新聞主題	柴油發電機連桿在工作時承受的三種作用力

 

摘要：連桿(connecting rod)是柴油發電機中的重要零件，它連接著活塞和曲軸。柴油發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，把活塞的直線往復運動變為曲軸的旋轉運動。連桿在工作中，除承受燃燒室燃氣產生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。連桿的設計和制造質量直接影響著設備的性能和可靠性，本文將詳細介紹連桿的主要技術要求、材料要求、工作原理以及結構和形式分類。

 

一、連桿工作原理和材料要求

 

1、運動形式

（1）連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起作往復運動；

（2）連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起作旋轉運動。

      因此，連桿體除了有上下運動外，還左右擺動，作復雜的平面運動。

2、連桿的作用力

      連桿受力部位疲勞狀態如圖1所示，在工作時承受三種作用力如下：

（1）活塞傳來的氣體壓力；

（2）活塞組零件及連桿本身（小頭）的慣性力；

（3）連桿本身繞活塞銷作變速擺動時的慣性力。

      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，則軸承會發熱而燒損。連桿桿身變形彎曲，則會造成汽缸與活塞的偏磨，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。

3、受力情況

      連桿的基本載荷是拉伸和壓縮，最大拉伸載荷出現在進氣沖程開始的上止點附近，其數值為活塞組和計算斷面以上那部分連桿質量的往復慣性力。

F’j=(m'+m'₁)(1+λ)rω

      式中，m'、m'₁分別為活塞組和計算斷面以上那部分往復運動的連桿質量對于四沖程發動機來說，同樣是上止點，排氣上止點(a=0°)、壓縮上止點(a=360°)的連桿受力是不一樣的。

ɑ=0°時，F_g=0，F_j=F_jmax，F_L=-F_j

ɑ=360°時，F_g≈F_gmax，F_j=F_jmax，F_L=F_gmax-F_jmax

 

      其中，F_g和F_gmax為氣壓力和最大氣壓力，F_L為連桿力，F_jmax為最大往復慣性力。

4、連桿的常用材質

      為保證連桿結構輕巧，且有足夠的剛度和強度，一般常用優質中碳鋼（如45號鋼）模鍛或滾壓成形，并經調質處理，外觀如圖2所示。中小功率內燃機連桿有采用球墨鑄鐵制造的，其效果良好，且成本較低。強化程度高的內燃機采用高級合金鋼（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候，對其外部形狀、過渡圓角和表面粗糙度等都有嚴格要求。近年來，硼鋼、可鍛鑄鐵及稀鎂土球墨鑄鐵已廣泛用于制造內燃機連桿，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。

（1）連桿常用的材料有45號鋼（中碳鋼）、40Cr、42Cr（中碳合金鋼）、40CrMo以及采用可鍛鑄鐵GTS65和/或球墨鑄鐵GGG70（多用于汽油機）等。

（2）4340（美國）合金鋼屬中等淬透性鋼，熱處理后有較好的強度和良好的綜合力學性能，工藝性好，成材率高。最高使用溫度為427℃。制造強度高、塑性好的重要零部件，氮化處置后制造特別功能需求的重要零件，如軸類、齒輪、緊固件等。中國對應的型號：40CrNiMo（0.4%C,1.65～2.00%Ni鎳，0.70～0.90 %Cr鉻，0.20～0.30 %Mo鉬)。

① 43表示鋼的類別，屬于合金結構鋼。

② 40表示鋼中平均碳的質量分數×104。0.4×104=41.6≈40。

 

圖1  連桿的受力部位不同狀態

圖2  連桿組結構示意圖

 

二、普通連桿結構

 

      柴油發電機組的連桿組主要由連桿小頭、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，結構如圖3所示。

1、連桿小頭

      連桿小頭的結構通常為短圓管形，用來安裝活塞銷。通常以半徑較大的圓弧與桿身圓滑銜接，從而減少過渡處的應力集中。

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。連桿大頭一般通過孔心分成兩部分，以利于拆裝，其中被分開的小部分稱為連桿蓋（或連桿瓦蓋），裝配時，這兩部分用兩個或四個連桿螺栓連接。連桿大頭的剖分形式有平切口和斜切口兩種，如圖4所示。

（1）如圖4（a）所示，剖分面垂直于連桿桿身中心線的稱為平切口。

（2）如圖4（b）所示，剖分面與桿身中心線傾斜成一定角度的稱為斜切口。

 

圖3  連桿組結構圖

圖4  柴油機連桿大頭的類型區分

 

三、連桿的類型區分

 

      v型柴油機左右兩側相對應的兩個汽缸的連桿，通常都裝在同一個曲柄銷上。按照兩個連桿連接方式的不同，可分為下列三種形式。

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上，如圖5（左圖）所示。由于連桿的結構形式相同，因此可以通用，而且兩側汽缸的活塞連桿組的運動規律相同。其缺點是兩側汽缸的中心線沿曲軸軸向要錯開一段距離，因而曲軸的長度增加， 使曲軸剛度降低。

2、主副連桿

      主副連桿又稱關節式連桿，如圖5（右圖）所示。 一列汽缸的連桿裝在連桿軸頸上，稱為主連桿；另一列汽缸的連桿，通過一圓柱銷與主連桿的耳銷孔相連接，稱為副連桿。左右兩列對應汽缸的主副連桿及其中心線位于同一平面內。這種形式的優點是曲軸的長度不需加長，使曲軸剛度加強。缺點是連桿不能互換。副連桿對主連桿產生附加彎矩，以及左右兩列汽缸的活塞連桿組運動規律不同。

3、叉片式連桿

      左右兩列汽缸相對應的兩個連桿中，一個連桿的大頭做成叉形，另一個連桿的大頭插在叉形連桿的開擋內，稱為叉片式連桿（如圖6所示）。叉形連桿桿身的工字斷面的長軸位于垂直于擺動平面的平面內。其翼板伸到大頭的部分就成為叉形，這使片式連桿擺動時，在叉形連桿桿身上開槽的高度可以減小，因而強度有所提高。叉形連桿的優點是兩列汽缸中活塞連桿組的運動規律相同，曲軸的長度不需加長。缺點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。

 

圖5  并列和主副連桿結構圖

圖6  叉片式連桿結構圖

 

四、連桿技術要求

 

1、強度要求

      連桿在工作過程中承受著較大的壓力和沖擊負荷，因此其強度是一個關鍵指標。以下是連桿強度方面的主要技術要求：

（1）材料選擇：連桿通常采用高強度合金鋼制造，如40Cr、35CrMo等。選擇合適的材料可以保證連桿具有足夠的強度和韌性。

（2）熱處理：通過熱處理可以改善連桿的組織結構和性能，常用的熱處理方法包括淬火、回火等。熱處理過程應嚴格控制溫度和時間，以確保連桿達到設計要求的硬度和強度。

（3）強度計算：根據工作條件和載荷情況，進行強度計算，確保連桿在工作過程中不會發生破壞或變形。計算中應考慮動載荷、靜載荷、沖擊載荷等因素，并采用適當的安全系數。

（4）表面處理：為了提高連桿的抗疲勞性能和耐磨性，可以進行表面處理，如鍍硬鉻、噴涂涂層等。

2、剛度要求

（1）連桿在工作時會受到一定的彎曲和扭轉力，因此其剛度也是一個重要的技術要求。以下是連桿剛度方面的主要技術要求：

（2）幾何形狀：連桿的幾何形狀應滿足設計要求，包括長度、直徑、截面形狀等。合理的幾何形狀可以提高連桿的剛度。

（3）結構設計：采用合適的結構設計可以增加連桿的剛度，如設置加強肋、螺紋連接等。同時還需要注意減小連桿的質量，以降低慣性力對剛度的影響。

（4）緊固件：連接連桿與曲軸和活塞的緊固件也需要滿足一定的剛度要求。應選擇合適的緊固件材料和規格，并嚴格控制緊固力。

3、動平衡要求

      連桿在高速旋轉時會產生不平衡力和振動，對設備的正常運行和壽命造成影響。以下是連桿動平衡方面的主要技術要求：

（1）質量分配：連桿的質量應進行合理分配，以降低不平衡力和振動。質量分配可以通過加重或減輕一側的方法來實現。

（2）動平衡測試：對連桿進行動平衡測試，以確定其不平衡力和振動情況。測試過程中應使用專用設備，并按照相關標準進行操作。

（3）平衡修正：根據測試結果，對不平衡部分進行修正。修正方法包括切削、焊接等，修正后再次進行測試，直到滿足要求為止。

4、精度要求

      連桿的精度直接影響著設備的運行平穩性和壽命。以下是連桿精度方面的主要技術要求：

（1）尺寸精度：連桿的長度、直徑、孔徑等尺寸應滿足設計要求，并具有一定的公差范圍。尺寸精度可以通過加工工藝和設備的精度控制來保證。

（2）表面粗糙度：連桿的表面應具有一定的光潔度和平整度，以減小摩擦和磨損。表面粗糙度可以通過研磨、拋光等方法進行控制。

（3）幾何形狀：連桿的幾何形狀應滿足設計要求，并具有一定的公差范圍。幾何形狀可以通過加工工藝和設備的精度控制來保證。

（4）裝配間隙：連桿與曲軸、活塞等部件之間的裝配間隙應滿足設計要求，并具有一定的公差范圍。裝配間隙可以通過合理設計和加工控制來保證。

 

總結：

      連桿機構是一種由連桿和鉸鏈組成的機構，它可以轉換運動形式、實現力的傳遞和變化，并能夠實現復雜的運動軌跡。連桿作為柴油機中重要的傳動部件，其設計和制造質量直接影響著設備的性能和可靠性。連桿機構的設計和應用需要考慮多個因素，包括結構強度、運動平穩性、能量損耗等等。通過合理設計和應用連桿機構，可以實現各種各樣的機械功能，提高柴油發動機的性能和效率。本文從強度、剛度、動平衡和精度等方面詳細介紹了連桿的主要技術要求。合理選擇材料、進行適當的熱處理、進行強度計算和表面處理，可以保證連桿具有足夠的強度；合理設計幾何形狀、采用合適的結構設計和緊固件，可以提高連桿的剛度；合理分配質量、進行動平衡測試和修正，可以降低不平衡力和振動；控制尺寸精度、表面粗糙度、幾何形狀和裝配間隙，可以保證連桿的精度。通過滿足這些技術要求，可以提高連桿的工作性能和可靠性，延長設備的使用壽命。

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