汽車發(fā)動機活塞、連桿組件講座

汽車關鍵零部件發(fā)動機活塞、連桿組件一、概述活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸瓦等組成，如以下圖所示。活塞活塞、連桿組件二、活塞活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉，活塞頂部還是燃燒室的組成局部。工作條件：活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2500K以上，因此，受熱嚴重，而散熱條件又很差，所以活塞工作時溫度很高，頂部高達600～700K，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是作功行程壓力最大，汽油機高達3～5MPa，柴油機高達6～9MPa，這就使得活塞產生沖擊，并承受側壓力的作用；活塞在氣缸內以很高的速度(8～12m/s)往復運動，且速度在不斷地變化，這就產生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷?；钊谶@種惡劣的條件下工作，會產生變形并加速磨損，還會產生附加載荷和熱應力，同時受到燃氣的化學腐蝕作用。1.功用、要求與構造：要求：(1)要有足夠的剛度和強度，傳力可靠；(2)導熱性好，耐高壓、耐高溫、耐磨損；(3)質量小，重量輕，盡可能減小往復慣性力。構造：活塞可分為三局部，活塞頂部、活塞頭部和活塞裙部。1〕活塞頂部活塞頂部承受氣體壓力，它是燃燒室的組成局部，其形狀、位置、大小都和燃燒室的具體形式有關，都是為滿足可燃混合氣形成和燃燒的要求，其頂部形狀可分為四大類，平頂活塞、凸頂活塞、凹頂活塞和成型頂活塞。平頂活塞頂部是一個平面，結構簡單，制造容易，受熱面積小，頂部應力分布較為均勻，一般用在汽油機上，柴油機很少采用。凸頂活塞頂部凸起呈球頂形，其頂部強度高，起導向作用，有利于改善換氣過程，二沖程汽油機常采用凸頂活塞。凹頂活塞頂部呈凹陷形，凹坑的形狀和位置必須有利于可燃混合氣的燃燒，有雙渦流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。2〕活塞頭部活塞頭部指第一道活塞環(huán)槽到活塞銷孔以上局部。它有數道環(huán)槽，用以安裝活塞環(huán)，起密封作用，又稱為防漏部。柴油機壓縮比高，一般有四道環(huán)槽，上部三道環(huán)槽安裝氣環(huán)，起密封作用，最下一道環(huán)槽安裝油環(huán)，起潤滑作用；汽油機活塞一般有三道環(huán)槽，上面兩道環(huán)槽為氣環(huán)槽，最下一道環(huán)槽為油環(huán)槽。在油環(huán)槽底面上鉆有許多徑向小孔，使被油環(huán)從氣缸壁上刮下的機油經過這些小孔流回油底殼。第一道環(huán)槽工作條件最惡劣，一般應離頂部較遠些。活塞頂部吸收的熱量主要也是經過防漏部通過活塞環(huán)傳給氣缸壁，再由冷卻水傳出去。總之，活塞頭部的作用除了用來安裝活塞環(huán)外，還有密封作用和傳熱作用，與活塞環(huán)一起密封氣缸，防止可燃混合氣漏到曲軸箱內，同時還將(70～80)%的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁。3〕活塞裙部活塞裙部指從油環(huán)槽下端面起至活塞最下端的局部，它包括裝活塞銷的銷座孔。活塞裙部對活塞在氣缸內的往復運動起導向作用，并承受側壓力。裙部的長短取決于側壓力的大小和活塞直徑。所謂側壓力是指在壓縮行程和作功行程中，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。壓縮行程和作功行程氣體的側壓力方向正好相反，由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力，所以，作功行程中的側壓力也大大高于壓縮行程中的側壓力〔見以下圖〕?；钊共砍惺軅葔毫Φ膬蓚€側面稱為推力面，它們處于與活塞銷軸線相垂直的方向上。2.活塞的變形及采取的相應措施：〔1〕變形原因：熱膨脹、側壓力和氣體壓力?！?〕變形規(guī)律及結構措施

1〕活塞的熱膨脹量大于氣缸的膨脹量，使配缸間隙變小。因活塞溫度高于氣缸壁，且鋁合金的膨脹系數大于鑄鐵；

2〕活塞自上而下膨脹量由大而小。因溫度上高低低，壁厚上厚下薄；3〕裙部周向近似橢圓形變化，長軸沿銷座孔軸線方向。因銷座處金屬量多而膨脹量大，以及側壓力作用的結果。為了使裙部兩側承受氣體壓力并與氣缸保持小而平安的間隙，要求活塞在工作時具有正確的圓柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷座孔局部的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外，裙部承受氣體側壓力的作用，導致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大。這樣，如果活塞冷態(tài)時裙部為圓形，那么工作時活塞就會變成一個橢圓，使活塞與氣缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在氣缸內卡住，發(fā)動機就無法正常工作。因此，在加工時預先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向。這樣活塞工作時趨近正圓?；钊馗叨确较虻臏囟群懿痪鶆?，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形?；钊^部形狀示意圖錐形裙部活塞示意圖現代發(fā)動機活塞已普遍開展為中凸變橢圓型面，其縱剖面廓形為中凸的指數或冪函數，橫截面的廓形大都采用橢圓的2階近似曲線或橢圓—偏心(正)圓等的組合曲線。設計橢圓形裙部的目的是防止熱態(tài)時活塞沿銷軸方向的過度膨脹，從而卡死在氣缸內。中凸活塞各橫截面的橢圓度可以相同，也可以是變化的，分為等橢圓度和變橢圓度兩種。所謂等橢圓度是橢圓長軸與短軸之差沿活塞裙高度無變化。采用變橢圓度時，活塞橢圓度一般是沿著裙高從底到高，從大到小按線性規(guī)律變化。采用漸變橢圓的主要目的是使活塞在受載狀態(tài)時，上下接觸面接近等寬。3.活塞材料：隨著發(fā)動機向高速度、低能耗方向開展，采用優(yōu)異的活塞材料尤為重要。目前車用發(fā)動機活塞材料以鋁合金為主，其他還有鑄鐵、鑄鋼、陶瓷材料等。鋁合金的突出優(yōu)點是密度小，可降低活塞質量及往復運動的慣性，因此鋁合金活塞常應用于中、小缸徑的中、高速發(fā)動機上。與鑄鐵活塞相比，鋁合金活塞異熱性好，工作表而溫度低，頂部的積炭也較少。鑄鐵材料的金屬基體以珠光體為宜，其中所含的石墨為片狀、點狀或球狀。發(fā)動機活塞用鑄鐵還應具有晶粒度的穩(wěn)定性、抗熱裂以及抗腐蝕一疲勞損傷的性能。試驗說明:具有細小彌散的金屬基體和石墨的鑄鐵，尤其是含有Cr,Ni,Mo,V,Cu等合金元素的合金鑄鐵，具有較好的綜合性能，其中球墨鑄鐵活塞強度最高。陶瓷是用于汽車發(fā)動機上的新材料，具有質量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強度高等優(yōu)點。全陶瓷活塞目前還無成功的應用實例，但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動機上得到一定的應用。4.活塞的工藝特點及定位裝夾形式：活塞主要外表尺寸及各外表間的相互位置精度要求較高;在加工后還要求保證活塞裙部及頂部的壁厚均勻。上述特點與要求，使得活塞機械加工比較困難，其加工工藝特點主要有以下幾方面:1.活塞壁薄，徑向剛度差，假設按一般回轉體零件加工，在夾緊力和切削力影響下很容易變形，所以在制訂工藝及選擇設備時，應同時注意夾壓點及裝夾方式的選用。2.活塞加工面較多，不僅各加工面尺寸精度要求較高，而且相互位置精度要求也較高，因此在考慮工藝時，應正確選擇定位基準面，以減少因定位基準變換而引起的加工誤差。同時，選用設備時，盡量選用多刀或多工位加工機床，以減少裝夾次數。3.活塞銷孔尺寸及形狀精度要求很高，粗糙度要求很低，故一般采用鏜削加工。4.由于活塞壁薄、剛性差，為防止切削力過大而引起變形，在加工時，進刀量要小，切削速度要高。同時，重要外表(銷孔、裙部外圓)的精加工要放在最后進行?；钊墓に囂攸c決定了其定位裝夾形式，其主要定位裝夾形式如下表所示：定位裝夾方式適用加工范圍特點止口定位+銷孔夾緊活塞頂面、頭部、裙部外圓特征的加工優(yōu)點:1.由于活塞內腔不加工，因此采用內止口定位可保證各外表面(活塞頂部、頭部環(huán)岸外圓、裙部外圓)加工后，活塞壁厚均勻；2.定位形式簡單可靠，適用范圍廣；3.便于實現定位基準統(tǒng)一，減小基準變化的誤差。缺點:1.止口僅作為基準使用，使活塞加工量變大；2.止口加工精度、位置度要求高，加大了加工難度；3.止口一旦誤差變大，影響后序大部分加工的精度，存在批量廢品風險。止口定位+頂面(中心孔)夾緊頂面、頭部、裙部外圓特征的加工止口+銷孔(預)定位+頂面夾緊銷孔部位特征的加工頭部外圓定位及夾緊環(huán)槽、裙部外圓、止口、銷孔、內腔特征的加工優(yōu)點:1.可以實現定位基準與設計基準的統(tǒng)一，如能保證壓縮高(銷孔中心線到活塞頂部的尺寸)的要求；2.適用于高效率活塞加工自動線的定位裝夾。缺點:1.要求毛坯均勻的壁厚，加大了鑄造難度；2.不適用于頂部有凸緣的活塞；3.對機床本身有較高的定位精度要求；4.容易引起活塞變形。銷孔定位及夾緊銷孔部位特征的加工優(yōu)點:1.易于保證加工特征與銷孔的位置精度；缺點:1.對銷孔的粗加工精度要求較高；2.只能單孔逐一加工，增加了裝夾次數。由于采用止口(及其輔助)定位配合以銷孔或活塞頂面(中心孔)的裝夾方式簡單可靠、應用范圍廣、可實現定位基準的統(tǒng)一，同時能保證活塞的各種位置精度，目前國內外活塞行業(yè)的加工廣泛采用這種定位方式。絕大多數的柴油機活塞頂部都有各種形狀的凹坑，稱為燃燒室。局部活塞還具有氣門坑及其開口等結構。因此，頂部加工特征一般包括:頂面、燃燒室、氣門坑、氣門坑開口等。如以下圖所示。1〕活塞頂部加工特征活塞頂面粗糙度一般為μm，與止口的平行度一般為0.015mm，在加工中一般需要粗、精兩次加工來完成，粗加工余量一般為1mm，精加工余量一般為0.4mm。從活塞銷孔中心線到活塞頂面的距離稱為壓縮高，該距離影響發(fā)動機的壓縮比，在精加工頂面時需要保證該尺寸。燃燒室一般為回轉體形狀，其素線由方向、半徑不同的圓弧與直線圓滑連接而成，燃燒室精加工需要保證燃燒室的粗糙度一般為Ra3.2μm?；钊饕话闱闆r下鑄造有燃燒室凹坑，需要粗、精兩次加工完成，燃燒室的粗加工與精加工余量與頂面根本相同。也有個別活塞鑄造成平頂，此時的燃燒室需要粗、半精、精加工三次加工才能完成，因此在進行工藝分析時需要判斷是否鑄造有凹坑。而氣門坑及其開口由于余量較小一般一次加工至成品尺寸。根據頂面與燃燒室的加工特征及其定位方式，一般采用車削加工，而氣門坑及其開口一般采用銑削加工。2〕活塞頭部加工特征鐵環(huán)槽為距離頂部最近的環(huán)槽，承受的燃氣溫度最高、沖擊力也最大?；谶@一原因，該環(huán)槽一般兩槽側具有一定的斜度，以便于與密封環(huán)更好地接觸，防止高壓燃氣串到裙部。鐵環(huán)槽傾斜側面的加工具有波紋度要求，其基準直徑、粗糙度都有一定的要求，且高鎳鑄鐵由于具有“粘性〞加工特征，加工一般至少需要粗加工、精加工兩次加工完成，粗加工加工出鐵環(huán)及環(huán)槽形狀并為精加工留出0.3～O.5mm余量。鋁環(huán)槽槽側為直槽，對槽側的粗糙度、槽側與活塞中心線的垂直度、槽側的直線度以及槽側的平面度等都有較高的加工要求，而且鋁環(huán)槽的加工余量比較大、容易加工變形，因此一般至少分為粗、精兩次加工來完成，粗加工加工出形狀，給精加工留下0.1～0.2mm的余量。由于加工鑄鐵環(huán)槽時產生較大的切削力和熱量，容易引起鋁環(huán)槽的形狀誤差和變形，因此需要把鋁環(huán)槽的加工放在鐵環(huán)槽精加工之后進行。3〕活塞裙部加工特征4〕活塞銷座孔加工特征表：某典型活塞原加工工藝流程及工序時間表工序工序內容設備數量設備型號工序時間(S)備注工序時間利用率1粗車頭部外圓1BHC-4604866.672粗車止口1BHC-1112331.943粗車外圓及頂面1BHC-61505272.224精車止口1BHC-1123142.065粗鏜銷孔1BHT-1046雙工位31.946粗精車鐵環(huán)槽、倒角1BHC-2072100.007粗精車鋁環(huán)槽1BHC-50A4359.728半精車外圓1BHC-1132636.119半精鏜銷孔1BHT-2044雙工位30.5610車卡簧槽、外倒角1BHC-1152636.1111車銷孔內倒角1BHC-1151216.6712粗車燃燒室1BHC-61254866.6713精車燃燒室1BHC-61254258.3314精車外圓2BHC-249263.8915精鏜銷孔1BHT-304866.6716精車頂面1BHC-1143244.445.關鍵工序加工與裝備：目前，國內活塞制造行業(yè)通常是由通用機床和結合活塞工藝特點的專用設備組成機加工生產線，因此，專用設備就成為活塞切削加工的關鍵設備，其功能和精度將直接影響最終產品的關鍵特性的質量指標。1〕活塞異型外圓加工趨向于無靠模數控化非圓截面零件的切削加工一直受到人們的關注，先后推出了多種加工工藝方法。從成形機理分析，可將現有的非圓截面零件加工工藝方法分為機械運動合成法、靠模仿形法以及數控加工成形法幾種類型機械運動合成法是通過對工件多個方向切削運動的合成，形成非圓零件截面。根據運動合成的機構不同，又有套車法、偏心法、周轉輪系法等非圓截面零件的車削方法。1〕機械運動合成法(1)套車法套車法是一種專門針對橢圓截面零件車削加工的工藝方法。該方法的成形原理如以下圖所示，車刀的回轉軸線相對于工件軸線擺動一個口交角，車刀繞自身軸線高速回轉以形成主切削運動，這樣通過調整刀盤的直徑d和擺動角口的大小，便可加工出滿足長短徑要求的橢圓截面來，可獲得較高的加工效率與加工精度。套車法成形原理2)偏心法偏心法成形的刀具運動驅動機構如以下圖所示，它是個曲柄滑塊機構，連桿的兩端分別與偏心輪和刀架聯(lián)接，相對于機床主軸按傳動比i進行轉動，通過調節(jié)偏心距的大小獲取所需的刀具切削運動軌跡。偏心輪驅動機構原理圖當工件隨主軸回轉時，刀具的運動軌跡方程為：式中：e—偏心距；θ—偏心輪角位移；，l—連桿的長度；n—主軸的轉速；i—主軸與偏心輪之間的傳動比；t—時間。加工后所得到的工件截面向徑R(θ1)為式中：r0—為非圓零件基圓半徑；θ1—主軸角位移。3〕周轉輪系法周轉輪系加工非圓截面方法的成形原理如以下圖所示，設輪4裝在輪H上，其軸心偏心為e，它一方面繞軸O2以ωH角速度公轉，另一方面又在輪5的作用下以角速度ω4繞自身中心O1旋轉。當工件與輪4同軸旋轉時，通過調節(jié)O1軸的偏心距e以及角速度ωH、ω4便可加工出所需的非圓截面零件。周轉輪系加工非圓截面方法的成形原理從而可見，上述幾種機械運動合成法非圓截面零件加工工藝方法，可以獲得較高的生產效率和加工精度。然而，這些加工成形方法均需要專用的機床機構，進給運動形式是由這些運動機構來保證，加工設備的制造本錢高；柔性較差，一種機構只能加工一類非圓截面零件，難以滿足多品種小批量生產的需要。4〕靠模仿形法靠模仿形法是利用靠模來控制車刀與工件的相對運動，以形成所需的非圓截面零件外表形狀，如圖1-6所示?？磕７滦畏ㄅc機械運動合成車削法相比，用靠模仿形實現非圓截面零件的成形加工具有以下特點：1)適應的加工范圍較廣。對于不同的非圓截面零件，只需更換靠模便可進行車削加工，因此靠模仿形法能完成多種非圓截面零件的車削加工。2)可實現大進給量的切削，具有較高的加工效率。3)適合于非圓截面零件的粗、精加工。由于此類加工方法需要凸輪靠模來控制刀具的切削運動，其機械結構復雜，因而也存在如下的缺乏：1)響應速度低，不適合于非圓截面零件的高速切削。2)機械結構環(huán)節(jié)較多，各環(huán)節(jié)的制造與裝配誤差及其剛性均影響到非圓截面零件的車削加工精度。3)更換零件類型需要重新進行靠模的設計，而靠模的生產準備周期較長，不利于產品的更新。4)難以用靠模法難以加工出復雜的非圓截面零件。5〕數控加工成形法在我國，對非圓截面零件的研究也取得了較大進展，并且研制出相應的數控NC設備。由上述可見，數控機床的問世解決了傳統(tǒng)工藝難以解決的復雜零件加工問題，它通過自動化加工手段，改變了傳統(tǒng)工藝制造周期長、生產效率低的局面。同時，數控柔性化加工設備能夠滿足多品種、小批量生產的自動化，大大提高了對市場的響應能力。a)非圓截面車削進給運動軌跡非圓截面零件車削加工如右以下圖所示，工件的橫截面形狀確定了刀具的徑向進給運動。加工過程中，車刀刀尖距工件回轉中心的距離x(t)必須滿足以下公式時，才能加工出所需的非圓截面形狀。非圓車削加工3)高剛性和高精度的機床結構在切削加工過程中，機床本身的運動精度、幾何精度以及機械系統(tǒng)的剛性都將直接或間接地影響非圓截面零件的加工質量。要獲得較高的零件加工精度，首先需要保證機床本身的精度和系統(tǒng)剛性。凸變橢圓數控車床STC3675數控活塞外圓車床1.概述連桿是內燃機中重要的傳動零件之一，其作用是連接活塞與曲軸，將作用在活塞上的力傳給曲軸，使活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，對外輸出做功。連桿小端工作時作往復運動，大端作旋轉運動，桿身作復雜的平面運動，因此連桿的受力情況十分復雜。三、連桿2.構造與要求連桿部件由連桿體，連桿蓋和螺栓、螺母等組成，如右圖所示。

在發(fā)動機工作過程中，連桿要承受膨脹氣體交變壓力和慣性力的作用，連桿除應具有足夠的強度和剛度外，還應盡量減小連桿自身的重量，以減小慣性力。連桿自身的橫截面為工字形，從大頭到小頭尺寸逐漸變小。(1)小頭襯套底孔的精度為7級公差等級，外表粗糙度值不大于Ra1.6μm。小頭襯套孔相當于6級公差等級，外表粗糙度值不大于Ra0.8μm，常按孔徑用分組互換法與活塞銷分組裝配，孔的圓柱度在直徑公差的一半以內。(2)在大頭孔中直接澆鑄巴氏合金者，大頭底孔為9級公差等級，采用厚壁軸瓦者，大頭底孔為8級公差等級；采用薄壁軸瓦者，大頭底孔那么為6級公差等級，其圓柱度在直徑公差的2／3以內，外表粗糙度值為Ra0.8μm。(3)大、小頭孔軸線的平行度誤差會使活塞在氣缸中傾斜，造成氣缸壁磨損不均勻，并使曲柄銷產生邊緣磨損，所以平行度的允差較嚴，一般規(guī)定為不大于0.03／100mm。大、小頭孔軸線的扭曲度對不均勻磨損的影響較小，一般規(guī)定扭曲度不大于0.06／100mm。大、小頭孔軸心距的允差影響發(fā)動機的壓縮比，其允差為±0.03～±0.05mm。(4)大頭孔兩端面對大頭孔軸線的垂直度一般規(guī)定不大于0.1／100mm。端面外表粗糙度值一般為Ra0.8μm。(5)兩螺栓孔軸線對大頭接合面的垂直度應不大于0.15／100mm。大頭接合面對連桿螺栓導孔或螺紋孔中心線的垂直度應不大于0.10／100mm，否那么會使連桿螺栓的受力情況惡化，以致連桿蓋與體結合不好，軸瓦與曲軸銷產生不均勻磨損。(6)連桿總成的重量與整臺發(fā)動機上的一組連桿的重量差，應符合產品圖紙的規(guī)定。某些高速汽油機對連桿大頭重量和小頭重量也分別加以規(guī)定。連桿是內燃機中承受負荷最嚴重的零件之一，工作時同時承受著活塞傳來的氣體壓力、往復慣性力和它本身擺動時所產生的慣性力的作用，這些力的大小和方向周期性變化。在長期使用中，連桿會因活塞的劇烈推力和曲軸的高速運轉等因素，出現彎曲和扭曲現象。連桿一旦出現彎曲和扭曲，除了會使活塞拉缸外，還會致使活塞、氣缸、.曲軸等機件出現不正常的磨損，并很容易引起疲勞破壞而斷裂，導致發(fā)動機故障，直接關系到使用人的平安，造成極嚴重的后果。3.工況與受力可采用ANSYS有限元分析軟件對連桿進行強度與動態(tài)特性分析。連桿的有限元模型大頭端受壓工況下的約束和載荷大頭端受壓工況下的應力分布云圖大頭端受壓工況下的變形云圖小頭端受壓工況下的變形云圖小頭端受壓工況下的應力分布云圖連桿的一階振型（XOY平面內一彎振動）連桿的二階振型（XOZ平面內一彎振動）連桿的三階振型〔在YOZ平面內二彎振動〕連桿的四階振型（在XOZ平面內二彎振動）連桿的五階振型(彎扭振動)連桿的六階振型(彎扭振動)4.特點與工藝連桿材料一般采用45號鋼(精選含碳量為0.42％～0.47％)或40Cr鋼等，并經調質處理以提高強度和抗沖擊能力，一般采用模鍛。近年來，我國有些工廠也逐漸用球墨鑄鐵制造連桿。連桿由連桿體、連桿蓋和螺栓、螺母等組成。連桿小頭孔中壓入青銅襯套，大頭孔內裝有軸瓦。連桿體與連桿蓋必須牢固結合、準確定位，一般是用精制螺栓或定位套定位，國外常用齒形凸肩定位。有些連桿在大、小頭的外側面有定位用的工藝凸臺，便于基準的統(tǒng)一。連桿的主要加工面是大、小頭孔，大、小頭端面，大頭接合面及連桿螺栓孔等。(1)應符合“基準統(tǒng)“一〞原那么，盡量防止基準的更換，以減少定位誤差。(2)工件夾緊點要選擇在剛性較好的部位。(3)設計工藝用定位凸臺，作為輔助基準。例如，為了保持大、小頭的兩端面粗加工時對稱分布于工字形中間平面，有時在連桿毛坯預先鍛出幾個位于大、小頭分模面的橫筋臺，作為粗基準。又如為了使大、小頭孔軸線位于桿身的對稱