Роль и функции соединительных стержней в двигателях внутреннего сгорания

 

Соединительные стершки являются критически важными несущими компонентами в двигателях внутреннего сгорания, служащими механическим связующим звеном между поршнями и коленчатыми валами.Их конструкция и производительность напрямую влияют на эффективность двигателя, долговечность и выходной мощностью.Ниже приведен подробный анализ их функциональности, выбора материалов и инженерных соображений.

 

Основная функция: передача силы и преобразование движения

В своей сущности, а соединительный стерж Он способствует двум основным механическим процессам:

Передача силы: во время удара сгорания газы высокого давления (до 10 - 15 МПа) толкают поршн вниз, создавая линейную силу.Соединительный стерж передает эту силу к коленчатому штифу коленчатого вала, преобразуя ее в крутящий момент-воротную силу, которая приводит в действие выходной вал двигателя.

Преобразование движения: Стержь преобразует движение поршня (вверх и вниз) в вращательное движение коленкового вала.Это преобразование регулируется кинематическими принципами: по мере достижения поршня верхнего мертвого центра (TDC) и нижнего мертвого центра (BDC), изменяется угол стержня относительно коленного вала, переводив линейное перемещение в угловую скорость.

Помимо этих функций, соединительные стершки должны поддерживать точное выравнивание между поршнем и цилиндровым отверстием, минимизируя боковые силы, которые вызывают износ стенки цилиндра.Они также подавляют переходные вибрации от импульсов сгорания, уменьшая напряжение на смежных компонентах, таких как подшипники и уплотнения.

 

Выбор материалов: балансировка прочности, веса и стоимости

Соединительные стершки работают под экстремальными циклическими нагрузками - напряжением во время впускной удара, сжатием во время сжатой удары и изгибающими силами от движения поршня вне оси.Таким образом, выбор материалов разработан таким образом, чтобы выдержать усталость, удар и высокие температуры (до 250 °C в блоке двигателя).

Высокопрочные сталь: Наиболее распространенный выбор, с такими сплавами, как 4340 (хром-молибден сталь) или HSLA (высокопрочная низкосплавная сталь), предлагающая прочность на растяжение 1000 - 1400 МПа и отличную устойчивость к усталости.Эти сплавы сбалансируют стоимость, обработку и долговечность, что делает их идеальными для основных автомобильных и промышленных двигателей

Титановые сплавы: Используемые в высокопроизводительных приложениях (гоночные, аэрокосмические), сплавы, такие как Ti-6Al-4V, обеспечивают превосходное соотношение прочности к весу (удельная прочность ~ 250 кН · м / кг против ~ 150 кН · м / кг для стали).Это уменьшает массу, снижает силы инерции и улучшает отзывчивость двигателя.Однако высокие материалы и производственные затраты ограничивают их использование на нишевых рынках.

Алюминиевый сплав: Такие сплавы, как 2618-T6 (алюминий-медь), легче, чем сталь, но жертвуют усталочностью, что делает их подходящими только для двигателей с низкой нагрузкой и высокой оборотной скоростью (например,Мотоциклы малого объема).Они требуют усиленных несущих поверхностей (часто стальных вставки) для сопротивления износу.

 

Дизайнерские соображения: инженерия для производительности

Конструкция соединительного стержня - это исследование компромиссов: балансирование прочности, веса и гибкости для выдержания динамических нагрузок без отказа.

Геометрия: Типичный стерж имеет удлинённое сечение «I-beam» или «H-beam», что оптимизирует жесткость при минимизации массы.«Малый конец» (соединяющийся с поршнем через запястьевой штифт) и «большой конец» (прикрепляющийся к журналу коленкового вала) высокоточно обработаны для размещения подшипников - бронзовых втушек для маленького конца, разделенных подшипников (стальные подкладки с бабитами или ПТЭФ) для большого конца для обработки вращающегося движения.

Распределение стресса: Анализ конечных элементов (FEA) моделирует циклическую нагрузку для определения концентраций напряжения, наиболее критически в «шее» стержня (где балка переходит к большому концу) и отверстия болтов.Инженеры усиливают эти области филетами или более толстыми поперечными сечениями, чтобы предотвратить усталостное трещивание, главной причиной отказа стержня.

Динамический баланс: в двигателях с высокими оборотами неравномерное распределение массы в стержне может вызвать гармонические вибрации, что приводит к износу коленкового вала.Точная обработка (допуск ±0,05 мм) и соответствие веса (в пределах 1 - 2 граммов на комплект) обеспечивают сбалансированное движение.

 

Интеграция с двигательными системами

Соединительная стержня не работает в изоляции, ее эффективность зависит от синергии с соседними компонентами:

Интерфейс поршня: Запястьевой штифт (штифт для пересечения) соединяет небольшой конец стержня с поршнем, позволяя небольшое угловое движение по мере соединения стержня.Зазоры здесь критически важны - слишком жесткие, и происходит связывание; слишком свободные, и шум или износ увеличивается.

Взаимодействие коленного вала: подшипник большой конец должен поддерживать целостность масляной пленки при высоком давлении (до 10 МПа), чтобы предотвратить контакт между металлом и металлом.Масляные канавки в корпусах подшипников распределяют смазочный материал, охлаждая стерж и уменьшая трение.

Динамика сгорания: Стершки должны выдерживать пиковое давление цилиндра во время детонации (аномальное сгорание), которое может временно превышать проектные пределы.Вот почему высокопроизводительные двигатели часто используют «кованные» стерги (против литой) для более тонкой зерновой структуры и более высокой ударной стойкости.