摘要： 柴油发电机连杆组主要由连杆、连杆螺栓、螺母、连杆轴瓦、小头衬套等组成。连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动；连杆大头与曲柄销相连，和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除上下运动外还左右摆动，做复杂的平面运动。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，设计时应首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构刚度。本文系统阐述连杆的设计要求和材料选用（含连杆长度确定、小头、杆身、大头的结构设计与强度分析），详细介绍连杆组的结构组成（小头、杆身、大头、轴瓦、连杆盖及轴承），并说明连杆的匹配标记、粉末压铸工艺及轴瓦定位等装配要点，为连杆组的设计与维修提供技术参考。
一、连杆的设计要求和材料选用
连杆组功能是将活塞与曲轴连接起来，通过它将活塞所承受的力传给曲轴，使活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。为此，必须选用高强度的材料、合理的结构形状和尺寸。为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，采用精选含碳量的优质中碳结构钢45模锻，表面喷丸强化处理，提高强度。
1. 连杆长度的确定
首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度 ，它通常是用连杆比 来说明的，通常 ，取 ，值可使发动机结构紧凑，但会增大二级往复惯性力。
2. 连杆小头的结构设计与强度
（1）连杆小头的结构设计。连杆小头主要结构尺寸如图1所示，小头衬套内径 和小头宽度 已在活塞组设计中确定，，mm。为了改善磨损，小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套，衬套大多用耐磨锡青铜铸造，这种衬套的厚度一般为 mm，取 mm，则小头孔直径 mm，小头外径 ，取
（2）连杆小头的强度。以过盈压入连杆小头的衬套，使小头断面承受拉伸压力。若衬套材料的膨胀系数比连杆材料的大，则随工作时温度升高，过盈增大，小头断面中的应力也增大。此外，连杆小头在工作中还承受活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩，可见工作载荷具有交变性。小头断面的疲劳强度安全系数应满足设计要求，通常在1.5～2.5之间。
3. 连杆杆身的结构设计与强度
（1）连杆杆身结构的设计。连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身截面宽度 约等于 （D为气缸直径），取 mm，截面高度 mm。为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径，一般圆角半径不小于3mm。
（2）连杆杆身的强度。连杆杆身在不对称的交变循环载荷下工作，它受到位于计算断面以上做往复运动的质量的惯性力的拉伸，在爆发行程，则受燃气压力和惯性力差值的压缩。为了计算疲劳强度安全系数，必须进行断面的最大拉伸、压缩应力试验。原材料经锻造成形后，分别在锻造态连杆大头和连杆体处取横向和纵向拉棒试样进行拉伸试验，取样位置见图2所示。
4. 连杆大头的结构设计与强度
（1）连杆大头的结构设计与主要尺寸。连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径 、长度 、连杆轴瓦厚度 和连杆螺栓直径 。其中 、在曲轴设计中确定，mm，mm，则大头宽度 mm，轴瓦厚度 mm，大头孔直径 mm。
连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度 ，取 mm，取 mm。为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离 ，取 mm，一般螺栓孔外侧壁厚不小于2mm，取3mm，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。
（2）连杆大头的强度。假设通过螺栓的紧固连接，把大头与大头盖近似视为一个整体，弹性的大头盖支承在刚性的连杆体上，固定角为 ，通常取40°，作用力通过曲柄销作用在大头盖上按余弦规律分布，大头盖的断面假定是不变的，且其大小与中间断面一致，大头的曲率半径为
连杆盖的最大载荷是在进气冲程开始的，计算得：
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图1 柴油机连杆小头主要结构尺寸 |
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图2 连杆锻造态拉伸试验取样位置图
二、连杆组结构
1. 连杆结构组成
连杆由小头、杆身和大头三部分组成。小头绕活塞销摆动；大头绕连杆轴颈转动，整个连杆又作往复运动。当发动机工作时，作用于连杆上的力有气体压力和方向变化的惯性力，这些力会使连杆产生变形或引起连杆大头、小头的破坏。当连杆大头与连杆轴颈、小头与活塞销连接处的间隙增大时，还会产生冲击负载。因此，连杆的材料在保证强度和抗疲劳条件下，还要尽可能地减轻其重量。连杆一般多用碳钢或合金钢锻模混压而成，并经热处理和机械加工，也有用球墨铸铁浇铸而成。连杆的各部构造与形状如图3所示。
（1）连杆小头。小头内装有一个青铜薄壁衬套（连杆铜套），以减小连杆小头与活塞销之间的摩擦。为了便于活塞销与连杆衬套的润滑，在衬套上钻有油孔（或切槽）与连杆小头上的油孔或（切槽）相通，飞溅的机油便可由此进入孔内。衬套与小头孔之间通常采用过盈配合，过盈量一般为0.02～0.06mm。
（2）杆身。杆身除承受压缩和拉伸负载外，还承受很大弯曲力矩，为了增加连杆摆动，故其断面一般都铸成“工”字形。若活塞销是靠压力式润滑的，则沿杆身还钻有或装有输送机油用的润滑油道。杆身的材料为45或40号中碳钢。杆身与大、小头连接处采用大圆弧过渡，以减少应力集中，圆弧半径通常不小于5mm。
（3）大头。为了便于装配，连杆大头一般为分开式。能够分开的那个半圆叫连杆瓦盖，另半圆在连杆大头上，它靠两只（或四只）强度大、精度高的合金钢螺栓把连杆紧固与连杆轴颈铰链起来。有些连杆的瓦盖上有“油勺”，使激溅润滑更为可靠。还有些连杆大头根部有射油孔，以利于凸轮轴和气缸壁的润滑。连杆大头孔为剖分式结构，在装配时须保证大头孔的圆度和圆柱度，一般圆度误差不超过0.005mm。
（4）连杆连接方法。连杆将活塞连到曲轴上。一端连在活塞销上，另一端连在曲轴连杆轴颈上。图4所示为连杆的各个零件，包括连杆、连杆盖、两个轴瓦、连杆螺栓及螺母。称作凸台的表面压铸到连杆内以使其平衡。这些表面都加工的十分光滑，粗糙度一般不大于Ra1.6μm。
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图3 连杆组构成图 |
图4 连杆与连杆组其他零件连接图 |
2. 轴瓦
连杆大头的瓦盖内装有分开式的滑动轴承（也叫轴瓦）。它是用1～3mm厚的钢带做瓦底，再浇铸厚度为0.3～0.7mm的软质合金制成的，并具有保持油膜减少摩擦阻力和易于磨合的作用。瓦片上钻有小孔与曲轴上的油孔相通，以润滑轴颈和轴瓦。有的轴瓦内表面设有垂直于轴颈方向的浅槽用以储油，使润滑更为可靠。轴瓦的钢带两头边沿制有定位凸键，嵌入连杆瓦盖上的横键中，使瓦片不得在瓦盖内相互移动。瓦片的形状如图5（a）所示。连杆轴瓦的制成与曲轴主轴瓦如图5（b）基本相同，只是主轴瓦内径不同而已。
轴瓦的厚度公差一般在±0.01mm以内，安装时应确保瓦背与连杆大头孔贴合紧密，贴合面积不小于85%。轴瓦内表面的合金层硬度一般控制在HB 30～45，以保证良好的耐磨性和磨合性能。
3. 连杆盖
连杆和连杆盖都是成直线镗孔的。当加工内孔时，连杆盖固定在连杆上。在维修过程中，保持连杆盖和连杆的匹配是相当重要的。如果两者不匹配，可能是孔不正确。这就会导致连杆和轴承盖对不正，从而造成轴承损坏或过度磨损。连杆盖和连杆都标记有数字以使连杆盖与连杆匹配，如图6（a）所示。当翻修发动机时，一定要按数字进行匹配。对于某些发动机，可能省略了数字；而对于其他发动机，同一数字可能会出现在连杆上。一定要使连杆盖和原连杆匹配。如果连杆盖没有与原连杆匹配，则拧紧时，曲轴就会锁止且不能转动。某些技师还用冲子相应地给各连杆盖和连杆做标记。这样确保了连杆盖和连杆的正确装配。
某些连杆是粉末压铸的，就是将铁粉、石墨和铜预先铸在模子内，然后将混合物加热，以助于将材料混合在一起。最终的结果就是各连杆与其他连杆在重量上都十分相近，这就使发动机易于平衡。另外，当制造粉末压铸的连杆时，连杆盖不像在普通连杆生产那样被锯开。
为了从连杆上分开连杆盖，连杆的两侧开有两条缝，开缝产生了应力点。当连杆盖从连杆上拔开时，连杆在开缝处分开，这就使得每个连杆分开时是不同的。不过，目前每个连杆都只与特定的连杆盖匹配，这就有助于维修技师更容易将连杆盖和连杆匹配在一起。图6（b）表示了连杆和连杆盖之间夸张的开缝。图中连杆和连杆盖在开缝处分开，该开缝有锯齿边，以便使连杆盖与其他的盖不发生混淆。某些连杆在其下部有喷油孔，该孔将润滑油导向缸壁以改善润滑状况。其他设计形式在连杆盖配合面上都具有喷油孔，而某些设计就不存在喷油孔。
4. 连杆轴承
连杆轴承与主轴承的设计一样，每个轴承都是由两半组成。小的定位突起用来将轴承定位在适宜的位置以防轴承在孔中旋转。这些突起与连杆盖和连杆上加工的开槽匹配，与主轴承一样，连杆是由内侧的钢背、铜和铅组成，涂有一薄层纯锡。连杆和连杆盖在开缝处分开，该开缝有锯齿边以使连杆盖与其他的盖不发生混淆。
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图5 柴油发电机轴瓦的构造图 |
图6 连杆与连杆盖匹配图 |
三、连杆组的装配工艺与检测方法
1. 连杆螺栓的紧固规范
（1）紧固力矩与顺序。连杆螺栓的紧固力矩对连杆组的安全运行至关重要。紧固力矩通常按连杆螺栓直径和强度等级确定，一般需分2～3次逐步拧紧至规定力矩（如50N·m→80N·m→110N·m），并按从中间到两侧的顺序拧紧，以保证大头孔受力均匀。
（2）螺栓伸长量控制。对于高强螺栓，除力矩控制外还需测量螺栓的伸长量，保证其在0.20～0.30mm范围内。若伸长量不足，说明力矩偏低；若伸长量超标，可能导致螺栓屈服甚至断裂。
（3）更换周期与检查。连杆螺栓在大修时应全部更换，不允许重复使用已服役超过规定次数的螺栓。安装前应检查螺纹有无损伤、划痕或塑性变形。
2. 连杆大头孔的圆度与圆柱度检测
（1）检测方法。将连杆盖按标准力矩装配后，使用内径千分尺在三个不同断面（距端面5mm、中间、距端面5mm）各测两个垂直方向（0°和90°）的直径。每个断面两个方向的直径差即为圆度误差，沿轴向三个断面的直径差即为圆柱度误差。
（2）允许范围。圆度误差应不大于0.005mm，圆柱度误差应不大于0.008mm。若超出上述范围，需检查连杆盖和连杆的配合面是否存在损伤或变形，必要时进行修磨或更换。
（3）对轴承寿命的影响。大头孔失圆或锥度过大会导致轴瓦受力不均，加速轴瓦磨损，严重时可导致轴瓦松动或脱落。
3. 连杆小头衬套的装配与加工
（1）压入工艺。小头衬套应采用冷压法或加热法压入（连杆加热至约100℃），压入过程中应保证衬套油孔与连杆油孔对正，错位不应超过0.5mm。过盈量一般为0.02～0.05mm。
（2）铰削与配合。衬套压入后，需用铰刀铰削内孔至与活塞销的配合间隙（通常为0.005～0.015mm）。铰削时使用专用铰刀从两端分别铰削，保证衬套内孔的同轴度。铰削后须用活塞销试配，以拇指能轻松推入为准。
（3）接触面积检查。装配后的活塞销在衬套内的接触面积应不小于75%，以保证承载均匀。
4. 连杆组的动平衡要求
（1）连杆重量分级。同一台发动机的所有连杆重量差应控制在±5g以内。若超出范围，可通过去除或增加连杆小头和大头的材料进行配平。
（2）大/小头重量分配。除总重量一致外，还需保证各连杆的大小头两端重量分别一致（偏差不超过±2g），以保证往复质量和旋转质量的平衡。
（3）平衡机检测。装配前应对每根连杆进行动平衡检测，记录不平衡量和不平衡角度，配对安装时使不平衡量相互补偿，降低整机振动。
总结： 本章在设计连杆的过程中，首先分析了连杆的工作情况、设计要求，并选择了适当的材料，然后分别确定了连杆小头、连杆杆身、连杆大头的主要结构参数，并进行了强度的校核，使其满足实际加工的要求。连杆的小头孔直径24.2mm，外径30.734mm，杆身采用工字形断面，大头螺栓孔间距离63.881mm，连杆盖最大载荷17443.48N。连杆组由小头、杆身和大头三部分组成，大头为分开式设计，采用两只或四只高强度合金钢螺栓紧固。轴瓦以钢带为瓦底浇铸软质合金制成，具有定位凸键防止转动。维修时须严格匹配连杆盖与连杆的标记数字，粉末压铸连杆在开缝处分离，锯齿边确保唯一匹配。装配工艺应重点关注螺栓紧固（分2～3步拧紧，伸长量0.20～0.30mm）、大头孔圆度（≤0.005mm）及圆柱度（≤0.008mm）、小头衬套铰削配合（间隙0.005～0.015mm）及动平衡（重量偏差≤±5g）等关键环节。综上所述，连杆作为机械传动中的重要部件，在使用时需要满足一定的强度、刚度、耐磨性和尺寸精度要求。常用的连杆材料包括碳素钢、合金钢、不锈钢和铝合金，其制造工艺包括锻造、铸造和机加工等多种类型。在选择连杆材料和制造工艺时，需要根据具体的使用环境和要求进行选择。
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