İç Yanmalı Motorlarda Bağlantı Çubuklarının Rolü ve Fonksiyonu

 

Bağlantı çubukları, içten yanmalı motorlarda kritik yük taşıyan bileşenlerdir ve pistonlar ve krankmiftler arasındaki mekanik bağlantı olarak hizmet ederler. Tasarım ve performansı doğrudan motor verimliliğini, dayanıklılığı ve güç çıkışını etkiler. Aşağıda, işlevselliklerinin, malzeme seçimi ve mühendislik düşünceleri hakkında ayrıntılı bir analiz bulunmaktadır.

 

Temel Fonksiyon: Güç İletimi ve Hareket Dönüşümü

Temel olarak, a Bağlantı Rod İki temel mekanik süreç kolaylaştırır:

Güç Aktarımı: Yanma vuruşu sırasında, yüksek basınçlı gazlar (10-15 MPa'ya kadar) pistonları aşağı doğru iter ve doğrusal kuvvet üretir. Bağlantı çubuk, bu gücü crankmiftin crankpinine iletir ve motoru çıkış şaftını tahrik eden tork-döndürme kuvvetine dönüştürür.

Hareket Dönüşümü: Çubuk, pistonun reciprocating (yukarı ve aşağı) hareketini crankmilenin döndürme hareketine dönüştürür. Bu dönüşüm, kinematik ilkeler tarafından yönetilir: piston üst ölü merkezine (TDC) ve alt ölü merkezine (BDC) ulaştıkça, çubukun crankya göre açısı değişir ve doğrusal yer değiştirmeyi açısal hıza dönüştürür.

Bu rollerin ötesinde, bağlantı çubukları piston ve silindir gövgesinde hassas hizalamayı korumalıdır ve silindir duvarının aşınmasına neden olan yan kuvvetleri en aza indirmelidir. Ayrıca yanma darbelerinden gelen geçici titreşimleri azaltarak, yataklar ve gasketler gibi bitişik bileşenler üzerindeki stresi azaltırlar.

 

Malzeme Seçimi: Güç, Ağırlık ve Maliyet Denge

Bağlantı çubukları, giriş vuruşu sırasında aşırı döngüsel yük gerginliği, kompresyon vuruşu sırasında kompresyon ve ekseni dışı piston hareketinden kaynaklanan bükme kuvvetleri altında çalışır. Bu nedenle malzeme seçimi yorgunluk, darbe ve yüksek sıcaklıklara (motor bloğunda 250 °C'ye kadar) dayanmak üzere tasarlanmıştır.

Yüksek Güçlü Çelikler: En yaygın seçenek, 4340 (krom-molibden çelik) veya HSLA (yüksek dayanıklılıklı düşük alaşımlı) çelik gibi alaşımlarla 1,000-1,400 MPa gerilim gücü ve mükemmel yorgunluk direnci sunar. Bu alaşımlar maliyeti, işlenebilirliği ve dayanıklılığı dengeleyerek ana akım otomotiv ve endüstriyel motorlar için ideal hale getirmektedir.

Titanyum Alaşımları: Yüksek performanslı uygulamalarda (yarış, havacılık) kullanılırken, Ti-6Al-4V gibi alaşımlar üstün bir kuvvet-ağırlık oranı sağlar (özel kuvvet ~250 kN · m / kg vs. ~150 kN · m / kg çelik için). Bu, geri dönüş kütlesini azaltır, atalet kuvvetlerini azaltır ve motor tepkisini geliştirir. Bununla birlikte, yüksek malzeme ve üretim maliyetleri, kullanımlarını niş pazarları ile sınırlamaktadır.

Alüminyum alaşımları: 2618-T6 (alüminyum-bakır) gibi alaşımlar çelikten daha hafiftir, ancak yorgunluk dayanıklılığından feda eder ve onları sadece düşük yüklü, yüksek dönümlü motorlar için uygun hale getirir (örneğin, küçük motorlu motorlar). aşınmaya direnmek için takviye taş yüzeylerini (genellikle çelik eklemler) gerektirirler.

 

Tasarım düşünceleri: Performans için mühendislik

Bağlantı çubuğu tasarımı, değişimlerde bir çalışmadır: dinamik yüklere başarısızlık olmadan dayanmak için güç, ağırlık ve esnekliği dengelemek.

Geometri: Tipik bir çubuk, kütleyi en aza indirirken sertliği optimize ederken uzun bir "I-ışın " veya" H-ışın " kesitine sahiptir. "Küçük uç" (bir bilek iğnesi aracılığıyla pistonuna bağlanır) ve "büyük uç" (krankmift dergisine takılır) küçük uç için bronz gövdeler, büyük uç için rotasyon hareketi ele almak için bölünmüş kabuk rulmanları (babbitt veya PTFE kaplamaları ile çelik destekli) barındırmak için hassasiyetli işleme yapılır.

Stres Dağıtımı: Sonlu eleman analizi (FEA), gerilim konsantrasyonlarını tanımlamak için döngüsel yüklemeyi simüle eder - en kritik şekilde çubukun "boynunda" (içenin büyük uçuna geçiş olduğu yer) ve cıvata deliklerinde. Mühendisler, bu alanları, çubuk başarısızlığının önde gelen nedenlerinden olan yorgunluk çatlamasını önlemek için file veya daha kalın kesitlerle güçlendirirler.

Dinamik Denge: Yüksek dönümlü motorlarda, çubuktaki eşitsiz kütle dağılımı, krankmift aşınmasına yol açan harmonik titreşimlere neden olabilir. Hassas işleme (tolerans ± 0,05 mm) ve ağırlık eşleştirmesi (set başına 1-2 gram içinde) dengeli hareket sağlar.

 

Motor sistemleri ile entegrasyon

Bağlantı çubuğu yalıtım halinde çalışmaz; performansı komşu bileşenlerle sinerjiye bağlıdır:

Piston Arayüzü: Bilek pin (kuluk pin), çubukun küçük ucunu pistonuna bağlar ve çubuk eklemlerken hafif açısal hareket sağlar. Buradaki boşluklar kritiktir - çok sıkı ve bağlanma meydana gelir; çok gevşek ve gürültü veya aşınma artır.

Crankshaft Etkileşimi: Büyük uç rulmanı, metal-metal temasını önlemek için yüksek basınç altında (10 MPa'ya kadar) yağ filminin bütünlüğünü korumalıdır. Yanak kabuklarındaki yağ olukları yağlayıcı dağıtıyor, çubukları soğutuyor ve sürtünmeyi azaltıyor.

Yanma Dinamikleri: Çubuklar patlama sırasında (anormal yanma) geçici olarak tasarım sınırlarını aştırabilen zirve silindir basıncına dayanmalıdır. Bu nedenle, performans motorları daha ince tahıl yapısı ve daha yüksek darbe direnci için sıklıkla "düşme" çubukları (dökme karşısında) kullanırlar.