บทบาทและหน้าที่ของแท่งเชื่อมต่อในเครื่องยนต์สันดาปภายใน

 

แท่งเชื่อมต่อเป็นส่วนประกอบที่สําคัญในการรับน้ําหนักในเครื่องยนต์สันดาปภายในทําหน้าที่เป็นส่วนเชื่อมโยงทางกลระหว่างลูกสูบและเพลาข้อเหวี่ยงการออกแบบและสมรรถนะของเครื่องยนต์มีอิทธิพลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความทนทานและกําลังขับด้านล่างนี้เป็นการวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับฟังก์ชั่นการเลือกวัสดุและการพิจารณาทางวิศวกรรม

 

ฟังก์ชั่นหลัก: การส่งกําลังและการแปลงการเคลื่อนไหว

ในสาระสําคัญของมัน a แท่งเชื่อมต่อ อํานวยความสะดวกสองกระบวนการทางกลหลัก:

การถ่ายโอนแรง: ในช่วงจังหวะการเผาไหม้ก๊าซแรงดันสูง (สูงสุด 10-15 MPa) ผลักลูกสูบลงสร้างแรงเชิงเส้นแท่งเชื่อมต่อส่งแรงนี้ไปยังหมุดข้อเหวี่ยงของเพลาข้อเหวี่ยงแปลงเป็นแรงหมุนแรงบิดที่ขับเคลื่อนเพลาเอาต์พุตของเครื่องยนต์

การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนไหว: แท่งแปลงการเคลื่อนไหวแบบลูกสูบ (ขึ้นและลง) ให้เป็นการเคลื่อนไหวแบบหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงการแปลงนี้ถูกควบคุมโดยหลักการจลนศาสตร์: เมื่อลูกสูบถึงศูนย์ตายด้านบน (TDC) และศูนย์ตายด้านล่าง (BDC) มุมของแท่งเมื่อเทียบกับเพลาข้อเหวี่ยงจะเปลี่ยนแปลงแปลการกําจัดเชิงเส้นเป็นความเร็วเชิงมุม

นอกเหนือจากบทบาทเหล่านี้แล้วแท่งเชื่อมต่อจะต้องรักษาตําแหน่งที่แม่นยําระหว่างลูกสูบและรูกระบอกสูบเพื่อลดแรงด้านข้างที่ทําให้เกิดการสึกหรอของผนังกระบอกสูบพวกเขายังทําให้การสั่นสะเทือนชั่วคราวจากชีพจรการเผาไหม้ลดความเครียดในส่วนประกอบที่อยู่ติดกันเช่นแบริ่งและปะเก็น

 

การเลือกวัสดุ: การปรับสมดุลความแข็งแรงน้ําหนักและต้นทุน

แท่งเชื่อมต่อทํางานภายใต้แรงตึงเครียดแบบวงจรที่รุนแรงในระหว่างจังหวะการบีบอัดในระหว่างจังหวะการบีบอัดและแรงดัดจากการเคลื่อนไหวของลูกสูบนอกแกนการเลือกวัสดุจึงได้รับการออกแบบมาเพื่อทนต่อความเหนื่อยล้าแรงกระแทกและอุณหภูมิสูง (สูงสุด 250 องศาเซลเซียสในบล็อกเครื่องยนต์)

เหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูง: ตัวเลือกที่พบมากที่สุดด้วยโลหะผสมเช่น 4340 (เหล็กโครเมียม - โมลิบดีนัม) หรือ HSLA (เหล็กกล้าโลหะผสมต่ําความแข็งแรงสูง) ที่ให้ความต้านแรงดึง 1,000-1,400 MPa และความต้านทานต่อความเมื่อยล้าที่ยอดเยี่ยมโลหะผสมเหล่านี้มีความสมดุลของต้นทุนความสามารถในการตัดและความทนทานทําให้เหมาะสําหรับเครื่องยนต์ยานยนต์และเครื่องยนต์อุตสาหกรรมหลัก

โลหะผสมไทเทเนียม : ใช้ในการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง (การแข่งรถ, การบินและอวกาศ) โลหะผสมเช่น Ti-6Al-4V ให้อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ําหนักที่เหนือกว่า (ความแข็งแรงเฉพาะ ~ 250 kN·m / kg เมื่อเทียบกับ ~ 150 kN·m / kg สําหรับเหล็ก)ช่วยลดมวลลูกสูบ ลดแรงเฉื่อย และปรับปรุงการตอบสนองของเครื่องยนต์อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายด้านวัสดุและการผลิตที่สูง จํากัด การใช้งานเฉพาะตลาดเฉพาะ

อลูมิเนียมอัลลอย: โลหะผสมเช่น 2618-T6 (อลูมิเนียม - ทองแดง) มีน้ําหนักเบากว่าเหล็ก แต่เสียสละความแข็งแรงต่อความเมื่อยล้าทําให้เหมาะสําหรับเครื่องยนต์ที่โหลดต่ําและรอบสูงเท่านั้น (เช่น,รถจักรยานยนต์กระจัดขนาดเล็ก)พวกเขาต้องการพื้นผิวแบริ่งเสริมแรง (มักจะแทรกเหล็ก) เพื่อต่อต้านการสึกหรอ

 

การพิจารณาออกแบบ: วิศวกรรมเพื่อประสิทธิภาพ

การออกแบบก้านเชื่อมต่อเป็นการศึกษาในการแลกเปลี่ยน: การปรับสมดุลความแข็งแรงน้ําหนักและความยืดหยุ่นเพื่อทนต่อการโหลดแบบไดนามิกโดยไม่ล้มเหลว

รูปทรงเรขาคณิต: แท่งทั่วไปมีส่วนตัด "I-beam" หรือ "H-beam" ยาวขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพความแข็งในขณะที่ลดมวล"ปลายเล็ก" (เชื่อมต่อกับลูกสูบผ่านข้อมือหมุด) และ "ปลายใหญ่" (ยึดติดกับวารสารเพลาข้อเหวี่ยง) มีความแม่นยําในการกลึงเพื่อรองรับแบริ่ง - บูชบรอนซ์สําหรับปลายเล็กแบริ่งแยกเปลือก (เหล็กสนับสนุนด้วย babbitt หรือซับ PTFE) สําหรับปลายใหญ่เพื่อจัดการกับการเคลื่อนไหวการหมุน

การกระจายความเครียด: การวิเคราะห์องค์ประกอบ จํากัด (FEA) จําลองการโหลดแบบวงจรเพื่อระบุความเข้มข้นของความเครียด - ที่สําคัญที่สุดที่ "คอ" ของแท่ง (ที่ลําแสงเปลี่ยนไปยังปลายใหญ่) และหลุมสลักเกลียววิศวกรเสริมสร้างพื้นที่เหล่านี้ด้วยเส้นเนื้อหรือส่วนตัดที่หนาขึ้นเพื่อป้องกันการแตกของความเมื่อยล้าซึ่งเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวของก้าน

ความสมดุลแบบไดนามิก: ในเครื่องยนต์ที่หมุนรอบสูงการกระจายมวลที่ไม่สม่ําเสมอในแท่งอาจทําให้เกิดการสั่นสะเทือนแบบฮาร์โมนิกซึ่งนําไปสู่การสึกหรอของเพลาข้อเหวี่ยงเครื่องจักรกลที่แม่นยํา (ความอดทน±0.05 มม.) และการจับคู่น้ําหนัก (ภายใน 1-2 กรัมต่อชุด) ให้การเคลื่อนไหวที่สมดุล

 

บูรณาการกับระบบเครื่องยนต์

แท่งเชื่อมต่อไม่ได้ทํางานแบบแยกประสิทธิภาพของมันขึ้นอยู่กับการทํางานร่วมกันกับส่วนประกอบที่อยู่ติดกัน:

อินเทอร์เฟซลูกสูบ: หมุดข้อมือ (หมุดขุด) เชื่อมต่อปลายเล็ก ๆ ของก้านกับลูกสูบช่วยให้การเคลื่อนไหวเชิงมุมเล็กน้อยเมื่อก้านเชื่อมต่อการกวาดล้างที่นี่มีความสําคัญ - แน่นเกินไปและการผูกพันเกิดขึ้น หลวมเกินไปและเสียงรบกวนหรือการสึกหรอเพิ่มขึ้น

ปฏิสัมพันธ์เพลาข้อเหวี่ยง: แบริ่งปลายขนาดใหญ่ต้องรักษาความสมบูรณ์ของฟิล์มน้ํามันภายใต้ความดันสูง (สูงสุด 10 MPa) เพื่อป้องกันการสัมผัสโลหะกับโลหะร่องน้ํามันในเปลือกแบริ่งกระจายน้ํามันหล่อลื่นทําให้ก้านเย็นลงและลดแรงเสียดทาน

พลวัตการเผาไหม้: แท่งต้องทนต่อแรงดันสูงสุดของกระบอกสูบในระหว่างการระเบิด (การเผาไหม้ที่ผิดปกติ) ซึ่งอาจเกินขีด จํากัด ของการออกแบบชั่วคราวนี่คือเหตุผลที่เครื่องยนต์ประสิทธิภาพมักจะใช้แท่ง "ปลอมแปลง" (เทียบกับหล่อ) สําหรับโครงสร้างเมล็ดที่ดีขึ้นและความต้านทานแรงกระแทกที่สูงขึ้น