第二章第三节 连杆组

第三节连杆组
连杆是活塞（或十字头）与曲轴之间的连接件，它把作用于活塞上的气体压力传递给曲轴，并把活塞的往复运动转变为曲轴的回转运动。

连杆本身进行着复杂的平面运动。

连杆的受力情况也比较复杂，在四冲程柴油机中由活塞组传给连杆的气体压力和往复惯性力的合力是大小和方向都在周期变化；而在低速二冲程柴油机中是始终使连杆受压，只有大小的周期变化。

此外，在连杆摆动的平面内，还要受到连杆本身运动所产生的惯性力引起的交变弯曲力矩的作用。

因此，连杆在保证强度和刚度的前提下，应尽量减轻质量。

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
连杆杆身截面形状如图2-25所示。

由自由锻造毛坯制成的圆柱形截面杆身，主要用于【小批量生产的大中型】柴油机中，具有质量大和材料利用不合理的缺点。

〖矩形截面比上述者稍好。

〗工字形截面在其摆动的平面内有较大的截面惯性矩，【使其压杆的稳定性与其垂直平面相同，】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。

图2-25 连杆杆身截面形状
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2-26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（如图2-25d、e所示），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
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。

图2-27 连杆小端的结构形式
连杆小端的主要结构形式如图2-27所示。

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，有用偏心圆弧（图c））来增加顶部中央截面抗弯能力的结构。

〗图d）和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。

〖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，轴承间隙没有更换方向的机会，因此，其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2-11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
1）连杆大端的结构形式
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）船用式连杆大端，如图2-28a）、图2-30所示。

连杆大端与杆身分开，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调整连杆长度（大、小端中心距），调整压缩比，以保证各缸压缩比相同【或改变压缩比】。

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2-28b）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。

图2-28 船用式和平切口式连杆大端
筒状活塞式柴油机通常是将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，这又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-29b〗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【属车用式大端】，如图2-26和图2-29a）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F CT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。

通常采用舌榫和锯齿的定位方式。

〖舌榫（见图2-29a）中2）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。

〗
锯齿定位（见图2-29）a）中1）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，但必须保证有足够高的齿形精度和贴合度。

【随着强化程度的提高，曲柄销直径与气缸直径之比还必须增大，】如果采用图2-29c）所示的船用式连杆大端结构，大端的宽度可以不受气缸直径的限制。

【新型筒状活塞式柴油机广泛采用这种形式。

】
2）轴瓦
连杆大端轴承常用薄壁轴瓦，【低速柴油机】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。

【厚壁轴瓦在连杆大端已不用，仅在低速机主轴承采用，MC 最新机型主轴承也改用薄壁轴瓦。

】
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，〖和轴承直径D的比值t/D在0.065以上，〗轴承合金层【往往较厚】，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【的主轴承】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。

【这种轴瓦的轴承合金都用质软的低疲劳强度的白合金，加上轴承合金层很厚，因而容易产生疲劳损坏。

】为了防止轴瓦在座孔内移动，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在0.02～0.065之间〗。

【薄壁轴瓦的特点不仅其壁薄，而且其减磨合金层也很薄。

即使是中速大功率柴油机的薄壁轴瓦，其减磨合金层厚度达到0.7~0.8毫米的已渐减少，目前趋于采用厚度只有0.2~0.4毫米的合金层厚度。

因为这有利于提高轴瓦合金层的疲劳强度。

】这种轴瓦薄且富有弹性，【轴瓦的内孔圆度（在自由状态下）不予控制。

】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，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，【包括新型十字头式柴油机的连杆大端轴承】。

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，【并且利用自由状态时瓦口的弹张量（见补图2-14）和轴瓦周长的过盈量（又称压瓦余高）（见补图2-15）在装配后使瓦背紧贴于座孔表面，以保证良好的导热性能和防止相对移动。

装配时不允许刮削，也没有调整垫片。

轴承副配合间隙磨损超差后只能用更换轴瓦的办法予以恢复。

】
3）轴承合金
柴油机常用的轴承合金有白【巴氏】合金、【高】锡铝合金和铜铅合金。

【轴承合金的性能主要分为表面性能和机械性能两个方面。

表面性能方面包括抗咬合性、顺应性、嵌藏性、耐腐蚀性和对损伤的敏感性等。

抗咬合性是指当柴油机在起动和停车时，或当油膜破裂而发生轴颈与轴承合金相接触时，合金依靠自润滑作用防止轴颈与轴承合金间发生咬合磨损的能力。

在目前用得最多的三种轴承合金中，白合金和高锡铝合金抗咬合性能较好。

铜基合金（和低锡铝合金）较差。

顺应性，当轴颈座孔和轴瓦因制造误差、安装所造成的变形以及工作时机座的变形，使轴颈表面和轴瓦表面不平行因而产生边缘负荷。

这不但会引起偏磨，而且可能造成烧瓦事故。

顺应性好的轴承合金，其弹性模量低，可依靠本身的塑性变形自动适应上述偏移而使边缘负荷得到缓和。

白合金和铝基合金的顺应性较好，而铜基合金顺应性较差。

磨合性是指新轴承在投入运转后，能否在短时间内达到磨损特性曲线的稳定（低）磨损率阶段。

磨合性能好此过程所用时间短。

在三种基本轴承合金中，白合金磨合性好，铝基合金居中，而铜基合金较差。

嵌藏性是指当杂质、金属磨屑随滑油进入轴承间隙中时，合金能否依靠本身的塑性变形将异粒嵌藏其中，以免划伤轴颈或轴承合金自身表面。

目前柴油机的最小油膜厚度已很薄，如嵌藏性能不好，则对滑油的过滤或离心分离的要求就高。

白合金这一性能最好，铝基合金居中，而铜基合金较差。

耐腐蚀性主要是指耐滑油本身氧化而生成的有机酸的能力。

铜铅合金中的铅不耐有机酸，而锡基白合金和铝基合金耐有机酸腐蚀能力良好。

损伤敏感性是指当轴承合金受到损伤时，能否依靠温度和压力的作用使“伤口”自动愈合的性能。

损伤敏感性低的轴承合金不但这种“伤口”的自动愈合作用良好，而且当发生严重故障时，轴承合金会迅速熔融，不会产生“抱轴”，从而保护轴颈不受损伤。

白合金损伤敏感性低，铝基合金居中，铜基合金则较差。

】【轴承合金的机械性能主要有抗拉强度、疲劳强度和耐热性能等。

在三种基本轴承合金中，白合金的机械性能最差。

】【白合金金相组织中的硬质点使白合金具有较好的耐磨性。

软的基体组织使它具有良好的顺应性、嵌藏性和磨合性。

低熔点的基体使白合金在温度过高（过载）造成表面熔融时，具有自润滑作用和良好的抗咬合能力。

白合金的最大缺点是抗拉强度低，特别是在高温时其疲劳强度和硬度迅速降低。

因此，白合金在柴油机轴承中的应用逐渐减少。

铜铅合金以强韧的铜为基体，因此具有较高的承载能力。

易熔的铅可起减磨和抗咬合作用。

是重负荷柴油机轴承的常用轴承合金。

其缺点是磨合性能、顺应性能、嵌藏性能、损伤的敏感性、抗咬合性和耐腐蚀性能较差。

但可以采用表面涂覆第三层金属的办法予以改善。

铝基合金是以铝为基体，再加上不同含量的锡使其具有不同的性能。

总之，】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。

【白合金在柴油机轴承中的应用逐渐被高锡铝合金取代。

】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，常在轴承合表面上再镀一层极薄（0.015～0.025mm）的由铅、锡、铟、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。

【不能使劲擦。

】
4）V型柴油机连杆
V型柴油机中两列气缸共用一根曲轴，每一曲轴柄销上安装两根连杆。

V型柴油机的连杆有以下三种形式：
（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。

【为了缩短气缸间距和整机长度，减小柴油机重量和尺寸，增大曲轴刚性，把同一曲柄销上的两个气缸中心线布置在同一平面内，这种V型柴油机，可采用主副连杆。

】主副连杆如图2-32所示，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。

【补图2-26B示出MAN VV40/54型柴油机连杆。

主连杆5用四只螺栓4连接到大端轴承体3上。

副连杆7用两只螺栓8与副连杆销9相连。

套筒6和10分别为活塞销和副连杆销的轴承。

由于连杆受到的压力大于拉力，所以小端轴承下部承压面造得比较大。

大端轴瓦11为薄壁铅青铜轴瓦，工作面上镀有薄的磨合
层。

连杆大端轴承盖12由定位销2定位，通过四个螺栓1紧固到大端轴承体3上。

轴承盖在结合面上与大端轴承体采用舌榫定位方式配合，以避免连杆螺栓受到剪切。

这种连杆在拆检活塞时可以不拆大端轴承，或拆检大端轴承与副连杆销轴承时不拆活塞。

主副连杆式连杆结构较复杂，制造困难，副连杆销的连接螺栓底部容易发生裂纹。

】
图2-32主副连杆大端
（3）叉骑式连杆。

叉骑式连杆如图2-33所示，中央连杆2的大端插在叉形连杆1的中央。

【由于叉形连杆结构较复杂，轴承润滑条件差，维护不便，因此应用很少。

】〖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。

过去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。

〗
图2-33 叉骑式连杆
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，【有利于制造和互换，维护管理方便，使用可靠，因此在V型机中得到了广泛应用。

】但是每排两只气缸的中心线必须前后错开，【曲柄销的长度需要长一些，曲轴的刚性也将因此而降低一些，】柴油机长度也增加一些〖，而且连杆大端轴瓦载荷也最大〗。

〖另外两种形式连杆无此缺点。

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。

〗
4．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。

此外，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。

连杆螺栓一旦断裂损坏必将产生机毁的严重事故【“伸腿”】。

因此，必须在材料选用、结构设计、加工工艺和装配质量以及维护管理等各个方面来保证连杆螺栓的工作可靠性。

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2-34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【按照连杆螺栓安装方式的不同可分为用螺帽连接的和不用螺帽连接的两类，它们的具体结构可分别参见图2-30和补图2-21B。

】
为了减小连杆螺栓所受交变应力幅度，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螺纹根部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。

将螺栓和螺母的头几牙倒锥，使螺纹载荷分布趋于均匀。

螺栓头和螺母的支承平面都必须与螺纹中心线垂直，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【过小】，或者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。

图2-34 连杆螺栓的结构形式
【连杆螺栓的固紧非常重要。

为了使柴油机工作时既能使被连接件的接合面保持良好接触，又不会使螺栓受力过大，一般都用专用工具上紧，并在柴油机说明书中明确规定了紧固时的预紧度（一般用螺栓的伸长量、液压拉伸器的油压、扭力扳手的扭矩或螺帽的旋转角度来衡量，这些方法也用于其它重要螺栓预紧力的控制）。

预紧度过大会引起轴承变形、螺栓受力过大甚至损伤，过小则会发生轴承松动。

第一次上紧连杆螺栓或更换轴承备件时，由于各承压部分会产生永久变形，使一部分预紧力丧失。

在这种情况下，要在正式上紧之前把螺
栓先紧一下，以便把各承压部分压实，然后再放松，最后按规定正式上紧。

正确固紧是避免连杆螺栓疲劳断裂这类事故发生的最重要措施之一。

】
第四节曲轴组
1．曲轴
曲轴将柴油机各缸所作的功汇集后以回转运动的形式输出。

【曲轴还带动柴油机的附属设备。

在曲轴带动的附属设备中，柴油机的喷油泵、进排气阀、起动空气分配器等均因正时的要求，必须由曲轴来驱动。

离心式调速器要根据柴油机转速的变化自动调节柴油机喷油量，也由曲轴带动。

此外，在中、小型柴油机中，为了简化系统，布置紧凑，曲轴还带动润滑油泵、燃油输送泵、淡水泵和海水泵，有少数柴油机曲轴还带动空气压缩机。

】曲轴在工作时受力情况比较复杂，它在周期变化的气体压力、惯性力以及力矩的共同作用下产生交变应力，并发生扭转和弯曲等振动，引起附加振动应力。

同时，曲轴形状复杂，存在着严重的应力集中现象。

而且，轴颈部分在相当大的比压下转动、摩擦，因此还要受到磨损。

【曲轴是柴油机中最长最重的部件，直接影响整台柴油机的尺寸和重量。

曲轴形状复杂，制造工艺难度大，因此也是柴油机中造价最高的部件。

曲轴的工作好坏对整台柴油机有直接影响，它的损坏会导致柴油机瘫痪，而且难以修复。

航行中若曲轴发生故障会威胁到全船的安全。

】根据上述情况，曲轴必须具有足够的强度和刚度；各轴颈应具有足够的承压面积和较高的耐磨性；具有合理的曲柄排列和发火顺序，以减小曲轴的负荷，使柴油机运转平稳，并改善轴系的振动情况。

曲轴常用的材料有优质碳钢、合金钢和球墨铸铁。

一般柴油机的曲轴常用优质碳钢制造；为了提高中、高速强载柴油机的曲轴疲劳强度和耐磨性能，采用了合金钢制造。

球墨铸铁铸造的曲轴，〖在疲劳强度上与碳钢曲轴相差不多，同时它还具有价格低廉、容易铸成最合理的形状、耐磨性好和对应力集中敏感性小等特点；但球墨铸铁的弹性模量、延伸率和冲击韧性较低，〗常在强载程度不太高的中、高速柴油机中应用。

曲轴主要由若干个单位曲柄和自由端、飞轮端，以及平衡重块等组成，如图2-35所示。

图2-35 曲轴的总体构造
单位曲柄是曲轴的基本组成部分，由主轴颈1，曲柄销3和曲柄臂2组成。

有的还在曲柄臂上装有平衡重块。

柴油机曲轴按其结构特点有以下几种形式：
（1）整体式曲轴：整根曲轴由整体锻造或铸造而成，【它具有结构简单、重量轻、工作可靠的优点，】中、小型柴油机中广泛应用。

由于大型锻造设备的出现，大型低速柴油机也已有采用整体式曲轴。

（2）套合式【组合式】曲轴：有半套合式和全套合式两种。

半套合式如图2-36a）所示，曲柄销和曲柄臂制成一体，主轴颈单独制造，再用“红套”法将其结合成整根曲轴。

全套合式曲轴如图2-36b）所示，主轴颈、曲柄销以及曲柄臂都是单独制造，然后用“红套”法结合成整根曲轴。

套合式曲轴常用于大型低速柴油机中。

图2-36 套合式曲轴
〖（3）焊接式曲轴：图2-37是L-MC型柴油机的焊接式曲轴。

各单位曲轴柄在主轴颈中央部位通过窄缝埋弧焊，连成一整体。

这种焊接工艺是近代曲轴制造工艺中一个重要成就。

它不仅消除了大件锻造的困难，而且还能使曲轴的重量较套合式结构有大幅度降低。

此外，对超长行程十字头式柴油机，焊接式曲轴由于其曲柄臂底部能与主轴颈外圆接近齐平，因而能使连杆长度得以缩短（当活塞处于下止点时，十字头不会碰到曲轴），从而使发动机高度大为减低。

图2-37 L-MC柴油机焊接式曲轴
1-自由端法兰；2-主动链轮固定法兰；3-推力环；4-飞轮固定法兰；5-功率输出端；6一焊接接缝；7-曲柄销；8-主轴颈〗
（4）组合式曲轴：有分段式和圆盘式两种。

分段式曲轴是将缸数较多、曲轴长度较大的大型柴油机曲轴分为两段制造，用法兰连接成整根曲轴。

〖圆盘式曲轴如图2-38所示，是将主轴颈和曲柄臂合并成一个大圆盘并与曲柄销制成一体构成一个单位曲柄，然后用螺栓连接成整根曲轴。

常用于采用滚动轴承的高速柴油机中。

〗
曲柄销与主轴颈采用空心结构，可以减轻曲轴的重量，改善应力集中情况。

采用空心曲柄销还可以减小曲轴的不平衡回转质量和离心力。

轴颈与曲柄臂相连接的过渡圆角处截面急剧变化，成为应力集中最严重，曲轴强度最薄弱的部位。

【在交变力作用下，这里因疲劳往往出现裂纹。

】因此，过渡圆角处应采用足够大的过渡圆弧半径和较小的表面粗糙度值，也有的采用对过渡圆角处进行滚压等强化处理。

【因此，对曲柄臂和轴颈的连接处须特别重视。

连接圆角可采用普通的圆角连接方式，但这种方式将引起轴颈有效长度的缩短。

若采用补图2-18所示的车入式圆角形式，不但可增大过渡圆角半径，而且轴颈的有效工作长度也不用缩短，这样就可满足轴承比压的要求。

但这种圆角连接方式对曲柄臂的强度有一定削弱。

补图2-29 车入式圆角】
常用的曲柄臂形状如图2-36a)。