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柴油机连杆设计要求、结构和材料选用 |
摘要：柴油发电机连杆组主要由连杆、连杆螺栓、螺母、连杆轴瓦、小头衬套等组成连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除有上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此，在设计时应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度。如果强度不足，就会发生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂，造成严重事故，同样，如果连杆组刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响。所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。
一、连杆的设计要求和材料选用
连杆组功能是将活塞与曲轴连接起来，通过它将活塞所承受的力传给曲轴，使活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。为此，必须选用高强度的材料、合理的结构形状和尺寸。为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，采用精选含碳量的优质中碳结构钢45模锻，表面喷丸强化处理，提高强度。
1、连杆长度的确定
首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度ι它通常是用连杆比λ=r/ι来说明的，通常λ=0.25～0.3125，取λ=0.27，r=40.23mm，则ι=0.27×40.23=149mm。
2、连杆小头的结构设计与强度
（1）连杆小头的结构设计
连杆小头主要结构尺寸如图1所示，小头衬套内径d₁和小头宽度B₁已在活塞组设计中确定，d，=22mm，B₁=26.388mm。为了改善磨损，小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套，衬套大多用耐磨锡青铜铸造，这种衬套的厚度一般为δ=2～3mm，取δ=2.2mm，则小头孔直径d=24.2mm，小头外径D₁=(1.2～1.35)d，取D₁=1.27×24.2=30.734mm。
（2）连杆小头的强度
以过盈压入连杆小头的衬套，使小头断面承受拉伸压力。若衬套材料的膨胀系数比连杆材料的大，则随工作时温度升高，过盈增大，小头断面中的应力也增大。此外，连杆小头在工作中还承受活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩，可见工作载荷具有交变性。
3、连杆杆身的结构设计与强度
（1）连杆杆身结构的设计
连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身截面宽度B约等于(0.26～0.3)D(D为气缸直径)，取B=0.27D=21.87mm，截面高度H=(1.5~1.8)B，取H=1.65B=36.08mm。为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。
（2）连杆杆身的强度
连杆杆身在不对称的交变循环载荷下工作，它受到位于计算断面以上做往复运动的质量的惯性力的拉伸，在爆发行程，则受燃气压力和惯性力差值的压缩，为了计算疲劳强度安全系数，必须进行断面的最大拉伸、压缩应力试验。原材料经锻造成形后，分别在锻造态连杆大头和连杆体处取横向和纵向拉棒试样进行拉伸试验，取样位置见图2所示。
4、连杆大头的结构设计与强度
（1）连杆大头的结构设计与主要尺寸
连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径D₂、长度B₂、连杆轴瓦厚度δ，和连杆螺栓直径dm。其中在D₂、B₂在曲轴设计中确定，D₂=47.8nm，B₂=26.73mm，则大头宽度b₂=26.73mm，轴瓦厚度δ₂=(1.5～3)mm，取δ₂=2.5mm，大头孔直径d₂=50.3mm。
连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度H₁≈H₂≈(0.35～0.5)d₂，取H₁=0.45d₂=22.64mm，取H₂=0.43d₂=21.63mm，为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离C=(1.24～1.31)d₂，取C=1.27d₂=63.881mm，一般螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。
（2）连杆大头的强度
假设通过螺栓的紧固连接，把大头与大头盖近似视为一个整体，弹性的大头盖支承在刚性的连杆体上，固定角为α₀，α₀通常取40°，作用力通过曲柄销作用在大头盖上按余弦规律分布，大头盖的断面假定是不变的，且其大小与中间断面一致，大头的曲率半径为C/2。
连杆盖的最大载荷是在进气冲程开始的，计算得：
P₂=Pjmax+Pr=10519.681+6923.799 =17443.48N
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图1 柴油机连杆小头主要结构尺寸 |
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图2 连杆锻造态拉伸试验取样位置图
二、连杆组结构
1、连杆结构组成
连杆由小头、杆身和大头三部分组成。小头绕活塞销摆动；大头绕连杆轴颈转动，整个连杆又作往复运动。当发动机工作时，作用于连杆上的力有气体压力和方向变化的惯性力，这些力会使连杆产生变形或引起连杆大头、小头的破坏。当连杆大头与连杆轴颈、小头与活塞销连接处的间隙增大时，还会产生冲击负载。因此，连杆的材料在保证强度和抗疲劳条件下，还要尽可能地减轻其重量。连杆一般多用碳钢或合金钢锻模混压而成，并经热处理和机械加工，也有用球墨铸铁浇铸而成。连杆的各部构造与形状如图3所示。
（1）连杆小头
小头内装有一个青铜薄壁衬套（连杆铜套），以减小连杆小头与活塞销之间的摩擦。为了便于活塞销与连杆衬套的润滑，在衬套上钻有油孔（或切槽）与连杆小头上的油孔或（切槽）相通，飞溅的机油便可由此进入孔内。
（2）杆身
杆身除承受压缩和拉伸负载外，还承受很大弯曲力矩，为了增加连杆摆动，故其断面一般都铸成“工”字形。若活塞销是靠压力式润滑的，则沿杆身还钻有或装有输送机油用的润滑油道。杆身的材料为45或40号中碳钢。
（3）大头
为了便于装配，连杆大头一般为分开式。能够分开的那个半圆叫连杆瓦盖，另半圆在连杆大头上，它靠两只（或四只）强度大、精度高的合金钢螺栓把连杆紧固与连杆轴颈铰链起来。有些连杆的瓦盖上有“油勺”，使激溅润滑更为可靠。还有些连杆大头根部有射油孔，以利于凸轮轴和汽缸壁的润滑。
（4）连杆连接方法
连杆将活塞连到曲轴上。一端连在活塞销上，另一端连在曲轴连杆轴颈上。图4所示为连杆的各个零件，包括连杆、连杆盖、两个轴瓦、连杆螺栓及螺母。称作凸台的表面压铸到连杆内以使其平衡。这些表面都加工的十分光滑。
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图3 连杆组构成图 |
图4 连杆与连杆组其他零件连接图 |
2、轴瓦
连杆大头的瓦盖内装有分开式的滑动轴承（也叫轴瓦）。它是用1～3mm厚的钢带做瓦底，再浇铸厚度为0.3～0.7mm的软质合金制成的，并具有保持油膜减少摩擦阻力和易于磨合的作用。瓦片上钻有小孔与曲轴上的油孔相通，以润滑轴颈和轴瓦。有的轴瓦内表面设有垂直于轴颈方向的浅槽用以储油，使润滑更为可靠。轴瓦的钢带两头边沿制有定位凸键，嵌入连杆瓦盖上的横键中，使瓦片不得在瓦盖内相互移动。瓦片的形状如图2所示。连杆轴瓦如图5（a）的制成与曲轴主轴瓦如图5（b）基本相同，只是主轴瓦内径不同而已。
3、连杆盖
连杆和连杆盖都是成直线镗孔的。当加工内孔时，连杆盖固定在连杆上。在维修过程中，保持连杆盖和连杆的匹配是相当重要的。如果两者不匹配，可能是孔不正确。这就会导致连杆和轴承盖对不正，从而造成轴承损坏或过度磨损。连杆盖和连杆都标记有数字以使连杆盖与连杆匹配，如图6（a）所示。当翻修发动机时，一定要按数字进行匹配。对于某些发动机，可能省略了数字；而对于其他发动机，同一数字可能会出现在连杆上。一定要使连杆盖和原连杆匹配。如果连杆盖没有与原连杆匹配，则拧紧时，曲轴就会锁止且不能转动。某些技师还用冲子相应地给各连杆盖和连杆做标记。这样确保了连杆盖和连杆的正确装配。
某些连杆是粉末压铸的，就是将铁粉、石墨和铜预先铸在模子内，然后将混合物加热，以助于将材料混合在一起。最终的结果就是各连杆与其他连杆在重量上都十分相近，这就使发动机易于平衡。另外，当制造粉末压铸的连杆时，连杆盖不像在普通连杆生产那样被锯开。
为了从连杆上分开连杆盖，连杆的两侧开有两条缝，开缝产生了应力点。当连杆盖从连杆上拔开时，连杆在开缝处分开，这就使得每个连杆分开时是不同的。不过，目前每个连杆都只与特定的连杆盖匹配，这就有助于维修技师更容易将连杆盖和连杆匹配在一起。图4（b）表示了连杆和连杆盖之间夸张的开缝。
图6（b）中连杆和连杆盖在开缝处分开，该开缝有锯齿边，以便使连杆盖与其他的盖不发生混淆，某些连杆在其下部有喷油孔，该孔将润滑油导向缸壁以改善润滑状况。其他设计形式在连杆盖配合面上都具有喷油孔，而某些设计就不存在喷油孔。
4、连杆轴承
连杆轴承与主轴承的设计一样，每个轴承都是由两半组成。小的定位突起用来将轴承定位在适宜的位置以防轴承在孔中旋转。这些突起与连杆盖和连杆上加工的开槽匹配，与主轴承一样，连杆是由内侧的钢背、铜和铅组成，涂有一薄层纯锡。连杆和连杆盖在开缝处分开，该开缝有锯齿边以使连杆盖与其他的盖不发生混淆。
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图5 柴油发电机轴瓦的构造图 |
图6 连杆与连杆盖匹配图 |
总结：
本章在设计连杆的过程中，首先分析了连杆的工作情况，设计要求，并选择了适当的材料，然后分别确定了连杆小头、连杆杆身、连杆大头的主要结构参数，并进行了强度的校核，使其满足实际加工的要求。综上所述，连杆作为机械传动中的重要部件，在使用时需要满足一定的强度、刚度、耐磨性和尺寸精度要求。常用的连杆材料包括碳素钢、合金钢、不锈钢和铝合金，其制造工艺包括锻造、铸造和机加工等多种类型。在选择连杆材料和制造工艺时，需要根据具体的使用环境和要求进行选择。
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