曲柄连杆机构

第一节曲柄连杆机构曲柄连杆机构是柴油机的主要运动件，主要包括曲轴和连杆，对于十字头式柴油机还包括十字头组件。

曲柄连杆机构的主要作用是将活塞的往复运动转换成回转运动，并输出动力。

一、十字头组件1．十字头组件的作用及工作条件十字头组件是船用二冲程十字头式柴油机的特有部件。

它的主要作用是将活塞组件和连杆组件连接起来，把活塞的气体力和惯性力传给连杆，承受侧推力并给活塞在气缸中的运动导向。

主要包括十字头本体，十字头滑块和十字头轴承（连杆小端轴承）等。

如图2-26所示。

十字头组件的工作条件是比较苛刻的。

十字头本体和轴承要承受周期性的气体爆发压力；十字头滑块要承受侧推力的作用。

特别是十字头头轴承，由于单向受力及连杆只作摆动，不易形成良好的润滑，工作条件更为恶劣。

图2-26十字头的构造2．十字头的构造十字头的结构有以下几种类型。

根据十字头滑块的结构形式可分为单滑块结构、圆筒形滑块结构和双滑块结构。

双滑块结构的正倒车承压面相同，比较安全可靠。

导板设在机架的横隔板上(见图2-27)，使连杆摆动平面宽敞，由机器的两侧进行检修工作比较方便，因此应用广泛。

单滑块式十字头结构简单，制造与安装容易，以前应用较多，现在已很少采用。

圆筒形滑块仅为个别机型使用。

根据十字头与活塞杆的连接方式有两种，一种是活塞杆穿过十字头上的孔用螺帽固定，另一种是利用活塞杆下部凸缘和螺栓与十字头连接。

第一种形式由于活塞杆穿过十字头，连杆小端必须采用分岔形式，使十字头轴承工作可靠性降低，现在已基本不用。

而第二种形式由于连杆小端采用全支撑式结构，扩大了轴承的承载面积，改善了轴承的受力状况，使十字头轴承的工作可靠性大大提高。

目前MAN B&W和SULZER公司最新生产的柴油机都采用这种结构。

图2-26为MAN B&W公司生产的S-MC-C型柴油机的十字头，它主要由十字头销3和十字头滑块4组成。

活塞杆通过四个螺栓固定在十字头销上部的平面上，十字头销连杆小端轴承5支撑，连杆小端轴承盖为中空结构，两侧为十字头滑块，滑块两侧的工作面上都浇有减磨合金，并开设油槽，滑块可沿着固定在机架上两侧的相应导板滑动，并传递侧推力。

3．十字头轴承工作分析和提高可靠性措施柴油机故障统计表明，十字头轴承是柴油机各种轴承中发生故障最多的轴承。

这种轴承之所以易发生故障，是由于它们的工作条件比较差。

图2-27 L35MC/MCE柴油机十字头导板１、５-螺栓；２-导轨；３、４-垫片；６-十字头销；７-连杆小端轴承；８-托架十字头轴承的工作特点：(1)轴承的比压大。

十字头轴承承受气体力和活塞惯性力的作用，燃烧气体压力很高，而十字头轴承与十字头销又是同处于往复运动中，其尺寸受到较大的限制。

(2)难以形成足够的润滑油膜。

连杆小端轴承绕十字头销摆动，十字头式柴油机都是低速机，连杆的摆角和摆动角速度都很小。

当活塞处在上下止点位置时，摆动角速度最大，而曲柄销在左右水平位置时，摆动角速度为零。

由于摆动角速度时大时小且不断地改变方向，使十字头轴承往往处于边界润滑状态，因此难以形成足够的润滑油膜，摩擦和磨损比较严重。

(3)单向受力。

十字头柴油机都是二冲程机，十字头销始终压在轴承下瓦上，不利于滑油的供应和楔形油膜的形成。

(4)受力不均。

在柴油机工作时，由于十字头和轴承受力，使这些部件难免发生变形。

特别是对于分岔式十字头轴承，十字头销变形往往很难和轴承变形一致，易使局部受力严重，产生负荷分配不均现象。

一般在轴承内侧受力较大，更易发生故障。

这种情况在采用全支撑式十字头轴承后已大大改善。

由于以上特点，使十字头轴承成为柴油机中工作条件最恶劣的轴承，也是柴油机安全可靠运转的薄弱环节。

因此，该轴承允许有细小裂纹存在，而不必急于换新。

提高十字头轴承可靠性的措施：为了提高十字头轴承的工作可靠性，各柴油机公司和制造厂家多年来做了不少努力，采取了一系列延长十字头轴承寿命的措施。

这些措施归纳起来主要围绕着以下几个方面。

(1)降低轴承比压。

降低轴承比压的措施主要有：加大轴颈直径，将十字头销轴径加大，同时轴承孔径也相应加大，轴承承压面积增加，因此比压下降。

增大轴径还可提高刚度，增加十字头销表面的线速度，有利于润滑油膜的形成。

有的柴油机十字头销直径已增加到气缸直径的96%。

采用全支承式轴承，见图2-28。

在轴颈的全长上都设轴承承压面，扩大了承压面积。

(2)使轴承负荷分布均匀。

为了提高十字头轴承的可靠性，不但要降低轴承比压的平均值，而且还要避免局部比压过高现象，尽量使轴承负荷分配平均。

对于分岔式十字头轴承,曾采取过如：采用弹性结构、刚性结构、反变形法和增大承压面的贴合面积等方法使轴承负荷分布均匀。

(3)保证良好的润滑和冷却。

其主要措施有保证油压，合理开设布油槽和输油槽，使轴承在工作时有合适的间隙等。

保证油压。

为了保证十字头轴承的滑油压力，现已普遍采用铰链机构或套管机构，直接把滑油送至十字头销和轴承。

当采用薄壁铝锡合金轴瓦后，有的柴油机为了弥补它在嵌入性、适应性等方面的欠缺，由专设的滑油升压泵，把滑油压力大大提高，从而实现液体静力润滑。

如RTA-T-B型柴油机，十字头轴承的滑油压力为1.0-1.2 MPa。

合理开设油槽。

轴承油槽的布置和形状，对于润滑油膜的形成和轴承承载能力有很大的影响。

槽数太多，将使承压面削弱太多，承载能力下降。

槽数太少，则布油不均匀。

轴向油槽不能开到边缘，以防滑油流失，难以形成液体静力润滑。

但也不能把滑油封闭在轴承中或使滑油从轴承中流出的数量不足。

为此，某些轴承油槽的端部有小直径泄油槽保证良好冷却。

在油槽的边缘应开有楔形斜面，以防锐利的棱边刮去滑动表面上的润滑油。

为了获得最佳油膜厚度，楔形斜面必须具有适当的角度和长度。

选择合适的间隙。

间隙太大，油压不易建立，油膜不易形成。

间隙太小，轴颈不易浮起，热量不易带走，轴承容易抱轴。

因此，保证合适的间隙也是很重要的。

(4)采用薄壁轴瓦。

近年来由于轴承负荷的不断提高，在十字头轴承中愈来愈多地采用薄壁轴瓦。

薄壁轴瓦是在钢背上浇铸一层较薄的轴承合金。

使轴承合金与钢背的贴合力强，疲劳强度高。

另外，薄壁轴瓦加工精度高，不需拂刮，互换性好，拆装与更换方便。

(5)提高十字头销颈表面光滑程度。

由于十字头轴承润滑条件差，油膜很薄，为了防止十字头销颈擦伤轴承，同时也为了提高十字头销的抗疲劳强度，十字头销颈必须非常光滑。

二、连杆1连杆的工作条件和要求连杆的功用是将作用在活塞上的气体压力和惯性力传给曲轴，并把活塞或十字头与曲轴连接起来，将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动。

连杆的运动复杂，连杆的小端随活塞作往复运动，大端随曲柄销作回转运动。

连杆杆身在小端和大端运动的合成下，绕着往复运动的活塞销或十字头销摆动。

杆身上任意一点的运动轨迹随其位置而异，都近似呈椭圆。

连杆不但运动复杂，而且受力也很复杂。

连杆承受周期性变化的气体力和活塞、连杆惯性力的作用，并且气体力在燃烧时具有冲击性。

在二冲程柴油机中，连杆始终是受压的，但压力的大小是周期性变化的。

在四冲程柴油机中，连杆有时受拉，有时受压。

连杆小、大端轴承还与活塞销或十字头销、曲柄销产生摩擦和磨损。

对连杆的主要要求是：连杆应耐疲劳、抗冲击，具有足够的强度和刚度。

连杆长度应尽量短，以降低发动机的高度和总重量。

要求连杆轴承工作可靠、寿命长。

此外还要求连杆重量轻，加工容易，拆装维修方便。

在十字头式柴油机中连杆多用中碳钢，筒形活塞式柴油机连杆采用优质碳钢或合金钢制造。

2．十字头式柴油机连杆的构造十字头式柴油机连杆一般由小端、杆身和大端三部分组成。

对应于不同类形的十字头，连杆小端也有两种结构，一种是分岔式连杆小端，它对应于穿过活塞杆的十字头，由于这种十字头轴承工作可靠性降低，现在已基本不用。

另一种是全支撑式连杆小端，如图2-28所示。

连杆大端根据杆身与大端轴承座是否分开分为车用大端和船用大端。

连杆杆身与连杆大端轴承座剖分式的大端结构称为船用大端，船用大端在剖分面处装有压缩比调节垫片，但结构比较复杂；杆身与大端轴承座不分开的结构称为车用大端，车用大端结构简单、紧凑，目前在大型船用低速柴油机中得到了广泛的应用。

图2-28为RTA-T-B型柴油机连杆的构造。

小端为十字头端，由轴承盖3、轴承座、薄壁轴瓦4和螺栓2等组装而成。

大端为曲柄销轴承，由轴承盖9、轴承座、薄壁轴瓦8以及螺栓7等组装而成。

大、小端的螺栓2和7都是紧配螺栓，以保证轴承盖、轴承座和杆身之间正确而紧固地配合。

连杆螺栓为柔性螺栓，有较高的疲劳强度，用专用液压工具上紧。

图2-28 RTA-T-B柴油机连杆１,6连杆螺栓螺母；２,7连杆螺栓；３小端轴承盖；４,8-薄壁轴瓦、5-连杆杆身；9大端轴承盖；MAN B &W公司的MC系列柴油机连杆也采用类似结构。

这种连杆的杆身与连杆大、小端轴承座合为一体，整个连杆结构紧凑，长度很短，这对于现代超长行程柴油机减少整机高度是非常重要的。

连杆小端刚性大，十字头销短而粗，采用全支承称刚性十字头轴承。

它的承载能力和工作可靠性都明显增加。

1．筒形活塞式柴油机连杆筒形柴油机的连杆一般采用优质炭钢或合金钢锻造而成。

连杆杆身的截面形状通常有圆柱形截面和工字形截面两种。

圆柱形截面（图2-29）是由自由锻造毛坯制成，主要用于中型或小批量生产的柴油机中。

工字形截面（图2-30）在其摆动的平面内有较大的截面惯性矩，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。

连杆杆身中常钻有油孔，其作用是把润滑油从大端输送到小端，以润滑连杆小端轴承和冷却活塞。

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。

对于中速强载柴油机，通常采用锥形或阶梯形的连杆小端，以增大连杆小端下部主要承压面的面积（图2-29）。

连杆大端是曲柄销轴承，通常制成剖分式结构，用螺栓连接起来。

连杆大端首先要满足拆装条件，即在检修时连杆应能同活塞一起由气缸中吊出。

随着柴油机强化承度越来越高，使曲轴轴颈增粗，刚性增大，连杆轴承尺寸也越来越大，因此连杆大端出现了平切口、斜切口和阶梯切口以及船用大端等各种结构。

对于V 型柴油机，近年来生产的新机型几乎全部采用并列连杆，主副连杆和叉骑式连杆基本不再使用。

图2-29为Wärtsilä 38型柴油机的连杆，连杆由合金钢锻造并加工成圆形截面，由于该机的最高燃烧压力已达到19Mpa ，为了保证曲轴的刚度和轴承的承载能力，连杆大端采用船用大端结构，可以在不打开大端轴承的情况下进行吊缸，并使吊缸高度达到最小。

连杆大端轴承较宽，使轴承负荷较小，在连杆大端和杆身之间为一铝合金板，保证了两部分很好的贴合。

连杆小端为阶梯形小端，并采用三层结构的轴瓦，具有良好的承载能力。

杆身中间钻孔，将滑油从连杆大端送至小端，供小端轴承的润滑及活塞冷却。