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柴油发电机连杆在工作时承受的三种作用力 |
摘要：连杆(connecting rod)是柴油发电机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴。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曲轴的旋转运动。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。连杆的设计和制造质量直接影响着设备的性能和可靠性，本文将详细介绍连杆的主要技术要求、材料要求、工作原理以及结构和形式分类。
一、连杆工作原理和材料要求
1、运动形式
（1）连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起作往复运动；
（2）连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起作旋转运动。
因此，连杆体除了有上下运动外，还左右摆动，作复杂的平面运动。
2、连杆的作用力
连杆受力部位疲劳状态如图1所示，在工作时承受三种作用力如下：
（1）活塞传来的气体压力；
（2）活塞组零件及连杆本身（小头）的惯性力；
（3）连杆本身绕活塞销作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事故。如果刚度不足，使大头孔变形失圆，大头轴承的润滑条件受到破坏，则轴承会发热而烧损。连杆杆身变形弯曲，则会造成汽缸与活塞的偏磨，引起漏气和窜机油。所以要求连杆在尽可能轻的情况下，保证有足够的强度和刚度。
3、受力情况
连杆的基本载荷是拉伸和压缩，最大拉伸载荷出现在进气冲程开始的上止点附近，其数值为活塞组和计算断面以上那部分连杆质量的往复惯性力。
F’j=(m'+m'1)(1+λ)rω
式中，m'、m'1分别为活塞组和计算断面以上那部分往复运动的连杆质量对于四冲程发动机来说，同样是上止点，排气上止点(a=0°)、压缩上止点(a=360°)的连杆受力是不一样的。
ɑ=0°时，Fg=0，Fj=Fjmax，FL=-Fj
ɑ=360°时，Fg≈Fgmax，Fj=Fjmax，FL=Fgmax-Fjmax
其中，Fg和Fgmax为气压力和最大气压力，FL为连杆力，Fjmax为最大往复惯性力。
4、连杆的常用材质
为保证连杆结构轻巧，且有足够的刚度和强度，一般常用优质中碳钢（如45号钢）模锻或滚压成形，并经调质处理，外观如图2所示。中小功率内燃机连杆有采用球墨铸铁制造的，其效果良好，且成本较低。强化程度高的内燃机采用高级合金钢（如40Cr、40MnB、42CrMo等）滚压制造而成。合金钢的特点是抗疲劳强度高，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、过渡圆角和表面粗糙度等都有严格要求。近年来，硼钢、可锻铸铁及稀镁土球墨铸铁已广泛用于制造内燃机连杆，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。
（1）连杆常用的材料有45号钢（中碳钢）、40Cr、42Cr（中碳合金钢）、40CrMo以及采用可锻铸铁GTS65和/或球墨铸铁GGG70（多用于汽油机）等。
（2）4340（美国）合金钢属中等淬透性钢，热处理后有较好的强度和良好的综合力学性能，工艺性好，成材率高。最高使用温度为427℃。制造强度高、塑性好的重要零部件，氮化处置后制造特别功能需求的重要零件，如轴类、齿轮、紧固件等。中国对应的型号：40CrNiMo（0.4%C,1.65～2.00%Ni镍，0.70～0.90 %Cr铬，0.20～0.30 %Mo钼)。
① 43表示钢的类别，属于合金结构钢。
② 40表示钢中平均碳的质量分数×104。0.4×104=41.6≈40。
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图1 连杆的受力部位不同状态 |
图2 连杆组结构示意图 |
二、普通连杆结构
柴油发电机组的连杆组主要由连杆小头、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，结构如图3所示。
1、连杆小头
连杆小头的结构通常为短圆管形，用来安装活塞销。通常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。
2、连杆杆身
连杆杆身一般采用“工”字形断面，这是因为在材料断面面积相等的条件下，其抗弯断面模数最大，因此连杆可在最轻的情况下获得最大的结构刚度和强度。
3、连杆大头
连杆大头是连杆与曲轴连杆轴颈相连接的部分，亦是连杆轴颈的轴承部分。连杆大头一般通过孔心分成两部分，以利于拆装，其中被分开的小部分称为连杆盖（或连杆瓦盖），装配时，这两部分用两个或四个连杆螺栓连接。连杆大头的剖分形式有平切口和斜切口两种，如图4所示。
（1）如图4（a）所示，剖分面垂直于连杆杆身中心线的称为平切口。
（2）如图4（b）所示，剖分面与杆身中心线倾斜成一定角度的称为斜切口。
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图3 连杆组结构图 |
图4 柴油机连杆大头的类型区分 |
三、连杆的类型区分
v型柴油机左右两侧相对应的两个汽缸的连杆，通常都装在同一个曲柄销上。按照两个连杆连接方式的不同，可分为下列三种形式。
1、并列连杆
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5（左图）所示。由于连杆的结构形式相同，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， 使曲轴刚度降低。
2、主副连杆
主副连杆又称关节式连杆，如图5（右图）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。这种形式的优点是曲轴的长度不需加长，使曲轴刚度加强。缺点是连杆不能互换。副连杆对主连杆产生附加弯矩，以及左右两列汽缸的活塞连杆组运动规律不同。
3、叉片式连杆
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，称为叉片式连杆（如图6所示）。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汽缸中活塞连杆组的运动规律相同，曲轴的长度不需加长。缺点是叉形连杆大头结构和制造工艺比较复杂，大头的刚度也不够高。
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图5 并列和主副连杆结构图 |
图6 叉片式连杆结构图 |
四、连杆技术要求
1、强度要求
连杆在工作过程中承受着较大的压力和冲击负荷，因此其强度是一个关键指标。以下是连杆强度方面的主要技术要求：
（1）材料选择：连杆通常采用高强度合金钢制造，如40Cr、35CrMo等。选择合适的材料可以保证连杆具有足够的强度和韧性。
（2）热处理：通过热处理可以改善连杆的组织结构和性能，常用的热处理方法包括淬火、回火等。热处理过程应严格控制温度和时间，以确保连杆达到设计要求的硬度和强度。
（3）强度计算：根据工作条件和载荷情况，进行强度计算，确保连杆在工作过程中不会发生破坏或变形。计算中应考虑动载荷、静载荷、冲击载荷等因素，并采用适当的安全系数。
（4）表面处理：为了提高连杆的抗疲劳性能和耐磨性，可以进行表面处理，如镀硬铬、喷涂涂层等。
2、刚度要求
（1）连杆在工作时会受到一定的弯曲和扭转力，因此其刚度也是一个重要的技术要求。以下是连杆刚度方面的主要技术要求：
（2）几何形状：连杆的几何形状应满足设计要求，包括长度、直径、截面形状等。合理的几何形状可以提高连杆的刚度。
（3）结构设计：采用合适的结构设计可以增加连杆的刚度，如设置加强肋、螺纹连接等。同时还需要注意减小连杆的质量，以降低惯性力对刚度的影响。
（4）紧固件：连接连杆与曲轴和活塞的紧固件也需要满足一定的刚度要求。应选择合适的紧固件材料和规格，并严格控制紧固力。
3、动平衡要求
连杆在高速旋转时会产生不平衡力和振动，对设备的正常运行和寿命造成影响。以下是连杆动平衡方面的主要技术要求：
（1）质量分配：连杆的质量应进行合理分配，以降低不平衡力和振动。质量分配可以通过加重或减轻一侧的方法来实现。
（2）动平衡测试：对连杆进行动平衡测试，以确定其不平衡力和振动情况。测试过程中应使用专用设备，并按照相关标准进行操作。
（3）平衡修正：根据测试结果，对不平衡部分进行修正。修正方法包括切削、焊接等，修正后再次进行测试，直到满足要求为止。
4、精度要求
连杆的精度直接影响着设备的运行平稳性和寿命。以下是连杆精度方面的主要技术要求：
（1）尺寸精度：连杆的长度、直径、孔径等尺寸应满足设计要求，并具有一定的公差范围。尺寸精度可以通过加工工艺和设备的精度控制来保证。
（2）表面粗糙度：连杆的表面应具有一定的光洁度和平整度，以减小摩擦和磨损。表面粗糙度可以通过研磨、抛光等方法进行控制。
（3）几何形状：连杆的几何形状应满足设计要求，并具有一定的公差范围。几何形状可以通过加工工艺和设备的精度控制来保证。
（4）装配间隙：连杆与曲轴、活塞等部件之间的装配间隙应满足设计要求，并具有一定的公差范围。装配间隙可以通过合理设计和加工控制来保证。
总结：
连杆机构是一种由连杆和铰链组成的机构，它可以转换运动形式、实现力的传递和变化，并能够实现复杂的运动轨迹。连杆作为柴油机中重要的传动部件，其设计和制造质量直接影响着设备的性能和可靠性。连杆机构的设计和应用需要考虑多个因素，包括结构强度、运动平稳性、能量损耗等等。通过合理设计和应用连杆机构，可以实现各种各样的机械功能，提高柴油发动机的性能和效率。本文从强度、刚度、动平衡和精度等方面详细介绍了连杆的主要技术要求。合理选择材料、进行适当的热处理、进行强度计算和表面处理，可以保证连杆具有足够的强度；合理设计几何形状、采用合适的结构设计和紧固件，可以提高连杆的刚度；合理分配质量、进行动平衡测试和修正，可以降低不平衡力和振动；控制尺寸精度、表面粗糙度、几何形状和装配间隙，可以保证连杆的精度。通过满足这些技术要求，可以提高连杆的工作性能和可靠性，延长设备的使用寿命。
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