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行業(yè)新聞/柴油發(fā)電機(jī)組
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活塞連桿組主要包括哪些零件和組成部分名稱
發(fā)布時間:2022-11-08 16:46:37  ▏閱讀:

 

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

 

摘要:活塞連桿組是柴油發(fā)動機(jī)中的重要部件之一,它的主要功用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而驅(qū)動發(fā)動機(jī)的工作。其原理是活塞連桿組能將汽缸燃料爆發(fā)產(chǎn)生的力矩,推動活塞上下運(yùn)動,并將此力通過活塞銷傳給連桿,推動曲軸旋轉(zhuǎn),這種往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動就可以通過曲軸對外輸出轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動。在發(fā)動機(jī)中,活塞連桿組的作用是至關(guān)重要的,下面康明斯公司在本文重點來講解一下它的功用、結(jié)構(gòu)及工作條件。

 

一、活塞連桿總成的作用

 

      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力傳遞給曲軸,其三維立體圖如1圖所示。在該總成上有若干個零件?;钊B桿總成由如下零件組成(如圖2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,發(fā)動機(jī)工作過程中往復(fù)運(yùn)動被傳遞給曲軸轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

      活塞連桿組的主要功用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在發(fā)動機(jī)中,活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動,而曲軸則是以旋轉(zhuǎn)的方式工作。因此,為了將活塞的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的運(yùn)動,需要使用活塞連桿組?;钊B桿組由活塞、連桿和曲軸組成,通過連桿將活塞與曲軸連接起來,從而實現(xiàn)將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

      活塞連桿組還具有平衡作用。在發(fā)動機(jī)工作時,活塞的往復(fù)運(yùn)動會產(chǎn)生慣性力,這會對發(fā)動機(jī)的平衡性產(chǎn)生影響。為了解決這個問題,活塞連桿組采用了對稱結(jié)構(gòu),使得活塞在往復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力能夠相互抵消,從而保證發(fā)動機(jī)的平衡性。

      活塞連桿組還具有傳遞動力的作用。在發(fā)動機(jī)工作時,活塞的往復(fù)運(yùn)動會產(chǎn)生壓縮和爆發(fā)力,這些力量需要通過活塞連桿組傳遞到曲軸上,從而驅(qū)動發(fā)動機(jī)的工作。因此,活塞連桿組的設(shè)計和制造質(zhì)量對發(fā)動機(jī)的性能和壽命有著重要的影響。

 

活塞連桿組三維立體圖.png

圖1  活塞連桿組三維立體圖

柴油機(jī)活塞連桿總成的零件圖.png

圖2  活塞連桿總成的零件圖

 

二、活塞功能、要求與工作條件

 

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)

① 活塞工作時,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)動機(jī)工作時瞬時產(chǎn)生的高溫燃?xì)?,其頂部最高溫度可達(dá)300℃~400℃,整個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,就會使?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?;钊趶?qiáng)烈的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷作用下,勢必引起活塞的熱變形和受力變形。

3、對活塞的要求

      必須將活塞總成設(shè)計成具有能夠在惡劣條件下工作的性能?;钊敳慨a(chǎn)生的溫度非常高,該熱量導(dǎo)致應(yīng)力和膨脹問題?;钊糠昼娚舷乱苿佣啻危@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)動機(jī),尤其是某些柴油機(jī)可能會使用鑄鐵活塞。這種情況,轉(zhuǎn)速就比較低。

4、活塞膨脹過程

      當(dāng)燃燒發(fā)生在活塞頂部時,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3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)動機(jī)的T形槽是另一種控制膨脹的方式。對于這種情況,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。

      凸輪形活塞也用來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的膨脹量,如圖4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,就會變圓。設(shè)計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。

 

柴油機(jī)活塞分開式裙部.png

圖3 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.png

圖4  柴油機(jī)活塞受熱變形狀態(tài)圖

 

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?;钊且豢盏匿X筒,它的頂部是封閉的,底部是敞開的。它裝配在發(fā)動機(jī)汽缸或缸套內(nèi),能夠在缸徑中交替上下移動?;钊腔钊h(huán)的支架。圖5、圖6所示為活塞的共用零件,包括如下:

(1)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)。

(2)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)計成活塞上的開槽。

(3)活塞頭:

      活塞頂面,在該表面上燃燒氣體產(chǎn)生壓力?;钊^可以是平的、凹的、凸的或不規(guī)則形狀的。

(4)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;在連桿上固定,在活塞上浮動;在連桿和活塞上全都浮動。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,這樣兩個零件在裝配過程中就必須通過壓力結(jié)合在一起。

(5)裙部:

      活塞銷孔上方第一個環(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°。

(6)止推面:

      承載活塞載荷的活塞裙部部分。

(7)氣環(huán)凹槽:

      在活塞周圈上開的凹槽,用來保持氣環(huán)。

(8)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。

(9)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。

 

柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)圖.png

圖5 柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)圖

活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計圖.png

圖6  活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

 

四、活塞部件的形狀

 

1、活塞頂

      活塞頭部形狀根據(jù)發(fā)動機(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)動機(jī)都使用平頂。這種頭部接近某些發(fā)動機(jī)的氣門,而發(fā)動機(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7表示了不同種類型的活塞頭部設(shè)計。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。

      活塞頂部承受高溫燃?xì)獾膲毫π枰凶銐虻膹?qiáng)度?;钊敵V瞥筛鞣N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8(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,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)動機(jī)變得盡可能小而且動力還要強(qiáng)勁已越來越重要。要達(dá)到這個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現(xiàn)??刹捎猛闲饺共?,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8(b)所示,這有助于活塞裙部在汽缸中上下移動時得到潤滑。不過,如果發(fā)動機(jī)過熱,潤滑油就會變薄,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。

 

柴油機(jī)活塞頂形狀圖.png

圖7  柴油機(jī)活塞頂形狀圖

柴油機(jī)活塞上部和裙部凹槽.png

圖8  柴油機(jī)活塞上部和裙部凹槽

 

五、活塞銷的作用和安裝

 

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,外形如圖9所示。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,又可在連桿小頭內(nèi)轉(zhuǎn)動,所以浮式活塞銷具有磨損均勻、構(gòu)造簡單、安裝方便、使用壽命較長的特點。

(1)為了防止銷子的軸向移動,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,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?;钊N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)是自由浮動的。如果采用全浮式活塞,需用兩個活塞銷鎖環(huán)將活塞保持在位。

(4)如圖10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?;钊N由高質(zhì)量的管形鋼制成?;钊N是有強(qiáng)度的且重量輕,活塞銷的外殼堅硬,長期耐磨。外殼堅硬意味著活塞銷的外表面變得堅硬,里面的金屬相對較軟。金屬變硬會使金屬很脆,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。

4、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?;钊N定位在距離較小止推力面較近的位置。由于運(yùn)動的方式改變了,所以活塞撞擊現(xiàn)象減少了。

 

活塞銷外形圖.png

圖9  活塞銷外形圖

柴油機(jī)止推力面嵌入活塞內(nèi).png

圖10  止推力面嵌入活塞內(nèi)

 

總結(jié):

      活塞連桿組是發(fā)動機(jī)中不可或缺的重要部件,它的主要功用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,同時還具有平衡和傳遞動力的作用。因此,在發(fā)動機(jī)的設(shè)計和制造過程中,需要充分考慮活塞連桿組的設(shè)計和制造質(zhì)量,以確保發(fā)動機(jī)的性能和壽命。

 


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