连杆组的功用及具体零件结构

摘要：柴油发电机连杆组的功用是连接活塞与曲轴，将活塞承受的燃气压力传给曲轴，并和连杆配合，把活塞的直线往复运动变为主轴的旋转运动。连杆在作业时，承受有三种功能力：活塞传来的气体压力；活塞组零件及连杆本身（小头）的惯性力；连杆本身绕活塞销做变速摆动时的惯性力。这些力的大小和方向都是周期性的变化，因此连杆承受着压缩、拉伸和横向弯曲等交变应力。连杆或连杆螺栓一旦断裂，就可能造成整机破坏的重大故障。如果刚度不足，使大头孔变形失圆，大头轴承的润滑要素受到破坏，则轴承会高温而烧损。连杆杆身变形弯曲，则会造成气缸与活塞的偏磨，致使漏气和窜机油。于是要求连杆在尽可能轻的状况下，保证有足够的强度和刚度。

      通常柴油发电机的连杆组是由连杆小头、连杆杆身、连杆大头、连杆盖、连杆轴瓦、连杆衬套和连杆螺栓等部分组成（如图1所示）。

      连杆小头的构成一般为短圆管形，用来安装活塞销。一般以半径较大的圆弧与杆身圆滑衔接，从而减少过渡处的应力集中。在小头孔中压配有耐磨的锡青铜、铝青铜或铁基粉末冶金的薄壁衬套，以减小活塞销的损伤。为了润滑衬套和全浮式活塞销的配合表面，在连杆小头和衬套上方钻孔或铣槽，以收集飞溅下来的油雾。对采用压力润滑程序的连杆，在杆身中钻有油道，润滑油从曲轴连杆轴颈，经过杆身油道进小头衬套的摩擦表面。

      连杆杆身一般采用“工”字形断面，这是由于在材料断面面积相等的因素下，其抗弯断面模数较大，因此连杆可在较轻的状况下获得较大的结构刚度和强度。

      连杆大头是连杆与主轴连杆轴颈相连接的部分，亦是连杆轴颈的轴承部分。连杆大头通常通过孔心分成两部分，以利于拆除，其中被分开的小部分称为连杆盖（或连杆瓦盖），安装时，这两部分用两个或四个连杆螺栓连接。

      连杆螺栓一般用中碳合金钢经精加工调质排除制成。为使连杆轴瓦与大头贴合良好，预防大头剖分面在受力时发生缝隙，连杆螺栓必须具有一定的预紧力。所以各生产厂对螺栓的扭紧力矩都做了详细的规定。装配时，连杆螺栓应按一定次序、对称均匀、分2～3次逐步拧紧，达到规定的扭紧力矩。连杆螺栓紧固后，为避免其松脱，通常采用开口销、铁丝、锁紧片等锁紧。当螺纹精确加工且合理拧紧时，不加任何锁紧装备，连杆螺栓也不会松动，于是在现代柴油发电机中，连杆螺栓大多没有特别的锁紧装置。

      由于大头孔的精度要求很高，因此必须在剖分后再组合在一起进行孔的加工。孔加工后必须通过定位装置将大头盖与连杆大头之间的相对位置加以固定， 连杆根据制造方式有两种配对方法，分为切割和断裂程序，如图1所示。为了防止装配时错位，应在大头与大头盖的一侧打上配对记号。

      连杆大头的剖分形式有平切口和斜切口两种。剖分面垂直于连杆杆身中心线（a）所示］。剖分面与杆身中心线°）的称为斜切口［如图2（b）所示］。

      V型柴油发电机左右两侧相对应的两个气缸的连杆，通常都装在同一个曲柄销上。按照两个连杆连接步骤的不一样，可分为并联、主副、叉形三种形式，如图3所示。

      相对应的左右两缸的连杆，一前一后地装在同一曲柄销上，如图4所示。因为连杆的组成形式相同，因此可以通用，而且两侧汽缸的活塞连杆组的运动规律相同。其缺点是两侧汽缸的中心线沿曲轴轴向要错开一段距离，因而曲轴的长度增加，使主轴刚度减少。

      主副连杆又称关节式连杆，结构如图5所示。一列汽缸的连杆装在连杆轴颈上，称为主连杆；另一列汽缸的连杆，通过一圆柱销与主连杆的耳销孔相连接，称为副连杆。左右两列对应汽缸的主副连杆及其中心线位于同一平面内。这种形式的特点是曲轴的长度不需加长，使曲轴刚度加强。弊端是连杆无法互换。副连杆对主连杆发生附加弯矩，以及左右两列气缸的活塞连杆组运动规律不同。

      左右两列汽缸相对应的两个连杆中，一个连杆的大头做成叉形，另一个连杆的大头插在叉形连杆的开挡内（如图6所示），称为叉片式连杆。

      叉形连杆杆身的工字断面的长轴位于垂直于摆动平面的平面内。其翼板伸到大头的部分就成为叉形，这使片式连杆摆动时，在叉形连杆杆身上开槽的高度可以减小，因而强度有所提高。叉形连杆的优点是两列气缸中活塞连杆组的运动规律相同，曲轴的长度不需加长。缺陷是叉形连杆大头构造和制造工艺比较复杂，大头的刚度也不够高。

      在缸径较大，缸数较多的V型柴油发电机上，多采用主副连杆和叉片式连杆，而一般V型柴油发电机则多采用并车式连杆。

      柴油发电机中的轴承以滑动轴承（又称轴瓦）为多，其中受力较大且具有重要功用的是连杆轴承和曲轴曲轴承，所在位置如图7所示。它们的工作状况对柴油发电机的可靠性、使用时限等有很大影响。它们的工作状况和材料要求大致相同，因此在此一并引荐。

      轴瓦是用厚1～3mm的钢带作瓦背，其上浇有厚0.3～1.0mm的减摩合金（白合金、铜铅合金或铝基合金）的薄壁零件。连杆轴承在作业时受到气体压力和活塞连杆组往复惯性力的冲击功用，而且轴承工作表面和轴之间有很高的相对滑动速度，因为高负载、高转速的用途，于是轴承很容易发热和磨损。这就要求减摩合金的机械强度要高，耐腐蚀、耐热性和减摩性要好。由于柴油发电机的轴承负载大，故而柴油发电机通常采用铜铅合金或铝基合金轴瓦。它们的抗疲劳强度高，承载能力大，耐磨性也好，但其减摩性较差。为了改进减摩合金的表面性能，一般在减摩合金上再镀一层极薄的合金（多为铅锡合金），结构“钢背-减摩合金-表层”的三层金属轴瓦。我国在中小型柴油发电机上广泛采用了铝基合金轴瓦，

      其疲劳强度高，减摩性也不差，耐腐蚀性好，制造成本低。为了使轴瓦在工作中不致转动或轴向移动，在轴瓦上冲出高出背面的定位凸键，在轴瓦装入大头孔中时，两个凸键应分别嵌入连杆杆身和连杆盖的相应凹槽中。有些轴瓦在内表面有浅槽，用以储油以利润滑。但实践证明，开油槽的轴瓦承载能力显著减轻，因此受力大的轴瓦，如主轴承的下轴瓦，较好不开槽。

      轴瓦的内外表面都经过精密加工，因此，不允许以任何不适当的手工方法加工（如锉连杆盖、焊补合金等）。装配时，连杆轴瓦与曲柄销间应有适当的油膜间隙，并注意轴承匹配正确的连杆型式（如图8所示），匹配错误会造成柴油发电机严重事故。装配轴瓦时，必须保持干净，如有任何杂物落入，将会破坏其紧密性，引起轴瓦变形、偏热甚至烧坏合金。

      为保证连杆构成轻巧，且有足够的刚度和强度，一般常用优质中碳钢（如45钢）模锻或滚压成形，并经调质解决。中小功率柴油发电机连杆有采用球墨铸铁制造的，其效果良好，且成本较低。强化程度高的柴油发电机采用高级合金钢（如40Cr、40MnB、42CrMo等）滚压制造而成。合金钢的优势是抗疲劳强度高，但对应力集中比较敏感，因此采用合金钢制造连杆的时候，对其外部形状、过度圆角和表面粗糙度等都有严格要求。近年来，硼钢、可锻铸铁及稀土镁球墨铸铁已广泛用于制造柴油发电机连杆，其抗疲劳强度接近于中碳钢，并且其切削性能很好，对应力集中不敏感，制造成本低。