连杆组件

青青

第五节  连杆组件
一、连杆组件的功用、工作条件及要求（图2-39）
组成：连杆本体、连杆盖、连杆螺栓和大、小端轴承等。
功用：①连杆小端轴承与活塞销（或十字头销）滑动配合，大端轴承与曲轴的曲柄销颈配合，形成曲柄连杆机构，将活塞的直线运动转换为曲轴的回转运动；②工作中活塞顶面所受气体压力由连杆传给曲轴，将往复机械功变为曲轴转动转矩。③连杆运动形式十分复杂：小端作直线运动，大端作回转运动，杆身作平面运动，其杆身中心不断相对气缸中心左右摆动。
工作条件：①承受、传递气体爆发力和活塞连杆小端等往复运动惯性力；②这些力周期性变化循环冲击载荷，对连杆形成疲劳损害，二冲程连杆始终受压应力作用，四冲程机连杆在排气冲程上死点附近受拉应力作用，而其它时刻则受压应力作用；③连杆大小端轴承与活塞销（或十字头销）及曲柄销产生摩擦磨损；④受压缩载荷时连杆会产生纵向弯曲。在连杆摆动平面内的弯曲比另一方向的弯曲要大些，由于连杆左右摆动角速度周期变化以及产生的摆动惯性力矩都增加连杆纵向弯曲的程度。
    要求：①具备足够的刚度和抗冲击疲劳强度；②尽可能质量轻，惯性小；③连杆轴承应耐磨可靠；④连杆螺栓应有较高疲劳强度和联接可靠。⑤都用优质钢材模锻后加工制造，材料有35、45、35CrMn、40Cr等，并采用正火或调质等热处理。
二、连杆组件的结构
    1．筒状活塞式柴油机的连杆
一般连杆都是采用中碳钢或合金钢，用自由锻造或模锻毛坯制造。
    1）连杆杆身（图2-40）
由自由锻造毛坯制成的圆柱形截面杆身（图a）bcdef，主要用于中型或小批量生产的柴油机中，具有质量大和材料利用不合理的缺点。矩形截面（图b）比上述者稍好。工字形截面（图c）在其摆动的平面内有较大的截面惯性矩，质量小，材料利用合理，通常采用模锻毛坯，适用于大批量生产的中、高速柴油机。
为使应力分布均匀，连杆杆身应当从小端到大端逐渐加粗，如图2-41所示。为了避免应力集中，杆身与大、小端的过渡处应当尽量平缓。连杆杆身中常钻有油孔，作为把润滑油从大端输送到小端、润滑连杆小端轴承和冷却活塞的通道。
2）连杆小端（图2-42）
连杆小端是活塞销的轴承，小端孔内压人锡青铜衬套或浇有轴承合金的卷制衬套。圆柱形连杆小端（图a））用于工字形杆身由模锻而成，球形连杆小端（图b））用于圆形杆身由自由锻造毛坯车削加工成型。
在二冲程柴油机中，由于连杆所受气体压力与往复惯性力的合力的方向保持不变，轴承连杆小端是活塞销的轴承，小端孔内压入锡青铜衬套或浇有轴承合金的卷制衬套。圆柱形连杆小端（图a））用于工字形杆身由模锻而成；球形连杆小端（图b））用于圆形杆身由自由锻造毛坯车削加工成型；由于四冲程柴油机的连杆小端上部要承受往复惯性力的拉伸作用，因此，用偏心圆弧（图c））来增加顶部中央截面抗弯能力的结构；图d）、e）是采用锥形或阶梯形活塞销座时相适应的连杆小端结构形式，其连杆小端下部主要承压面被增大。连杆小端衬套内表面制有许多布油槽（图f）），以保证轴承内有充裕的润滑油。二冲程柴油机也有采用如图2-43所示小端为一个凸缘，用螺钉与活塞销连接的形式。
  3）连杆大端和轴瓦
连杆大端是曲柄销的轴承，根据拆装条件，通常都是制成上、下两半的剖分式结构，用螺栓连接而成。连杆大端的结构形式有以下几种：
（1）船用连杆大端（图2-44a））：连杆大端与杆身分开，由凸肩定位,用连杆螺栓紧固于连杆杆身下端凸缘上。这种结构可以通过改变杆身与大端之间的垫片厚度δ1调节连杆长度（大、小端中心距），以保证各缸压缩比相同。在大端轴承采用厚壁轴瓦或将轴承合金直接浇铸在大端孔内的情况下，大端轴承分界面间也装有垫片，调整垫片的厚度δ2，可在一定范围内调整垂直方向的轴承间隙。因其尺寸与重量大，多用于中、大型柴油机中。

（2）平切口连杆大端（车用式大端），如图 2-44 b）所示。连杆大端分为两半，剖分面与连杆中心线垂直，上半部分与连杆杆身为一体。这种结构质量轻，加工方便，曲柄销直径与气缸直径之比在0.72以下。常用于中、小型柴油机中。
筒状活塞式柴油机通常是连杆与活塞预先组装后一起通过气缸装入柴油机内，因此，连杆大端的宽度就必须小于气缸直径。但是，随着柴油机强化程度的不断提高，为了保证曲轴的刚度、强度和连杆大端轴承承压面积足够，就必须增大曲柄销直径与缸径的尺寸比例，必然引起连杆大端宽度增大。在保证平切口连杆大端宽度小于气缸直径的前提下，如图 2-44b）所示，用增加连杆螺栓数目，缩小螺栓直径来增大曲柄销直径的相对尺寸也是有限度的。
（3）斜切口连杆大端（图2-45)和图 2-45 a）所示，采用斜切口连杆大端即使将曲柄销直径增大到气缸直径的0.85倍，仍然可以保证活塞连杆组通过气缸进行装拆。但沿剖分面的切向力却要使连杆螺栓受到剪切。为了使连杆螺栓不受剪切，连杆大端必须采用能够承受切向力的定位方式。图a)为止口定位，简单但可靠性差；图b)为135等机采用的销套，钢质销套与连杆盖过盈配合，其结构简单，承受剪力有限；图c)为锯齿定位是目前应用最多的一种定位方式，它有较多的抗剪切断面，抗剪切能力强，其定位可靠，尺寸紧凑，但必须保证有足够高的齿形精度和贴合度。加工精度高，应用较为广泛；图d)为舌榫定位，舌榫具有较大的抗剪切能力，但它要求接合面有较高的贴合度。这种定位方式多用于中小型柴油机中。
连杆大端轴承常用薄壁轴瓦，个别的也有厚壁轴瓦或将轴承合金直接浇铸在船用式连杆大端的内表面。
厚壁轴瓦由低碳钢或青铜制成瓦背，在其内表面上浇轴承合金，轴瓦厚度t较厚，与轴承直径D的比值t/D在0.065以上，轴承合金层厚度常在0.75～2mm。由于瓦背厚度大刚性好，轴瓦本身可以保证轴承孔的尺寸和几何精度，对大端孔的加工精度要求较低；轴瓦与轴颈的配合间隙须经常单件刮配保证，适用于小批量或单件生产，目前仅在个别大型低速柴油机中应用。当轴瓦磨损使轴承间隙过大时，可以把装在轴承瓦口平面间的调隙垫片抽去一些，再刮配轴瓦达到合适的配合间隙。为了防止轴瓦在大端孔内移动，可用销钉定位。
    薄壁轴瓦通常由浇铸或轧制轴承合金的钢带制成，其t/D仅在0.02～0.065之间，合金层厚度为0.2～0.7mm。轴瓦薄且富有弹性，轴瓦与轴颈以及大端孔的配合精度由轴颈和大端孔的加工精度以及轴瓦壁厚精度保证。因此，具有制造精度高，互换性好；合金层厚度薄，轴瓦疲劳强度高，承载能力强，寿命长等优点。广泛应用于各种类型柴油机中。薄壁轴瓦常用定位唇（在尺寸较大的轴瓦中也有用定位销）定位、以较大的过盈量压入连杆大端孔内，以过盈配合来保证散热和防止相对移动。   
常用的轴承合金有白合金、锡铝合金和铜铅合金。白合金具有较好的表面性能（抗咬合性、嵌藏性和顺应性等）、耐腐蚀和耐磨性能，而疲劳强度较低；锡铝合金具有良好的机械性能、耐腐蚀和耐磨性能，但表面性能较差；铜铅合金也具有良好的机械性能和耐磨性能，但表面性能和耐腐蚀性较差。
    一般凡属机械性能好的轴承合金，其表面性能就较差。因此，为使轴瓦既具有承载能力强、疲劳强度高，又有较好的表面性能，常在轴承合金表面上再镀一层极薄（0.015～0.025mm）的由铅、锡、姻、铱等组成的表面涂层材料，构成所谓“三层金属轴瓦”。三层金属轴瓦已在各种类型的强化柴油机中广泛应用。
    在大多数中小型柴油机中，连杆中润滑油都是由曲柄销油孔出来，润滑大端轴承后沿连杆中心孔9或另附设油管到达连小端的。连杆大端上轴承的出油孔都偏离垂直中心线方向，甚至开在水平两侧，以保证主轴承的承压面完整。
2．十宇头式柴油机连杆
十字头式柴油机的连杆小端是十字头轴承，常制成叉形剖分式结构。杆身和大端，由于其尺寸和质量大，为便于制造，杆身多为圆形截面，连杆大端是船用式和平切口式两种都有应用。图2-46是Sulzer RTA系列柴油机的连杆结构。其连杆小端用薄壁下轴瓦，小端盖内表面直接浇铸轴承合金；连杆大端为船用式大端，用薄壁轴瓦，只有RTA38型柴油机是将白合金直接浇
铸在大端孔内。
图2-47所示为 L－MC／MCE柴油机的连杆立体分解图，图中也示出了该机的十字头。连杆的杆身与连杆大、小端轴承座合为一体，整个连杆结构紧凑，长度很短，可减少整机高度。连杆大端为平切口式，大端上半部和杆身连成一体。这种形式的连杆小端刚性大，十字头销短而粗，采用全支承刚性十字头轴承。它的承载能力和工作可靠性都明显增加。
3．V型柴油机连杆
    1）并列式连杆
    V型柴油机的并列式连杆的结构与普通单列式柴油机的连杆基本相同。每一排气缸的两根相同的连杆，并列地安装在同一个曲柄销上。
    2）主副连杆（图2-48）
主连杆直接安装在曲柄销上，副连杆则利用连接销（称副连杆销）旁接于主连杆上。主、副连杆的结构完全不同，副连杆的下端中心线也不与曲柄销同心。
3．叉骑式连杆（图2-49）
中央连杆2的大端插在叉形连杆1的中央。叉形连杆大端采用特殊的厚壁轴瓦3，内表面浇铸有铜铅合金，外表面中部镀铬硬化，充当中央连杆的“轴颈”，中央连杆大端内采用普通的薄壁轴瓦。也有在叉形连杆大端厚壁轴瓦的内、外表面都浇铸轴承合金，中央连杆大端内不再另装轴瓦。
上述三种形式中，并列连杆最简单，两列气缸的连杆结构和工作情况相同，但是每排两只气缸的中心线必须前后错开，导致柴油机长度增加，而且连杆大端轴瓦载荷也最大。主副连杆中的主连杆大端具有较大的刚度，其轴承的工作较可靠，但副连杆销的 载荷较高；主副连杆两列气缸的 活塞行程和运动规律也不相同。叉形连杆大端刚度较差，加工制造也比较麻烦。
四、连杆螺栓
连杆螺栓是连接连杆大端和连杆盖的承载较高的重要连接螺栓。
    连杆螺栓要受到装配时预紧力的作用。预紧力应保证各剖分面之间紧密贴合，使它们在最大往复惯性力等的拉伸作用下也不致分离，因此，预紧力要远远超过最大往复惯性力。四冲程柴油机的连杆螺栓还要受到往复惯性力的拉伸载荷。
    连杆螺栓通常是采用优质合金钢材料，只是在低速柴油机中才用优质碳钢材料。
    连杆螺栓的结构形式如图2-50所示。图中a）、b）是用于船用式连杆大端的连杆螺栓，杆身上有二段定位凸肩。图c）～e）为中、高速柴油机常用的连杆螺栓和螺钉。为了减小连杆螺栓所受交变应力，提高连杆螺栓的疲劳强度，连杆螺栓都采用柔性结构，即适当增加螺栓长度，减小螺栓杆部的直径以增加螺栓的柔度。在螺栓截面变化处以及根部都采用足够大的过渡圆弧半径和较小的表面粗糙度值，以改善应力集中情况。将螺栓和螺母的细牙倒锥，使螺纹载荷分布趋于均匀螺栓头和螺母的支承平面都与螺纹中心垂直，以减小附加弯曲应力。
在上紧螺母时为防止螺栓转动，应有防止螺栓转动的结构措施；螺栓旋紧后，还应有锁紧措施。
连杆螺栓的预紧力过大，或各螺栓的预紧力不均，都可能降低它的工作可靠性。因此，连杆螺栓的预紧力、紧固方法和步骤都应按制造厂的规定进行。如发现连杆螺栓有损伤、裂纹或残余伸长量超过规定值，都必须及时更换。
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