내연기관에서 연결봉의 역할과 기능

 

커넥터 로드는 피스톤과 크랭크샤프트 사이의 기계적 연결구로서 내연 엔진에서 중요한 하중을 운반하는 구성요소입니다.그들의 설계와 성능은 엔진의 효율성, 내구성 및 출력에 직접적으로 영향을 미칩니다.아래는 기능, 재료 선택 및 엔지니어링 고려 사항에 대한 상세한 분석입니다.

 

핵심 기능: 힘 전송 및 모션 변환

본질적으로, a 연결 막대 두 가지 주요 기계적 프로세스를 용이하게 합니다.

힘 전달: 연소 스트로크 중에 고압 가스 (최대 10 - 15 MPa) 가 피스톤을 아래로 밀어 선형 힘을 생성합니다.커넥터 로드는 이 힘을 크랭크축의 크랭크핀으로 전달하여 엔진의 출력축을 구동하는 토크 - 회전력으로 변환합니다.

모션 변환: 로드는 피스톤의 왕복 (위쪽 및 아래쪽) 모션을 크랭크축의 회전 모션으로 변환합니다.이 변환은 운동학 원리에 의해 제어됩니다. 피스톤이 TDC (Top Dead Center) 및 BDC (Bottom Dead Center) 에 도달하면 크랭크축에 대한 로드의 각도가 변경되어 선형 변위를 각도 속도로 변환합니다.

이러한 역할 외에도 연결 막대는 피스톤과 실린더 보어 사이의 정확한 정렬을 유지하여 실린더 벽 마모를 유발하는 측면 힘을 최소화해야 합니다.그들은 또한 연소 펄스로 인한 일시적인 진동을 완화하여 베어링 및 가스켓과 같은 인접한 구성 요소에 대한 스트레스를 줄입니다.

 

재료 선택: 강도, 무게 및 비용의 균형

커넥터 로드는 흡입 스트로크 동안의 응력, 압축 스트로크 동안의 압축 및 축외 피스톤 운동으로 인한 구부러짐 힘 등 극한의 순환 하중에서 작동합니다.따라서 재료 선택은 피로, 충격 및 고온 (엔진 블록에서 최대 250 ° C) 에 견딜 수 있도록 설계되었습니다.

고강도 강철: 4340 (크롬 - 몰리브덴 강철) 또는 HSLA (고강도 저합금) 강철과 같은 합금으로 1, 000 - 1, 400 MPa 의 인장 강도와 우수한 피로 저항성을 제공하는 가장 일반적인 선택입니다.이러한 합금은 비용, 가공성 및 내구성의 균형을 이루며 주류 자동차 및 산업용 엔진에 이상적입니다.

티타늄 합금 : 고성능 응용 (경주, 항공 우주) 에서 사용되는 Ti - 6 Al - 4 V 와 같은 합금은 우수한 강도 대 중량 비율을 제공합니다 (특강 ~ 250 kN · m / kg 대 강철의 경우 ~ 150 kN · m / kg).이렇게 하면 왕복 질량이 감소하고 관성력이 감소하며 엔진의 응답성이 향상됩니다.그러나 높은 재료 및 제조 비용은 틈새 시장으로 사용이 제한됩니다.

알루미늄: 2618 - T 6 (알루미늄 - 구리) 과 같은 합금은 강철보다 가볍지만 피로 강도를 희생하여 저하중, 고회전 엔진 (예:소형 오토바이 (Smaller Displacement Motorcycles)마모를 방지하기 위해 강화된 베어링 표면 (종종 강철 삽입) 이 필요합니다.

 

설계 고려 사항: 성능을 위한 엔지니어링

연결 막대 설계는 고장 없이 동적 하중을 견딜 수 있도록 강도, 무게 및 유연성의 균형을 맞추는 절충을 고려한 연구입니다.

형상: 일반적인 로드는 I - 빔 또는 H - 빔 횡단면이 길어지고 질량을 최소화하면서 강성을 최적화합니다. "작은 끝" (손목 핀을 통해 피스톤에 연결) 과 "큰 끝" (크랭크축 저널에 부착) 은 작은 끝에는 청동 부싱, 큰 끝에는 스플릿 쉘 베어링 (바빗 또는 PTFE 라이너로 뒷받침된 강철) 을 사용하여 회전 동작을 처리하기 위해 정밀 가공됩니다.

응력 분포: 유한요소 분석 (FEA) 은 순환 하중을 시뮬레이션하여 로드의 "목" (보가 큰 끝으로 전환되는 곳) 과 볼트 구멍에서 가장 중요한 응력 농도를 식별합니다.엔지니어들은 이러한 영역을 모깎기 또는 두꺼운 횡단면으로 강화하여 로드 고장의 주요 원인인 피로 균열을 방지합니다.

동적 균형: 고회전 엔진에서 로드의 질량 분포가 균일하지 않으면 고조파 진동이 발생하여 크랭크축 마모가 발생할 수 있습니다.정밀 가공 (공차 ± 0. 05 mm) 과 무게 매칭 (세트당 1 - 2 그램 이내) 은 균형 잡힌 움직임을 보장합니다.

 

엔진 시스템과의 통합

연결 막대는 단독으로 작동하지 않으며, 성능은 인접한 구성 요소와의 시너지에 달려 있습니다.

피스톤 인터페이스: 손목 핀 (고지온 핀) 은 로드의 작은 끝을 피스톤에 연결하여 로드가 관절될 때 약간의 각도 이동을 허용합니다.여기서 클리어런스는 매우 중요합니다. 너무 단단하면 바인딩이 발생합니다. 너무 느슨하면 노이즈 또는 마모가 증가합니다.

크랭크샤프트 상호 작용: 큰 끝 베어링은 금속 - 금속 접촉을 방지하기 위해 고압 (최대 10 MPa) 에서 오일 필름의 무결성을 유지해야합니다.베어링 쉘의 오일 그루브는 윤활유를 분배하여 로드를 냉각시키고 마찰을 줄입니다.

연소 역학: 로드는 폭발 (비정상적인 연소) 도중의 최대 실린더 압력을 견딜 수 있어야 하며, 이는 일시적으로 설계 한계를 초과할 수 있습니다.그렇기 때문에 성능 엔진은 종종 더 미세한 곡물 구조와 더 높은 충격 저항을 위해 "조조" 로드 (주조 대) 를 사용합니다.