CN110230639A - 一种连杆小端衬套、加工方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连杆小端衬套及包括该衬套的柴油机，衬套的内表面轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。加工方法为将加工夹具与衬套内表面的接触面设置为：接触面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。加工设备包括加工刀头和刀头控制装置，刀头控制装置控制刀头的行进曲线，使刀头的行进曲线所构成的曲面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。本发明减少活塞销弯曲变形产生的边缘载荷压强，改善活塞销与衬套受力作用面的拟合性，避免活塞销与衬套的摩擦与擦伤，保障柴油机活塞、活塞销和连杆的正常工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及发动机零部件技术领域，并且更具体地，特别是指一种连杆小端衬套、加工方法及设备。
背景技术
柴油机动力组由气缸盖、气缸套、活塞连杆组等零部件组成，其中活塞连杆组的连杆分为大端和小端，小端连杆内装入连杆衬套，之后通过活塞销将其安装在活塞上，大端安装在柴油机曲轴上。柴油机工作时通过气缸内燃气混合物燃烧产生爆发压力推动活塞做直线运动，通过连杆带动曲轴，使直线运动转换成旋转运动。
如图1，图2，图3所示的现有技术中，活塞连杆组由活塞1、连杆5、连杆衬套2、活塞销3、挡圈4等零部件组成，连杆衬套2两端有小倒角，用于安装活塞销3时导向。挡圈4用于固定活塞销3，防止其串动。柴油机工作时，连杆与活塞销3做相对旋转摆动。为使该相对运动流畅，活塞销3成圆柱型，与之相接触的连杆衬套2内孔也加工成圆柱型。润滑油脂通过各部件的油孔对各部件进行润滑。为避免各部件干摩擦，润滑油在一定压力下流动，则在各部件接触面之间会形成油膜，保证其顺利润滑，保护各部件。然而，如图4所示柴油机工作时由于气缸内油气混合物燃烧时产生的爆发压力作用在活塞1上，其传递的负荷大，活塞销3在活塞1与连杆5两者之间的力作用下，容易产生变形，变形量的大小与爆发压力成正比，活塞销3在设计时允许在柴油机工作时有一定的变形量，但当变形量超过一定限度，连杆衬套2的边缘载荷超限，则在连杆衬套2与活塞销3之间无法形成润滑油膜，两者在载荷超限的边缘干摩擦位置6产生干摩擦，最终导致衬套和活塞销3拉伤损坏，将酿成重大事故。
基于此，现有技术仍然有待改进。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种连杆小端衬套、加工方法及设备，以减少活塞销弯曲变形产生的边缘载荷压强，改善活塞销与衬套受力作用面的拟合性，避免活塞销与衬套的摩擦与擦伤，保持活塞销与衬套之间的油膜，保障柴油机活塞、活塞销和连杆的正常工作状态。
基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种连杆小端衬套，所述衬套的内表面轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
进一步地，所述衬套的外表面设置为可与连杆小孔端配合安装。
进一步地，所述衬套的内表面满足公式一：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)；
其中，以连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
第二方面，本发明实施例公开了一种柴油机，其包括上述的连杆小端衬套。
第三方面，本发明实施例还公开了上述的连杆小端衬套的加工方法，包括：
步骤一将圆筒形工件置于工件夹具中；
步骤二在按加工圆筒方式的进给过程中，按公式二：
控制所述工件夹具的夹紧力；
其中，N为衬套加工时所受夹具力，ΔL为衬套变形量，E为材质弹性模量，μ为材质泊松比，D为衬套外径，d为衬套内径。
上述的连杆小端衬套的另一种加工方法中，将加工夹具与所述衬套内表面的接触面设置为：所述接触面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
进一步地，所述拟合满足公式一：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)；
其中，以待加工连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
上述的连杆小端衬套的另一种加工方法中，采用加工刀头对衬套内表面进行加工，并且，所述加工刀头的行进曲线所构成的曲面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
进一步地，所述拟合满足公式一：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)；
其中，以待加工连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
第四方面，本发明实施例还公开了一种用于加工上述的连杆小端衬套的加工设备，包括加工进给装置、工件夹具、夹具控制装置，
其中，所述夹具控制装置按公式二：
控制所述工件夹具的夹紧力，其中，
N为衬套加工时所受夹具力，ΔL为衬套变形量，E为材质弹性模量，μ为材质泊松比，D为衬套外径，d为衬套内径。
另外一种用于加工上述的连杆小端衬套的加工设备，包括加工刀头和刀头控制装置，其中，所述刀头控制装置控制所述刀头的行进曲线，使所述刀头的行进曲线所构成的曲面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明通过将衬套设置为内表面轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合，在活塞销产生形变时，有效减少活塞销弯曲变形产生的边缘载荷压强，改善活塞销与衬套受力作用面的拟合性，避免活塞销与衬套的摩擦与擦伤，保持活塞销与衬套之间的油膜，保障柴油机活塞、活塞销和连杆的正常工作状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的活塞连杆组结构示意图；
图2为现有技术的活塞连杆组正面视图；
图3为现有技术的活塞连杆组剖视图；
图4为现有技术的活塞连杆的活塞销变形时的状态图；
图5为本发明所公开的连杆衬套安装图；
图6为图5中I部细节图；
图7为本发明一实施例的预期型线图；
图8为本发明一实施例的夹紧力曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
如图5，图6所示，本发明实施例公开了一种连杆小端衬套，所述衬套的内表面轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。所述衬套的外表面设置为可与连杆小孔端配合安装。其装配图中，活塞连杆组由活塞、连杆5、连杆衬套2、活塞销3、挡圈等零部件组成，连杆衬套2两端7与活塞销3有一定距离。柴油机工作时，连杆5与活塞销3做相对旋转摆动。为使该相对运动流畅，活塞销3成圆柱型。衬套的内表面呈鼓型的特殊型线，其可以适应并减少活塞销弯曲变形产生的边缘载荷压强，改善活塞销与衬套受力作用面特别是边缘7的拟合性，避免活塞销与衬套的摩擦与擦伤，保持活塞销与衬套之间的油膜，保障柴油机活塞、活塞销和连杆的正常工作状态。
本发明一些实施例中，所述衬套的内表面满足公式一：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)；
其中，以连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。本实施例以以活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线来决定衬套的内表面轴向剖面型线，衬套的外表面为适合与连杆小端孔安装配合的圆柱面。
本发明通过对发生故障的柴油机活塞连杆组衬套进行有限元数据分析，得出连杆衬套内孔磨损型线即我们的预期型线，对预期型线进行分析，得出预期型线满足算式：f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)，
式中：以连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
其中一种加工设备中，其特征在于，包括加工进给装置、工件夹具、夹具控制装置，
其中，所述夹具控制装置按公式二：
控制所述工件夹具的夹紧力，其中，
N为衬套加工时所受夹具力，ΔL为衬套变形量，E为材质弹性模量，μ为材质泊松比，D为衬套外径，d为衬套内径。
相应的加工方法为，根据磨损型线设计特殊形状的内孔，将圆筒形工件置于工件夹具中；在按加工圆筒方式的进给过程中，按公式二：
控制所述工件夹具的夹紧力；
其中，N为衬套加工时所受夹具力，ΔL为衬套变形量，E为材质弹性模量，μ为材质泊松比，D为衬套外径，d为衬套内径。
具体地，加工时衬套夹具靠液压油缸施力，钳住衬套的外径，夹紧力根据磨损型线即预期型线改变大小，使衬套按预期型线产生变形，然后加工衬套内径为圆孔形状，衬套夹具松开后，衬套的外径恢复圆筒形，内径按预期的型线加工设计，为带有鼓型的特殊型线。以适应并减少活塞销弯曲变形产生的边缘载荷压强，改善活塞销与衬套受力作用面的拟合性，避免活塞销与衬套的摩擦与擦伤，保持活塞销与衬套之间的油膜，保障柴油机活塞、活塞销和连杆的正常工作状态。因有限元数据分析后得出的内孔型线是中心对称的曲线，所以衬套加工时，其夹紧力无法为一恒定值，根据型线得出夹紧力的数据曲线。从而在衬套加工时按该数据曲线施加夹紧力，使得衬套产生形变进行加工，以便达到预期效果。
为保证衬套夹具松开后，衬套的外径恢复圆筒形，内径按预期的型线设计，根据机械设计手册材料的性能，衬套加工时所受夹具的力产生变形应满足材料的比例极限。则液压油油缸施力的大小根据型线加减，即型线可作为衬套受力后的比例极限变形量。根据机械设计手册相关知识，可得：
式中：N—衬套加工时所受载荷，即液压油缸施加力；
ΔL—衬套变形量；
E—材质弹性模量；
μ—材质泊松比；
D—衬套外径；
d—衬套内径；
式中，E、D、d、μ可以根据材料机械性能及衬套的外形尺寸得到，ΔL为衬套内孔型线。
通过分析计算，可以得出在连杆衬套加工时液压油缸夹具施加在衬套上的夹紧力。根据型线得出各个加工时夹紧力，从而对衬套进行加工，加工后松开夹具，衬套回复比例形变，其内孔达到预期的带有鼓型的特殊型线，以满足使用要求。
本发明的另外一个实施例中，针对连杆衬套的加工，将加工夹具与所述衬套内表面的接触面设置为：所述接触面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。即设计一种与连杆衬套接触面为内凹形状的夹具，其内凹形线与预期型线一致，满足算式
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)，
式中：以连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
用夹具夹紧工件，根据式
确定其最大夹紧力，使得工件产生变形，达到比例极限形变，之后对连杆衬套内孔进行正常加工，加工完毕后，松开夹具，衬套的外径恢复圆筒形，内径按预期的型线加工设计，为带有鼓型的特殊型线。
本发明的另一个实施例中，采用加工刀头对衬套内表面进行加工，加工设备，包括加工刀头和刀头控制装置，其中，所述刀头控制装置控制所述刀头的行进曲线，使所述刀头的行进曲线所构成的曲面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。在进行加工时，所述加工刀头的行进曲线所构成的曲面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
具体地，正常加工夹具夹紧连杆衬套工件后，加工机械刀具行进曲线按算式：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)，
式中：以连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
加工完毕后也能得到按预期型线设计的连杆衬套内控为带有鼓型的型线。
实施例1
以某型柴油机为例，对其连杆衬套进行有限元数据分析后，得出如图7所示的磨损型线，该型线以衬套轴向中点为0点，自衬套轴向边缘开始向衬套中点移动，随着轴向尺寸的增加，磨损量逐渐减小，至轴向中点时磨损量又逐渐增加，且磨损量呈中心对称变化。
连杆衬套材质为合金钢，经查机械设计手册，弹性模量E为186～206GPa，泊松比μ为0.25～0.30，衬套外径D为112mm，内径d为100mm。
将上述参数代入公式得，
根据图7所示的预期型线，可以得到如图8所示的夹紧力曲线。
连杆衬套内孔加工时，根据图8曲线使用液压油缸控制夹具夹紧力，使连杆衬套发生形变后，对其进行加工。因所施加的夹紧力是满足衬套材质的比例极限，根据比例极限特性，衬套发生变形后，撤销夹紧力，则其将恢复原有形状，而不会发生永久形变，且其变形量与受力成正比关系。加工完成后，将得到内孔呈鼓型的特殊型线连杆衬套。达到我们的预期设计要求。
综上所述，本发明实施例的衬套，可以适应并减少活塞销弯曲变形产生的边缘载荷压强，改善活塞销与衬套受力作用面的拟合性；避免活塞销与衬套的摩擦与擦伤，保持活塞销与衬套之间的油膜；保障柴油机活塞、活塞销和连杆的正常工作状态；增加衬套的使用寿命。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的连杆小端衬套及包括该衬套的柴油机也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连杆小端衬套，其特征在于，所述衬套的内表面轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
2.根据权利要求1所述的衬套，其特征在于，所述衬套的内表面满足公式一：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)；
其中，以连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
3.一种柴油机，其特征在于，包括权利要求1或2所述的连杆小端衬套。
4.权利要求1-3中任意一项所述的连杆小端衬套的加工方法，其特征在于，包括：
步骤一将圆筒形工件置于工件夹具中；
步骤二在按加工圆筒方式的进给过程中，按公式二：
控制所述工件夹具的夹紧力；
其中，N为衬套加工时所受夹具力，ΔL为衬套变形量，E为材质弹性模量，μ为材质泊松比，D为衬套外径，d为衬套内径。
5.权利要求1-3中任意一项所述的连杆小端衬套的加工方法，其特征在于，将加工夹具与所述衬套内表面的接触面设置为：所述接触面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述拟合满足公式一：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)；
其中，以待加工连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
7.权利要求1-3中任意一项所述的连杆小端衬套的加工方法，其特征在于，采用加工刀头对衬套内表面进行加工，并且，所述加工刀头的行进曲线所构成的曲面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述拟合满足公式一：
f(x)＝w(-24386845.1x2+1200.52955x+0.0202918)；
其中，以待加工连杆衬套轴向中心为原点，轴向方向为f(x)轴，垂直轴向为x轴，当x≤-18时w＝-1；当x≥18时w＝1；当-18<x<18时w＝0。
9.一种用于加工权利要求1-3任意一项所述的连杆小端衬套的加工设备，其特征在于，包括加工进给装置、工件夹具、夹具控制装置，
其中，所述夹具控制装置按公式二：
控制所述工件夹具的夹紧力，其中，
N为衬套加工时所受夹具力，ΔL为衬套变形量，E为材质弹性模量，μ为材质泊松比，D为衬套外径，d为衬套内径。
10.一种用于加工权利要求1-3任意一项所述的连杆小端衬套的加工设备，其特征在于，包括加工刀头和刀头控制装置，其中，所述刀头控制装置控制所述刀头的行进曲线，使所述刀头的行进曲线所构成的曲面的轴向剖面型线与活塞销在最大爆发压力下凹曲变形时的表面轴向剖面型线相拟合。
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