摘要：连杆是较细长的变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在柴油发电机工作中承受的急剧变化的动载荷。它是由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成，连杆大头是分开的，一半与杆身为一体，一半为连杆盖，连杆盖用螺栓和螺母与曲轴主轴颈装配在一起。连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，但是连杆的刚性比较差，容易产生变形，这就给连杆机械加工带来了很多困难，因此必须充分的重视。本文系统阐述连杆的承载能力设计、结构组成、加工工艺过程及技术要求，为柴油发电机组的连杆制造与维修提供技术参考。
一、连杆的承载能力设计
连杆的作用是连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动，对外输出作功。在发动机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用；连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的质量，以减小惯性力的作用。这些连杆结构运行就是变形固体在力的作用下所表现的力学性能。
1. 连杆的承载能力
（1）强度：连杆抵抗破坏的能力。强度不足会导致连杆在承受最大爆发压力时发生断裂，引发严重的机械事故。连杆的强度主要由材料性能和截面尺寸决定。
（2）刚度：连杆抵抗变形的能力。刚度不足会导致连杆在压力作用下产生弯曲变形，影响活塞与气缸壁的配合，加速磨损，严重时可能造成拉缸。
（3）稳定性：连杆保持原有平衡状态的能力。连杆在承受压缩载荷时，若细长比过大可能发生失稳（弯曲），导致连杆与气缸壁干涉或活塞偏磨。稳定性是连杆设计中不可忽视的因素，尤其在高速发动机中更为重要。
2. 连杆承载能力的要求
（1）连杆应具备足够的强度，以保证在规定的使用条件下不致发生破坏。连杆在工作中承受的最大拉力出现在进气冲程上止点附近（活塞组惯性力），最大压力出现在做功冲程上止点后（爆发压力），两者均为交变载荷，要求连杆具有较高的疲劳强度。
（2）连杆应具备足够的刚度，以保证在规定的使用条件下不产生过量的变形。连杆的弯曲变形会导致活塞在气缸中的运动轨迹偏离中心线，造成活塞环与气缸壁的密封不良，引起窜气和机油消耗增加。
（3）连杆应具备足够的稳定性，以保证在规定的使用条件下不产生失稳现象。连杆的稳定性与其细长比（长度/截面最小惯性半径）有关，细长比越大越容易失稳。
由上述三项连杆安全工作的基本要求可以看出：如何合理的选用材料（既安全又经济），如何恰当的确定连杆的截面形状和尺寸，便成为连杆设计中十分重要的问题。
3. 承载能力分析的主要任务
研究连杆在外力作用下的受力、变形和破坏规律，为合理设计连杆提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。通过有限元分析和实验应力测试，可以精确计算连杆在各工况下的应力分布和变形量，从而优化连杆的结构设计。
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图1 连杆作用受力示意图 |
图2 连杆承载能力分析任务 |
二、连杆结构组成
柴油发电机的连杆组主要由连杆小头、连杆杆身、连杆大头、连杆盖、连杆轴瓦、连杆衬套和连杆螺栓等部分组成。
1. 连杆小头
（1）连杆小头的结构通常为短圆管形，用来安装活塞销。通常以半径较大的圆弧与杆身圆滑衔接，从而减少过渡处的应力集中。过渡圆弧的半径通常为杆身宽度的0.3～0.5倍，圆弧过小会导致应力集中系数增大。
（2）在小头孔中压配有耐磨的锡青铜、铝青铜或铁基粉末冶金的薄壁衬套，以减小活塞销的磨损。衬套与连杆小头孔的过盈量通常为0.03～0.07mm，以保证衬套在工作温度下不会松动。
（3）为了润滑衬套和全浮式活塞销的配合表面，在连杆小头和衬套上方钻孔或铣槽，以收集飞溅下来的油雾。对采用压力润滑方式的连杆，在杆身中钻有油道，润滑油从曲轴连杆轴颈，经过杆身油道进入小头衬套的摩擦表面。油道直径通常为2～3mm，油道堵塞会导致衬套与活塞销干摩擦，产生异常磨损和烧蚀。
2. 连杆杆身
连杆杆身一般采用“工”字形断面，这是因为在材料断面面积相等的条件下，其抗弯断面模数最大，可在杆身较轻的情况下获得最大的结构刚度和强度。“工”字形断面的翼缘和腹板厚度经过优化设计，既能保证纵向和横向的弯曲刚度，又能有效减轻连杆质量，降低往复惯性力。
3. 连杆大头
（1）连杆大头是连杆与曲轴连杆轴颈相连接的部分，亦是连杆轴颈的轴承部分。连杆大头一般通过孔心分成两部分，以利于拆装，其中被分开的小部分称为连杆盖（或连杆瓦盖），装配时，这两部分用两个或四个连杆螺栓连接。
（2）由于大头孔的精度要求很高，因此必须在剖分后再组合在一起进行孔的加工。大头孔的圆度误差通常应控制在0.005mm以内，圆柱度误差控制在0.008mm以内。孔加工后必须通过定位装置将大头盖与连杆大头之间的相对位置加以固定，以防装配时错位。同时在大头与大头盖的一侧打上配对记号，以免装错。配对记号通常为同一方向的数字或字母，装配时应确保配对标记对齐。
（3）连杆大头的剖分形式有平切口和斜切口两种。剖分面垂直于连杆杆身中心线的称为平切口，平切口结构简单，适用于连杆大头直径与杆身宽度接近的场合。剖分面与杆身中心线倾斜成一定角度（通常为45°～60°）的称为斜切口，斜切口可减小连杆大头的宽度，便于在曲轴箱有限空间内的拆装，适用于大型柴油机。
4. 连杆螺栓
（1）连杆螺栓一般用中碳合金钢经精加工调质处理制成，常用材料为40Cr、35CrMo等，调质后硬度通常为HRC28～35。为使连杆轴瓦与大头贴合良好，防止大头剖分面在受力时产生缝隙，连杆螺栓必须具有一定的预紧力。所以各生产厂对螺栓的扭紧力矩都作了详细的规定。
（2）装配时，连杆螺栓应按一定次序、对称均匀、分2～3次逐步拧紧，达到规定的扭紧力矩。分次拧紧可使大头孔受力均匀，避免产生变形。拧紧力矩通常为80～200N·m（视螺栓规格和机型而定）。各螺栓的力矩偏差不应超过±5%。
（3）连杆螺栓紧固后，为防止其松脱，一般采用开口销、铁丝、锁紧片等锁紧。当螺纹精确加工且合理拧紧时，不加任何锁紧装置，连杆螺栓也不会松动。所以在现代柴油发电机中，连杆螺栓大多没有特别的锁紧装置，而是依靠螺纹的自锁性能和精确的拧紧力矩来保证连接的可靠性。
（4）连杆螺栓是柴油机中承受交变载荷最剧烈的零件之一，其疲劳强度直接关系到发动机的安全。在发动机大修时，连杆螺栓应全部更换，不得重复使用。即使外观良好，螺栓在长期交变载荷作用下也可能已产生微裂纹，继续使用存在断裂风险。
5. 连杆轴承
（1）现代发动机用连杆轴承由钢背和减磨合金层组成，为分开式薄壁轴承。瓦背一般采用韧性较高的优质合金钢或优质碳素钢制成，它是轴承的基体，既要有足够的强度，以承受冲击性载荷，又要有合适的刚度，便于与轴承孔良好的贴合。瓦背的壁厚通常为1.5～3mm，钢背与合金层的结合强度是影响轴承寿命的关键因素之一。
（2）减磨合金层具有保持润滑油膜，减少摩擦阻力和易于磨合的作用。当薄壁轴承在使用中性能变坏，间隙过大时，应直接更换新轴承。轴承不宜进行修刮，因为薄壁轴承的合金层厚度有限（通常为0.3～0.6mm），过度修刮会破坏轴承的几何形状和合金层的均匀性。
（3）目前柴油发电机的轴承减摩合金层主要有白合金（巴氏合金）、铜铅合金和铝基合金。其中巴氏合金轴承抗疲劳强度较低，只能用于负荷不大的汽油机；而铜铅合金或高锡铝合金轴承均具有较高的承载能力与耐疲劳性。含锡量20%以上的高锡铝合金轴承，在汽油机和柴油机上均得到广泛应用。高锡铝合金轴承的疲劳强度可达80～100MPa，远高于巴氏合金的30～50MPa。
（4）连杆轴承的定位一方面是轴承定位唇，嵌入到连杆盖的定位槽中，防止轴承在座孔中转动；另一方面，轴承外径周长较座孔周长稍长（通常长0.5～1.5mm），当轴承压入座孔并用一定压力压紧后，便产生了一定的过盈量，靠合适的过盈使轴承定位。过盈量不足会导致轴承松动，过盈量过大则可能使轴承变形，影响与轴颈的配合精度。
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图3 柴油机连杆结构图 |
图4 柴油机连杆杆身应力渲染图 |
三、连杆加工工艺过程
连杆的主要加工表面为大、小头孔和两端面，较重要的加工表面为连杆体和盖的结合面及连杆螺栓孔定位面，次要加工表面为轴瓦锁口槽、油孔、大头两侧面及体和盖上的螺栓座面等。
1. 定位及夹紧
（1）粗基准的正确选择和初定位夹具的合理设计是加工工艺中至关重要的问题。在拉连杆大小头侧定位面时，采用连杆的基准端面及小头毛坯外圆三点和大头毛坯外圆二点粗基准定位方式。这样保证了大小头孔和盖上各加工面加工余量均匀，保证了连杆大头称重去重均匀，保证了零件总成最终形状及位置。
（2）在连杆体和总成的加工中，采用杆端面、小头顶面和侧面、大头侧面的加工定位方式。在螺栓孔至止口斜结合面加工工序的连杆盖加工中，采用了以其端面、螺栓两座面、一螺栓座面的侧面的加工定位方法。这种重复定位精度高且稳定可靠的定位、夹紧方法，可使零件变形小，操作方便，能通用于从粗加工到精加工中的各道工序。由于定位基准统一，使各工序中定位点的大小及位置也保持相同。这些都为稳定工艺、保证加工精度提供了良好的条件。
2. 加工顺序和阶段划分
连杆的尺寸精度、形状精度和位置精度的要求都很高，但刚度又较差，容易产生变形。连杆的主要加工表面为大小头孔、两端面、连杆盖与连杆体的接合面和螺栓等。次要表面为油孔、锁口槽等。还有称重去重、检验、清洗和去毛刺等工序。连杆是模锻件，孔的加工余量较大，切削加工时易产生残余应力。因此，在安排工艺过程时，应把各主要表面的粗、精加工工序分开。这样，粗加工产生的变形就可以在半精加工中得到修正。半精加工中产生的变形可以在精加工中得到修正，最后达到零件的技术要求，同时在工序安排上先加工定位基准。连杆工艺过程可分为以下阶段：
（1）粗加工阶段：粗加工阶段也是连杆体和盖合并前的加工阶段：主要是基准面的加工，包括辅助基准面加工，准备连杆体及盖合并所进行的加工，如两者对口面的铣、磨等。粗加工阶段的主要任务是去除大部分加工余量，为后续半精加工提供基准。
（2）半精加工阶段：半精加工阶段也是连杆体和盖合并后的加工，如精磨两平面，半精镗大头孔及孔口倒角等。总之，是为精加工大、小头孔作准备的阶段。半精加工后大头孔的尺寸余量通常留0.2～0.5mm，以便在精加工阶段达到最终尺寸精度。
（3）精加工阶段：精加工阶段主要是最终保证连杆主要表面上大、小孔全部达到图纸要求的阶段，如珩磨大头孔、精镗小头轴承孔等。精加工阶段采用珩磨或精密镗削，大头孔的尺寸精度可控制在IT6级（公差0.013～0.019mm），表面粗糙度Ra≤0.4μm。
3. 连杆的技术要求
连杆的小头通过活塞销与活塞连接，大头与曲轴的轴颈连接，大、小头尺寸取决于承压面积。连杆的工作温度为90～100℃，运转速度为3000～5000r/min。为保证连杆锻件顺利进入自动化精密机加工生产线和加工后的成品零件在发动机中的装配精度，同时，为了保持高速运转时其能承受频率极高的拉压交变应力，使曲轴始终处于平衡状态，要求连杆锻件具有高的强度和抗疲劳寿命。
连杆锻件在满足图纸尺寸精度的前提下还应满足如下技术和质量要求：
（1）未注模锻斜度在3°～5°之间，未注圆角半径R在2～5mm之间。模锻斜度便于锻件从模具中取出，圆角半径可减少应力集中和改善金属流动。
（2）非加工表面应光洁，不允许有裂纹、折叠、结疤、氧化皮（深度>1mm的凹坑）等缺陷。表面缺陷会降低连杆的疲劳强度，是早期断裂的根源。
（3）分模面残留飞边宽度≤0.8mm。飞边过大会影响后续加工定位的准确性，应在切边工序中严格控制。
（4）纵剖面金属纤维方向应沿中心线方向并与外形相符，不得有紊乱和间断，不允许有气孔、裂纹、折叠和非金属夹杂物等缺陷。金属纤维的连续性是保证连杆疲劳强度的关键因素，纤维被切断会显著降低疲劳寿命。
（5）调质处理硬度在220～270HB之间。硬度过低会导致强度不足，硬度过高则可能降低韧性。锻件应作探伤检查（磁粉探伤或荧光探伤），以发现表面及近表面的裂纹缺陷。
（6）锻件上的缺陷不允许补焊。补焊会引起局部组织变化和残余应力，反而成为新的薄弱环节。
（7）每批锻件的质量偏差≤3%。质量偏差过大会影响发动机的动平衡，在高转速下产生附加振动。
结语
连杆是柴油发电机组中连接活塞与曲轴的关键零件，其结构设计、材料选择和加工质量直接影响发动机的可靠性和使用寿命。连杆的承载能力包括强度、刚度和稳定性三个方面，设计中需合理选用材料和确定截面形状与尺寸。连杆组由连杆小头、杆身、大头、盖、轴瓦、衬套和螺栓等组成，其中小头压配耐磨衬套并设有润滑油孔或油道，杆身采用“工”字形断面以兼顾刚度和轻量化，大头分为平切口和斜切口两种剖分形式，连杆螺栓需按规定力矩分2～3次对称拧紧并在大修时全部更换。连杆轴承由钢背和减磨合金层（巴氏合金、铜铅合金或高锡铝合金）组成，靠定位唇和过盈量双重定位。连杆加工工艺分为粗加工（合并前基准面加工）、半精加工（合并后精磨两平面和半精镗大头孔）和精加工（珩磨大头孔、精镗小头孔）三个阶段，采用统一的定位基准以保证加工精度。连杆锻件技术标准要求硬度在220～270HB之间，纵剖面金属纤维方向沿中心线方向，分模面残留飞边宽度≤0.8mm，锻件质量偏差≤3%，缺陷不允许补焊。通过规范的加工工艺和严格的质量控制，可确保连杆满足高速运转下的强度、刚度和疲劳寿命要求，保障柴油发电机组的长期可靠运行。
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