新聞主題	柴油機連桿設計要求、結構和材料選用

 

 摘要：柴油發電機連桿組主要由連桿、連桿螺栓、螺母、連桿軸瓦、小頭襯套等組成連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復運動，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉運動。因此，連桿體除有上下運動外，還左右擺動，做復雜的平面運動。連桿主要承受氣體壓力和往復慣性力所產生的交變載荷，因此，在設計時應首先保證連桿具有在足夠的疲勞強度和結構鋼度。如果強度不足，就會發生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會對曲柄連桿機構的工作帶來不好的影響。所以設計連桿的一個主要要求是在盡可能輕巧的結構下保證足夠的剛度和強度。

 

一、連桿的設計要求和材料選用

 

      連桿組功能是將活塞與曲軸連接起來，通過它將活塞所承受的力傳給曲軸，使活塞的往復運動變為曲軸的旋轉運動。為此，必須選用高強度的材料、合理的結構形狀和尺寸。為了保證連桿在結構輕巧的條件下有足夠的剛度和強度，采用精選含碳量的優質中碳結構鋼45模鍛，表面噴丸強化處理，提高強度。

1、連桿長度的確定

      首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長度ι它通常是用連桿比λ=r/ι來說明的，通常λ=0.25～0.3125，取λ=0.27，r=40.23mm，則ι=0.27×40.23=149mm。

2、連桿小頭的結構設計與強度

（1）連桿小頭的結構設計

      連桿小頭主要結構尺寸如圖1所示，小頭襯套內徑d?和小頭寬度B?已在活塞組設計中確定，d，=22mm，B?=26.388mm。為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為δ=2～3mm，取δ=2.2mm，則小頭孔直徑d=24.2mm，小頭外徑D?=(1.2～1.35)d，取D?=1.27×24.2=30.734mm。

（2）連桿小頭的強度

      以過盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓力。若襯套材料的膨脹系數比連桿材料的大，則隨工作時溫度升高，過盈增大，小頭斷面中的應力也增大。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。

3、連桿桿身的結構設計與強度

（1）連桿桿身結構的設計

      連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度B約等于(0.26～0.3)D(D為氣缸直徑)，取B=0.27D=21.87mm，截面高度H=(1.5~1.8)B，取H=1.65B=36.08mm。為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。

（2）連桿桿身的強度

      連桿桿身在不對稱的交變循環載荷下工作，它受到位于計算斷面以上做往復運動的質量的慣性力的拉伸，在爆發行程，則受燃氣壓力和慣性力差值的壓縮，為了計算疲勞強度安全系數，必須進行斷面的最大拉伸、壓縮應力試驗。原材料經鍛造成形后，分別在鍛造態連桿大頭和連桿體處取橫向和縱向拉棒試樣進行拉伸試驗，取樣位置見圖2所示。

4、連桿大頭的結構設計與強度

（1）連桿大頭的結構設計與主要尺寸

      連桿大頭的結構與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑D?、長度B?、連桿軸瓦厚度δ，和連桿螺栓直徑dm。其中在D?、B?在曲軸設計中確定，D?=47.8nm，B?=26.73mm，則大頭寬度b?=26.73mm，軸瓦厚度δ?=(1.5～3)mm，取δ?=2.5mm，大頭孔直徑d?=50.3mm。

      連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺高度H?≈H?≈(0.35～0.5)d?，取H?=0.45d?=22.64mm，取H?=0.43d?=21.63mm，為了提高連桿大頭結構剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離C=(1.24～1.31)d?，取C=1.27d?=63.881mm，一般螺栓孔外側壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。

（2）連桿大頭的強度

      假設通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的連桿體上，固定角為α?，α?通常取40°，作用力通過曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為C/2。

      連桿蓋的最大載荷是在進氣沖程開始的，計算得：

P?=P_jmax+P_r=10519.681+6923.799 =17443.48N

 

圖1  柴油機連桿小頭主要結構尺寸

圖2  連桿鍛造態拉伸試驗取樣位置圖

 

二、連桿組結構

 

1、連桿結構組成

      連桿由小頭、桿身和大頭三部分組成。小頭繞活塞銷擺動；大頭繞連桿軸頸轉動，整個連桿又作往復運動。當發動機工作時，作用于連桿上的力有氣體壓力和方向變化的慣性力，這些力會使連桿產生變形或引起連桿大頭、小頭的破壞。當連桿大頭與連桿軸頸、小頭與活塞銷連接處的間隙增大時，還會產生沖擊負載。因此，連桿的材料在保證強度和抗疲勞條件下，還要盡可能地減輕其重量。連桿一般多用碳鋼或合金鋼鍛模混壓而成，并經熱處理和機械加工，也有用球墨鑄鐵澆鑄而成。連桿的各部構造與形狀如圖3所示。

（1）連桿小頭

      小頭內裝有一個青銅薄壁襯套（連桿銅套），以減小連桿小頭與活塞銷之間的摩擦。為了便于活塞銷與連桿襯套的潤滑，在襯套上鉆有油孔（或切槽）與連桿小頭上的油孔或（切槽）相通，飛濺的機油便可由此進入孔內。

（2）桿身

      桿身除承受壓縮和拉伸負載外，還承受很大彎曲力矩，為了增加連桿擺動，故其斷面一般都鑄成“工”字形。若活塞銷是靠壓力式潤滑的，則沿桿身還鉆有或裝有輸送機油用的潤滑油道。桿身的材料為45或40號中碳鋼。

（3）大頭

      為了便于裝配，連桿大頭一般為分開式。能夠分開的那個半圓叫連桿瓦蓋，另半圓在連桿大頭上，它靠兩只（或四只）強度大、精度高的合金鋼螺栓把連桿緊固與連桿軸頸鉸鏈起來。有些連桿的瓦蓋上有“油勺”，使激濺潤滑更為可靠。還有些連桿大頭根部有射油孔，以利于凸輪軸和汽缸壁的潤滑。

（4）連桿連接方法

      連桿將活塞連到曲軸上。一端連在活塞銷上，另一端連在曲軸連桿軸頸上。圖4所示為連桿的各個零件，包括連桿、連桿蓋、兩個軸瓦、連桿螺栓及螺母。稱作凸臺的表面壓鑄到連桿內以使其平衡。這些表面都加工的十分光滑。

 

圖3  連桿組構成圖

圖4  連桿與連桿組其他零件連接圖

 

2、軸瓦

      連桿大頭的瓦蓋內裝有分開式的滑動軸承（也叫軸瓦）。它是用1～3mm厚的鋼帶做瓦底，再澆鑄厚度為0.3～0.7mm的軟質合金制成的，并具有保持油膜減少摩擦阻力和易于磨合的作用。瓦片上鉆有小孔與曲軸上的油孔相通，以潤滑軸頸和軸瓦。有的軸瓦內表面設有垂直于軸頸方向的淺槽用以儲油，使潤滑更為可靠。軸瓦的鋼帶兩頭邊沿制有定位凸鍵，嵌入連桿瓦蓋上的橫鍵中，使瓦片不得在瓦蓋內相互移動。瓦片的形狀如圖2所示。連桿軸瓦如圖5（a）的制成與曲軸主軸瓦如圖5（b）基本相同，只是主軸瓦內徑不同而已。

 3、連桿蓋

      連桿和連桿蓋都是成直線鏜孔的。當加工內孔時，連桿蓋固定在連桿上。在維修過程中，保持連桿蓋和連桿的匹配是相當重要的。如果兩者不匹配，可能是孔不正確。這就會導致連桿和軸承蓋對不正，從而造成軸承損壞或過度磨損。連桿蓋和連桿都標記有數字以使連桿蓋與連桿匹配，如圖6（a）所示。當翻修發動機時，一定要按數字進行匹配。對于某些發動機，可能省略了數字；而對于其他發動機，同一數字可能會出現在連桿上。一定要使連桿蓋和原連桿匹配。如果連桿蓋沒有與原連桿匹配，則擰緊時，曲軸就會鎖止且不能轉動。某些技師還用沖子相應地給各連桿蓋和連桿做標記。這樣確保了連桿蓋和連桿的正確裝配。

      某些連桿是粉末壓鑄的，就是將鐵粉、石墨和銅預先鑄在模子內，然后將混合物加熱，以助于將材料混合在一起。最終的結果就是各連桿與其他連桿在重量上都十分相近，這就使發動機易于平衡。另外，當制造粉末壓鑄的連桿時，連桿蓋不像在普通連桿生產那樣被鋸開。

      為了從連桿上分開連桿蓋，連桿的兩側開有兩條縫，開縫產生了應力點。當連桿蓋從連桿上拔開時，連桿在開縫處分開，這就使得每個連桿分開時是不同的。不過，目前每個連桿都只與特定的連桿蓋匹配，這就有助于維修技師更容易將連桿蓋和連桿匹配在一起。圖4（b）表示了連桿和連桿蓋之間夸張的開縫。 

      圖6（b）中連桿和連桿蓋在開縫處分開，該開縫有鋸齒邊，以便使連桿蓋與其他的蓋不發生混淆，某些連桿在其下部有噴油孔，該孔將潤滑油導向缸壁以改善潤滑狀況。其他設計形式在連桿蓋配合面上都具有噴油孔，而某些設計就不存在噴油孔。

4、連桿軸承

      連桿軸承與主軸承的設計一樣，每個軸承都是由兩半組成。小的定位突起用來將軸承定位在適宜的位置以防軸承在孔中旋轉。這些突起與連桿蓋和連桿上加工的開槽匹配，與主軸承一樣，連桿是由內側的鋼背、銅和鉛組成，涂有一薄層純錫。連桿和連桿蓋在開縫處分開，該開縫有鋸齒邊以使連桿蓋與其他的蓋不發生混淆。

 

圖5 柴油發電機軸瓦的構造圖

圖6  連桿與連桿蓋匹配圖

 

總結：

      本章在設計連桿的過程中，首先分析了連桿的工作情況，設計要求，并選擇了適當的材料，然后分別確定了連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭的主要結構參數，并進行了強度的校核，使其滿足實際加工的要求。綜上所述，連桿作為機械傳動中的重要部件，在使用時需要滿足一定的強度、剛度、耐磨性和尺寸精度要求。常用的連桿材料包括碳素鋼、合金鋼、不銹鋼和鋁合金，其制造工藝包括鍛造、鑄造和機加工等多種類型。在選擇連桿材料和制造工藝時，需要根據具體的使用環境和要求進行選擇。

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