CN102758836B - 硬基软结构内燃机连杆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硬基软结构内燃机连杆，包括连杆小头（1）、连杆杆身（2），在连杆小头（1）中设有连杆小头孔（3），其特征在于，所述连杆小头采用硬基软结构，即连杆小头采用抗拉强度σb≥700MPa的钢材或合金材料作为硬基材料，所述连杆小头（1）采用在气缸压力通过活塞销（4）作用下所述连杆小头孔（3）沿轴向发生的弹性形变Δ2同与所述连杆小头孔（3）配合的活塞销（4）沿轴向产生的弯曲变形Δ1相适应的柔性结构。本发明能在全工况的条件下实现连杆小头孔与活塞销之间的良好配合，彻底改善连杆小头孔与活塞销之间的摩擦性能。

Description

硬基软结构内燃机连杆
技术领域
本发明涉及一种往复式内燃机连杆，尤其涉及连杆小头孔内无需压装滑动衬套的硬基软结构内燃机连杆。
背景技术
内燃机连杆的功用是连接活塞与曲轴，负责传递两者之间的动力与运动。连杆小头通过活塞销与活塞相连，连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，把活塞承受的气体爆压传给曲轴，使活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，在此过程中，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。对全浮式活塞销，连杆工作时，由于连杆小头与活塞销之间有相对运动，在所受交变载荷的作用下，连杆小头与活塞销之间会产生磨损，磨损加大其之间的配合间隙，轻者出现活塞销异响，重者损坏连杆小头、活塞销，甚至造成打缸。为了减小连杆小头与活塞销之间的摩擦磨损，人们在连杆小头压入减磨双金属衬套作滑动轴承，并在连杆小头和衬套上铣有油槽或钻有油孔以收集发动机运转时飞溅上来的润滑油用以润滑。
随着商用车发动机爆压的不断提升，连杆小头衬套的表面压力越来越高，可用作轴承的材料选择越来越困难，因此加大了高爆压发动机开发的难度，使成本大大增加。
公知的采用滑动轴承的场合，安装滑动轴承的座基部分都采用刚性很强的结构，其目的是使滑动轴承安装时有一个可靠的过盈配合状态。往复式内燃机连杆小头结构同样如此，在连杆小头刚性较强的孔内压装滑动衬套，见图1。这种传统的连杆结构其工作可靠性受到轴承合金材料许用比压、摩擦面油槽位置、压装工艺、摩擦表面微观形貌与活塞销受力弯曲变形等诸多因素影响。使用中常见衬套发生旋转使得进油通道堵塞，导致衬套合金摩擦面缺油而发生烧蚀，甚至咬合。严重时导致活塞拉缸。因此，连杆小头衬套失效是往复式内燃机运动件常见的失效形式之一。
为解决上述问题，对比文件CN200480034352.3公开了一种“带有内导沟和异性活塞销的、磷化的、和无衬套的活塞连杆组件”，该活塞连杆组件重点对活塞销的结构进行优化设计，并采用在活塞连杆组件表面镀磷化层的技术方案改善连杆小头孔与活塞销之间的耐磨性，但它并未对连杆小头结构进行优化设计。
本申请人曾于2011年7月26日向中国专利局申请了一种名称为“一种往复式内燃机小头无衬套连杆”专利，专利号为CN 201120265392.6。该专利无衬套连杆小头孔采用异型销孔结构，即从连杆小头孔中心至孔口处，是由一段较一段开阔的型线旋转而形成，并设置了与异型销孔形成回路的油槽。该专利公开的异型销孔是在传统小头结构刚性很强的连杆上实现，并未对小头进行软结构的优化设计。该异型销孔下内表面，从纵向剖面看为圆弧形，而活塞销外表面从纵向剖面看为直线形，当活塞销受力产生的弯曲与异型销孔下内表面纵向圆弧一致时，该异型销孔能顺应活塞销受力时的弯曲变形，承受高爆压；但当活塞销受力产生的弯曲与异型销孔下内表面纵向圆弧不一致时，该异型销孔就不能与活塞销产生良好的配合，
发明内容
本发明的目的是为了解决现有轴承材料无法满足未来更高爆压发动机的使用要求，同时解决往复式内燃机连杆小头衬套失效问题，提供了一种硬基软结构内燃机连杆，使连杆小头孔内无需压装滑动衬套的情况下，改善连杆小头孔与活塞销之间的摩擦性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种硬基软结构内燃机连杆，包括连杆小头1、连杆杆身2，在连杆小头1中设有连杆小头孔3，其特征在于，所述连杆小头采用硬基软结构，即连杆小头采用抗拉强度σb≥700MPa的钢材或合金材料作为硬基材料，所述连杆小头1采用在气缸压力通过活塞销4作用下所述连杆小头孔3沿轴向发生的弹性形变Δ2同与所述连杆小头孔3配合的活塞销4沿轴向产生的弯曲变形Δ1相适应的柔性结构。
在上述方案中，所述柔性结构的连杆小头1分为连杆小头孔本体1.1和柔性支撑两部分，所述连杆小头孔本体1.1上设有一个完整等直径圆孔的所述连杆小头孔3，所述柔性结构为位于所述连杆小头孔3两端各有一段沿轴向分别向所述连杆小头孔3两端外延伸的呈敞开状的小于半圆孔形式的瓦状支撑结构1.2，该瓦状支撑结构1.2的敞开端朝向连杆的小头方向，该瓦状支撑结构1.2内圆弧面是所述连杆小头孔内圆弧面的延伸。
优选地，所述瓦状支撑结构1.2的厚度为沿轴向向两端逐渐变薄。使连杆小头孔3的刚度沿轴向从中央向两端逐渐变小，更好地适应工作时活塞销沿轴向产生的弯曲变形。
优选地，在所述连杆小头孔本体1.1中的所述连杆小头孔3两端面相互平行。
优选地，所述瓦状支撑结构1.2对称设置于所述连杆小头孔本体1.1上所述连杆小头孔3的两端，这样能更好地适应工作时活塞销沿轴向产生的弯曲变形。
优选地，所述瓦状支撑结构的厚度H2为4～８mm，
优选地，所述瓦状支撑结构与连杆小头孔本体之间为平滑过渡的连接弧连接，连接弧半径R3为10～30mm。
优选地，所述连杆小头1中两瓦状支撑结构外端面之间的宽度L1与连杆小头孔本体宽度L2的比值在1.5～2.5之间。
优选地，在所述连杆小头孔3朝向连杆杆身2方向的圆弧内表面沿轴向设有圆弧形油槽5。
本发明将传统的往复式内燃机连杆小头孔受力面下端由刚性结构改为局部柔性结构，具体就是连杆小头采用硬基软结构，即连杆小头采用抗拉强度σb≥700MPa的钢材或合金材料作为硬基材料，连杆小头采用在气缸压力通过活塞销作用下所述连杆小头孔沿轴向发生的弹性形变Δ2同与连杆小头孔配合的活塞销沿轴线产生的弯曲变形Δ1相适应的柔性结构。变形情况参见图6。从而工作时摩擦面不会产生微观局部“硬接触点”，避免了摩擦时“咬合”现象的发生。
特别是本发明采用特殊的柔性结构的连杆小头1，即连杆小头孔本体1.1上设有一个完整等直径圆孔的所述连杆小头孔3，在连杆小头孔3两端设有瓦状支撑结构1.2等特点，使本发明所述的连杆小头孔3无论在活塞销受力发生形变，或不受力未发生形变，以及受力状态变化导致活塞销形变随时间发生变化的情况下，连杆小头孔3也能与活塞销之间产生良好的配合。即本发明能在全工况的条件下实现连杆小头孔3与活塞销之间的良好配合，彻底改善连杆小头孔与活塞销之间的摩擦性能。
另外本发明通过在小头孔两侧铣削两条贯穿小头孔3的油槽5，利用连杆小头两侧敞开的小于半圆孔形式的瓦状支撑结构1.2，将发动机曲轴箱内飞溅的润滑油收集起来，经过油槽5导入摩擦面，并通过调整油槽5参数（油槽中心与小头孔中心连线同小头孔垂直中心线之间的夹角、油槽深度H3、润滑油楔入角等），实现有效的润滑和散热，从而避免摩擦面发生“黏着摩损”。
本发明连杆小头孔内无需压装衬套，从而避免了由于衬套旋转导致油路堵塞现象的发生。
综上所述，本发明所述的硬基软结构内燃机连杆对提高商用车发动机工作可靠性，简化连杆结构，节约制造成本都具有十分重要的现实意义。
附图说明
图1是传统的带衬套连杆小头结构示意图；
图2是本发明所述连杆小头剖视图；
图3是图2的左视图；
图4是本发明所述连杆小头立体图；
图5图4中A处局部放大图；
图6 是本发明所述连杆小头与活塞销配合弯曲变形示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征做进一步详细说明，以便于本领域普通技术人员的理解。
参见图2、图3、图4，本实施例涉及一种硬基软结构内燃机连杆，包括连杆小头1、连杆杆身2，在连杆小头1中设有连杆小头孔3，其中，所述连杆小头采用硬基软结构，所述硬基软结构中的硬基指的是连杆小头采用抗拉强度σb≥700MPa的钢材或合金材料作为硬基材料，如：38MnVS6，C70S6等。
所述硬基软结构中的软结构指的是连杆小头1采用在气缸压力通过活塞销作用下所述连杆小头孔3沿轴向发生的弹性形变同Δ2与连杆小头孔3配合的活塞销4沿轴向产生的弯曲变形Δ1相适应的柔性结构，以保证连杆小头孔3与活塞销4良好配合。在本实施例中，所述柔性结构的连杆小头1分为连杆小头孔本体1.1和柔性支撑两部分，所述连杆小头孔本体1.1上设有一个沿轴线方向等直径的完整圆孔的连杆小头孔3，所述柔性结构为位于连杆小头孔3两端各有一段沿轴向分别向连杆小头孔3两端外延伸的呈敞开状的小于半圆孔形式的瓦状支撑结构1.2，所述瓦状支撑结构1.2与连杆小头孔本体1.1两端为一体结构，该瓦状支撑结构1.2的敞开端朝向连杆的小头方向，该瓦状支撑结构内圆弧面是连杆小头孔内圆弧面的延伸。
所述瓦状支撑结构可以采用等厚度设计，厚度H2为4～８mm，也可以变厚度设计，即瓦状支撑结构厚度沿轴向向两端逐渐变薄，此时瓦状支撑结构的内表面与连杆小头孔3内表面呈相同弧度，为沿轴线方向等直径的圆弧。所述瓦状支撑结构与连杆小头孔本体之间为平滑过渡的连接弧连接，其连接弧半径R3为10～30mm。所述连杆小头1中两瓦状支撑结构外端面之间的宽度L1与连杆小头孔本体宽度L2的比值在1.5～2.5之间。本实施例所述瓦状支撑结构1.2的厚度为沿轴向向两端逐渐变薄。
在所述连杆小头孔3朝向连杆杆身2方向的圆弧内表面沿轴向设有两条圆弧形油槽5。圆弧形油槽5的直径ΦD2为10～30mm，油槽5深度H3为0.１～0.３mm。
本发明将传统的往复式内燃机连杆小头下端由刚性结构改为局部柔性结构。具体地通过调整L1、L2、R1、R2、R3、H2等关键参数，其中，L1为连杆小头1中两瓦状支撑结构外端面之间的宽度，L2为连杆小头孔本体宽度，R1为连杆杆身2的加强筋与瓦状支撑结构之间圆弧过渡连接半径，R2为连杆杆身2本体与瓦状支撑结构之间圆弧过渡连接半径，R3为瓦状支撑结构与连杆小头孔本体1.1之间连接弧半径，H2为瓦状支撑结构的厚度，调整连杆杆身与小头连接处刚性，使其较传统连杆设计偏软，达到软结构的设计目的，使其在受力状态发生的弹性变形Δ2与活塞销受力时产生的弯曲变形Δ1相适应。这样工作时摩擦面上就不会产生“硬接触点”，从而避免产生“咬合”现象。
参见图4，另外在小头孔两侧铣削两条贯穿小头孔的油槽5，利用连杆小头两侧敞开的小于半圆瓦状支撑结构，将发动机曲轴箱飞溅的润滑油收集起来，通过油槽导入摩擦面。通过合理设计油槽的参数（油槽中心与小头孔中心连线同小头孔垂直中心线之间的夹角α、油槽深度H3、润滑油楔入角等），实现有效的润滑和散热，从而避免的摩擦面发生“黏着摩损”。
本实施例提出一个具体的硬基软结构内燃机连杆，在该实施例中L1=44mm,L2=23mm,R1=8mm,R2=15mm,R3=20mm,H1=13.65mm,H2=5.9mm,H3=0.15mm,ΦD1=44mm, ΦD2=25mm，α=50°。其中，ΦD1为连杆小头孔直径。该连杆的连杆小头在工作过程中能够顺应活塞销变形，从而避免产生“咬合”现象，该连杆已经通过一些列的发动机试验考核。在1000h发动机可靠性试验中,小头孔内未发生异常磨损, 试后测量小头孔径向最大磨损量为0.005mm,小头孔沿轴向未发生任何塑性变形。
尽管上述实施例对本发明做了详尽的描述，但人们还可以对其作出不偏离其中心思想的修改，如所述连杆小头1采用其他的柔性结构，使连杆小头1采用在气缸压力通过活塞销4作用下所述连杆小头孔3沿轴向发生的弹性形变Δ2同与所述连杆小头孔3配合的活塞销4沿轴向产生的弯曲变形Δ1相适应。这些都属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种硬基软结构内燃机连杆，包括连杆小头(1)、连杆杆身(2)，在连杆小头(1)中设有连杆小头孔(3)，其特征在于，所述连杆小头采用硬基软结构，即连杆小头采用抗拉强度σb≥700MPa的钢材或合金材料作为硬基材料，所述连杆小头(1)采用在气缸压力通过活塞销(4)作用下所述连杆小头孔(3)沿轴向发生的弹性形变Δ2同与所述连杆小头孔(3)配合的活塞销(4)沿轴向产生的弯曲变形Δ1相适应的柔性结构，所述柔性结构的连杆小头(1)分为连杆小头孔本体(1.1)和柔性支撑两部分，所述连杆小头孔本体(1.1)上设有一个完整等直径圆孔的所述连杆小头孔(3)，所述柔性支撑为位于所述连杆小头孔(3)两端各有一段沿轴向分别向所述连杆小头孔(3)两端外延伸的呈敞开状的小于半圆孔形式的瓦状支撑结构(1.2)，该瓦状支撑结构(1.2)的敞开端朝向连杆的小头方向，该瓦状支撑结构(1.2)内圆弧面是所述连杆小头孔内圆弧面的延伸。 
2.根据权利要求1所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于所述瓦状支撑结构(1.2)的厚度为沿轴向向两端逐渐变薄。 
3.根据权利要求1所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于在所述连杆小头孔本体(1.1)中的所述连杆小头孔(3)两端面相互平行。 
4.根据权利要求1所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于所述瓦状支撑结构(1.2)对称设置于所述连杆小头孔本体(1.1) 上所述连杆小头孔(3)的两端。 
5.根据权利要求1所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于所述瓦状支撑结构(1.2)的厚度H2为4～8mm。
6.根据权利要求1所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于所述瓦状支撑结构(1.2)与连杆小头孔本体(1.1)之间为平滑过渡的连接弧连接，连接弧半径R3为10～30mm。 
7.根据权利要求1所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于所述连杆小头(1)中两瓦状支撑结构外端面之间的宽度L1与连杆小头孔本体宽度L2的比值在1.5～2.5之间。 
8.根据权利要求1所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于在所述连杆小头孔(3)朝向连杆杆身(2)方向的圆弧内表面沿轴向设有圆弧形油槽(5)，圆弧形油槽(5)的直径ΦD2为10～30mm，油槽(5)深度H3为0.1～0.3mm。 
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的硬基软结构内燃机连杆，其特征在于所述连杆小头采用38MnVS6或C70S6硬基材料。 
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