新聞主題	柴油發(fā)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(fā)電機中的重要零件，它連接著活塞和曲軸。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，把活塞的直線往復運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動。連桿在工作中，除承受燃燒室燃氣產(chǎn)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(zhì)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(shù)要求、材料要求、工作原理以及結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(tài)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(fā)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(xiàn)在進氣沖程開始的上止點附近，其數(shù)值為活塞組和計算斷面以上那部分連桿質(zhì)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(zhì)量對于四沖程發(fā)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(xiàn)_g=0，F(xiàn)_j=F_jmax，F(xiàn)_L=-F_j

ɑ=360°時，F(xiàn)_g≈F_gmax，F(xiàn)_j=F_jmax，F(xiàn)_L=F_gmax-F_jmax

 

      其中，F(xiàn)_g和F_gmax為氣壓力和最大氣壓力，F(xiàn)_L為連桿力，F(xiàn)_jmax為最大往復慣性力。

4、連桿的常用材質(zhì)

      為保證連桿結(jié)構(gòu)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號鋼）模鍛或滾壓成形，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，外觀如圖2所示。中小功率內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)鋼。

② 40表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)×104。0.4×104=41.6≈40。

 

圖1  連桿的受力部位不同狀態(tài)

圖2  連桿組結(jié)構(gòu)示意圖

 

二、普通連桿結(jié)構(gòu)

 

      柴油發(fā)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

1、連桿小頭

      連桿小頭的結(jié)構(gòu)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(shù)最大，因此連桿可在最輕的情況下獲得最大的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

圖4  柴油機連桿大頭的類型區(qū)分

 

三、連桿的類型區(qū)分

 

      v型柴油機左右兩側(cè)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(jié)構(gòu)形式相同，因此可以通用，而且兩側(cè)汽缸的活塞連桿組的運動規(guī)律相同。其缺點是兩側(cè)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(guān)節(jié)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(nèi)。這種形式的優(yōu)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(chǎn)生附加彎矩，以及左右兩列汽缸的活塞連桿組運動規(guī)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(nèi)，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(nèi)。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(yōu)點是兩列汽缸中活塞連桿組的運動規(guī)律相同，曲軸的長度不需加長。缺點是叉形連桿大頭結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

圖6  叉片式連桿結(jié)構(gòu)圖

 

四、連桿技術(shù)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(guān)鍵指標。以下是連桿強度方面的主要技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jù)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(fā)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?shù)陌踩禂?shù)。

（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(zhuǎn)力，因此其剛度也是一個重要的技術(shù)要求。以下是連桿剛度方面的主要技術(shù)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(jié)構(gòu)設計：采用合適的結(jié)構(gòu)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(zhì)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(guī)格，并嚴格控制緊固力。

3、動平衡要求

      連桿在高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)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(shù)要求：

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

（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(guān)標準進行操作。

（3）平衡修正：根據(jù)測試結(jié)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(wěn)性和壽命。以下是連桿精度方面的主要技術(shù)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(jié)：

      連桿機構(gòu)是一種由連桿和鉸鏈組成的機構(gòu)，它可以轉(zhuǎn)換運動形式、實現(xiàn)力的傳遞和變化，并能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhì)量直接影響著設備的性能和可靠性。連桿機構(gòu)的設計和應用需要考慮多個因素，包括結(jié)構(gòu)強度、運動平穩(wěn)性、能量損耗等等。通過合理設計和應用連桿機構(gòu)，可以實現(xiàn)各種各樣的機械功能，提高柴油發(fā)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(shù)要求。合理選擇材料、進行適當?shù)臒崽幚怼⑦M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(jié)構(gòu)設計和緊固件，可以提高連桿的剛度；合理分配質(zhì)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(shù)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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