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零件裝配與結構組成 |
柴油機連桿組的作用及主要零件組成 |
摘要：柴油發(fā)電機連桿組的功用是連接活塞與曲軸，將活塞承受的燃氣壓力傳給曲軸，并和連桿配合，把活塞的直線(xiàn)往復運動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉運動(dòng)。連桿在工作時(shí)，承受有三種作用力：活塞傳來(lái)的氣體壓力；活塞組零件及連桿本身（小頭）的慣性力；連桿本身繞活塞銷(xiāo)做變速擺動(dòng)時(shí)的慣性力。這些力的大小和方向都是周期性的變化，因此連桿承受著(zhù)壓縮、拉伸和橫向彎曲等交變應力。連桿或連桿螺栓一旦斷裂，就可能造成整機破壞的重大事故。如果剛度不足，使大頭孔變形失圓，大頭軸承的潤滑條件受到破壞，則軸承會(huì )發(fā)熱而燒損。連桿桿身變形彎曲，則會(huì )造成氣缸與活塞的偏磨，引起漏氣和竄機油。所以要求連桿在盡可能輕的情況下，保證有足夠的強度和剛度。
一、普通連桿結構
一般柴油機的連桿組是由連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭、連桿蓋、連桿軸瓦、連桿襯套和連桿螺栓等部分組成（如圖1所示）。
1、連桿小頭
連桿小頭的結構通常為短圓管形，用來(lái)安裝活塞銷(xiāo)。通常以半徑較大的圓弧與桿身圓滑銜接，從而減少過(guò)渡處的應力集中。在小頭孔中壓配有耐磨的錫青銅、鋁青銅或鐵基粉末冶金的薄壁襯套，以減小活塞銷(xiāo)的磨損。為了潤滑襯套和全浮式活塞銷(xiāo)的配合表面，在連桿小頭和襯套上方鉆孔或銑槽，以收集飛濺下來(lái)的油霧。對采用壓力潤滑方式的連桿，在桿身中鉆有油道，潤滑油從曲軸連桿軸頸，經(jīng)過(guò)桿身油道進(jìn)小頭襯套的摩擦表面。
2、連桿桿身
連桿桿身一般采用“工”字形斷面，這是因為在材料斷面面積相等的條件下，其抗彎斷面模數最大，因此連桿可在最輕的情況下獲得最大的結構剛度和強度。
3、連桿大頭
連桿大頭是連桿與曲軸連桿軸頸相連接的部分，亦是連桿軸頸的軸承部分。連桿大頭一般通過(guò)孔心分成兩部分，以利于拆裝，其中被分開(kāi)的小部分稱(chēng)為連桿蓋（或連桿瓦蓋），裝配時(shí)，這兩部分用兩個(gè)或四個(gè)連桿螺栓連接。
連桿螺栓一般用中碳合金鋼經(jīng)精加工調質(zhì)處理制成。為使連桿軸瓦與大頭貼合良好，防止大頭剖分面在受力時(shí)產(chǎn)生縫隙，連桿螺栓必須具有一定的預緊力。所以各生產(chǎn)廠(chǎng)對螺栓的扭緊力矩都做了詳細的規定。裝配時(shí)，連桿螺栓應按一定次序、對稱(chēng)均勻、分2～3次逐步擰緊，達到規定的扭緊力矩。連桿螺栓緊固后，為防止其松脫，一般采用開(kāi)口銷(xiāo)、鐵絲、鎖緊片等鎖緊。當螺紋精確加工且合理擰緊時(shí)，不加任何鎖緊裝置，連桿螺栓也不會(huì )松動(dòng)，所以在現代柴油機中，連桿螺栓大多沒(méi)有特別的鎖緊裝置。
由于大頭孔的精度要求很高，因此必須在剖分后再組合在一起進(jìn)行孔的加工?？准庸ず蟊仨毻ㄟ^(guò)定位裝置將大頭蓋與連桿大頭之間的相對位置加以固定， 連桿根據制造方式有兩種配對方法，分為切割和斷裂方式，如圖1所示。為了防止裝配時(shí)錯位，應在大頭與大頭蓋的一側打上配對記號。
連桿大頭的剖分形式有平切口和斜切口兩種。剖分面垂直于連桿桿身中心線(xiàn)的稱(chēng)為平切口［如圖2（a）所示］。剖分面與桿身中心線(xiàn)傾斜成一定角度（30°～60°，通常成45°）的稱(chēng)為斜切口［如圖2（b）所示］。
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圖1 柴油機連桿配對方式 |
圖2 柴油機連桿結構組成示意圖 |
二、V形連桿形式
V型柴油機左右兩側相對應的兩個(gè)氣缸的連桿，通常都裝在同一個(gè)曲柄銷(xiāo)上。按照兩個(gè)連桿連接方式的不同，可分為并列、主副、叉形三種形式，如圖3所示。
1、并列連桿
相對應的左右兩缸的連桿，一前一后地裝在同一曲柄銷(xiāo)上，如圖4所示。由于連桿的結構形式相同，因此可以通用，而且兩側氣缸的活塞連桿組的運動(dòng)規律相同。其缺點(diǎn)是兩側氣缸的中心線(xiàn)沿曲軸軸向要錯開(kāi)一段距離，因而曲軸的長(cháng)度增加，使曲軸剛度降低。
2、主副連桿
主副連桿又稱(chēng)關(guān)節式連桿，結構如圖5所示。一列氣缸的連桿裝在連桿軸頸上，稱(chēng)為主連桿；另一列氣缸的連桿，通過(guò)一圓柱銷(xiāo)與主連桿的耳銷(xiāo)孔相連接，稱(chēng)為副連桿。左右兩列對應氣缸的主副連桿及其中心線(xiàn)位于同一平面內。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是曲軸的長(cháng)度不需加長(cháng)，使曲軸剛度加強。缺點(diǎn)是連桿不能互換。副連桿對主連桿產(chǎn)生附加彎矩，以及左右兩列氣缸的活塞連桿組運動(dòng)規律不同。
3、叉片式連桿
左右兩列氣缸相對應的兩個(gè)連桿中，一個(gè)連桿的大頭做成叉形，另一個(gè)連桿的大頭插在叉形連桿的開(kāi)擋內（如圖6所示），稱(chēng)為叉片式連桿。
叉形連桿桿身的工字斷面的長(cháng)軸位于垂直于擺動(dòng)平面的平面內。其翼板伸到大頭的部分就成為叉形，這使片式連桿擺動(dòng)時(shí)，在叉形連桿桿身上開(kāi)槽的高度可以減小，因而強度有所提高。叉形連桿的優(yōu)點(diǎn)是兩列氣缸中活塞連桿組的運動(dòng)規律相同，曲軸的長(cháng)度不需加長(cháng)。缺點(diǎn)是叉形連桿大頭結構和制造工藝比較復雜，大頭的剛度也不夠高。
在缸徑較大，缸數較多的V型柴油機上，多采用主副連桿和叉片式連桿，而一般V型柴油機則多采用并列式連桿。
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圖3 柴油機V型連桿形式類(lèi)型 |
圖4 柴油機并列連桿結構圖 |
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圖5 柴油機V形主副連桿結構圖 |
圖6 柴油機叉片式連桿結構圖 |
三、連桿軸承材料和結構
柴油機中的軸承以滑動(dòng)軸承（又稱(chēng)軸瓦）為多，其中受力較大且具有重要作用的是連桿軸承和曲軸主軸承，所在位置如圖7所示。它們的工作情況對柴油機的可靠性、使用壽命等有很大影響。它們的工作情況和材料要求大致相同，因此在此一并介紹。
軸瓦是用厚1～3mm的鋼帶作瓦背，其上澆有厚0.3～1.0mm的減摩合金（白合金、銅鉛合金或鋁基合金）的薄壁零件。連桿軸承在工作時(shí)受到氣體壓力和活塞連桿組往復慣性力的沖擊作用，而且軸承工作表面和軸之間有很高的相對滑動(dòng)速度，由于高負荷、高速度的作用，所以軸承很容易發(fā)熱和磨損。這就要求減摩合金的機械強度要高，耐腐蝕、耐熱性和減摩性要好。由于柴油機的軸承負荷大，所以柴油機通常采用銅鉛合金或鋁基合金軸瓦。它們的抗疲勞強度高，承載能力大，耐磨性也好，但其減摩性較差。為了改善減摩合金的表面性能，通常在減摩合金上再鍍一層極薄的合金（多為鉛錫合金），構成“鋼背-減摩合金-表層”的三層金屬軸瓦。我國在中小型柴油機上廣泛采用了鋁基合金軸瓦，
其疲勞強度高，減摩性也不差，耐腐蝕性好，制造成本低。為了使軸瓦在工作中不致轉動(dòng)或軸向移動(dòng)，在軸瓦上沖出高出背面的定位凸鍵，在軸瓦裝入大頭孔中時(shí)，兩個(gè)凸鍵應分別嵌入連桿桿身和連桿蓋的相應凹槽中。有些軸瓦在內表面有淺槽，用以?xún)τ鸵岳麧櫥?。但?shí)踐證明，開(kāi)油槽的軸瓦承載能力顯著(zhù)降低，因此受力大的軸瓦，如主軸承的下軸瓦，最好不開(kāi)槽。
軸瓦的內外表面都經(jīng)過(guò)精密加工，因此，不允許以任何不適當的手工方式加工（如銼連桿蓋、焊補合金等）。裝配時(shí)，連桿軸瓦與曲柄銷(xiāo)間應有適當的油膜間隙，并注意軸承匹配正確的連桿型式（如圖8所示），匹配錯誤會(huì )造成柴油機嚴重損壞。安裝軸瓦時(shí)，必須保持干凈，如有任何雜物落入，將會(huì )破壞其緊密性，引起軸瓦變形、過(guò)熱甚至燒壞合金。
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圖7 柴油機連桿軸承位置圖 |
圖8 連桿軸承匹配示意圖 |
總結：
為保證連桿結構輕巧，且有足夠的剛度和強度，一般常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼（如45鋼）模鍛或滾壓成形，并經(jīng)調質(zhì)處理。中小功率柴油機連桿有采用球墨鑄鐵制造的，其效果良好，且成本較低。強化程度高的柴油機采用高級合金鋼（如40Cr、40MnB、42CrMo等）滾壓制造而成。合金鋼的特點(diǎn)是抗疲勞強度高，但對應力集中比較敏感，因此采用合金鋼制造連桿的時(shí)候，對其外部形狀、過(guò)度圓角和表面粗糙度等都有嚴格要求。近年來(lái)，硼鋼、可鍛鑄鐵及稀土鎂球墨鑄鐵已廣泛用于制造柴油機連桿，其抗疲勞強度接近于中碳鋼，并且其切削性能很好，對應力集中不敏感，制造成本低。
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