以是壓進(jìn)去的,也可以是全浮式的。如果采用壓力配合的活塞銷,它是壓進(jìn)連桿內(nèi)的,在活塞內(nèi)是自由浮動(dòng)的。如果采用全浮式活塞,需用兩個(gè)活塞銷鎖環(huán)將活塞保持在位。
(4)如圖7所示,較大和較小的止推力面嵌入在活塞內(nèi)以吸收活塞的推力。活塞銷由高質(zhì)量的管形鋼制成。活塞銷是有強(qiáng)度的且重量輕,活塞銷的外殼堅(jiān)硬,長(zhǎng)期耐磨。外殼堅(jiān)硬意味著活塞銷的外表面變得堅(jiān)硬,里面的金屬相對(duì)較軟。金屬變硬會(huì)使金屬很脆,并且使活塞銷更易斷裂。里面較軟的金屬能夠防止活塞銷開裂,而外側(cè)較硬的金屬可以降低表面磨損。
止推力面嵌入活塞內(nèi)
(5)活塞銷的偏心。
為了消除活塞撞擊,活塞銷的定位要偏離中心。活塞銷定位在距離較小止推力面較近的位置。由于運(yùn)動(dòng)的方式改變了,所以活塞撞擊現(xiàn)象減少了。
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