连杆部件设计规范2010-10-31

连杆部件设计手册

（内部资料）

版本修改记录编制人审核人批准人日期第一版新版制订姜立镇曾小春段翔20101031

目录

一、连杆部件的作用及工作条件

二、连杆部件主要结构型式

三、连杆部件的材料选择

四、连杆部件的表面处理

五、连杆部件的设计要点及相关计算

六、连杆部件潜在失效模式

七、连杆部件DV试验及试验目的

八、连杆部件评价标准（或设计准则）

一、连杆的作用及工作条件

连杆把活塞和曲轴连接起来。连杆小头与活塞销连接，并与活塞一起作往复运动；连杆大头与曲轴的曲柄销连接，和曲轴一起作旋转运动；连杆的其余部分则作复杂的平面运动。作用于活塞上的力经连杆传给曲轴。

连杆大头必须具有足够刚度。刚度不足是导致轴瓦发生抱轴、烧瓦、减摩材料疲劳剥落和连杆螺栓断裂等一系列故障的原因之一。因此连杆大头的设计应使连杆大头具有足够的刚度，杆身与大头之间具有平滑的过渡。如果强度不足，在发动机运转过程当中一旦发生连杆杆身、大头盖和连杆螺栓断裂，就会使机器遭到严重的破坏。

连杆大头轴承的润滑性能也决定了能否正常工作和承载。

连杆的最大拉伸应力出现在进气冲程上止点附近，最大的压缩应力出现在膨胀冲程上止点附近。

二、连杆主要结构型式

1.大小头孔直径及宽度取决于活塞、活塞销、曲轴的设计

2.连杆大小头孔中心距，取决于总体的设计，原则上尽可能取短值以减少机器的总高和增

强连杆的刚度，但是也要平衡选择，因为短的连杆会使活塞侧向力大、曲轴平衡块可能

碰活塞的裙部，目前推荐值曲柄连杆比λ在0.28-0.32之间（其中JMC产品中E802的为0.32、 JX493系列的为0.32、 puma2.4的为0.31）。

3.杆身从弯曲刚度和锻造工艺考虑一般为工字形断面，断面积与活塞面积比柴油机在

3%-5%（JX4D30的为4.7%），汽油机在2%-3.5%。

4.小头及衬套，设计时优先采用楔形结构以尽可能的加大承压面积，小头衬套多用含铜的

表面合金层的钢卷制而成，内表面开T形润滑油槽。

5.大头剖分形式及定位，剖分主要有平切口和斜切口，当曲柄销直径大于0.65D（D为气

缸直径）需用斜切口。平切口常用定位销、螺栓杆定位，斜切采用止口或锯齿定位，现在的胀断工艺可形成不规则的断面来定位。

三、连杆的材料选择

高速柴油机的连杆一般用碳钢或合金钢模锻而成，常用材料有45、45Mn、40Cr、35CrMo、42GrMo、胀断连杆常用C70S6，锻后须经过调质处理，控制硬度在HBS217-320，还可通过喷丸处理进一步提高连杆的疲劳强度，成品须经磁力探伤。

合金钢有较好的综合机械性能，但是当存在产生应力集中因素时，它的耐疲劳能力急剧下降，所以合金钢连杆的形状设计、过渡圆滑性、毛坯表面质量等必须给予充分的重视，另外连杆纵向断面内宏观金相组织要求金属纤维方向与连杆外形相符，纤维无紊乱中断现象。

四、连杆的表面处理

连杆一般用钢锻造，机加工前要经过调质处理（淬火后高温回火），以得到较高的综合机械性能，即强又硬，为了提高连杆的疲劳强度，不经机械加工的表面应经过喷丸处理，锻件锻后一般要经过BY（锻后冷控），以达到合适的硬度，一般硬度：HB10/3000 250～295，同一只连杆表面硬度差应不大于15 HB，断面硬度差应不大于15 HB。另一种工艺是粉末冶金连杆，使用较少。

五、连杆的设计要点及相关计算

设计要点

1.在确保足够的强度和刚度的条件下尽量减轻其质量

2.注意过渡圆角及细节的设计，特别是连杆小头与杆身的过渡圆角和连杆大头盖的螺栓支

撑面的过渡圆角的设计，防止应力集中。

3. 必须根据总体设计的要求合理确定结构参数和连杆体与连杆盖的剖分形式。

4. 轴瓦的定位方式有止口定位和过盈定位，如 JMC 产品中puma 系列的都是靠过盈定位

的，而JX4D30和JX493的都是靠止口定位。 相关计算

1.连杆小头结构设计

现代高速发动机上连杆小头一般采用薄壁圆环形设结构，这种结构简单轻巧，制造方便，工作时应力分布均匀。

设计连杆小头的任务是确定其结构尺寸（小头轴承孔直径d1和宽度B1、外形尺寸D1和衬套外径d ）和润滑方式，其中d1和B1已在活塞组设计中确定，一般汽油机B1=（1.2-1.4）d1，柴油机B1约等于d1。承压面的比压B1

1d F p q ⨯⨯=, q 的许用值一般为620bar ，高强化发动机为850-900bar ，比压过大时，可把小头做成楔形或阶梯形，以增大受力侧承压面。小头到杆身过渡处的形状及尺寸对小头的强度、刚度影响很大，应采用合适的过渡加强结构。为改善磨损，小头孔处要以一定的过盈量压入耐磨衬套。

小头轴承由于比压较大，滑动速度低，一般不能形成理想的液体润滑，目前大多采用飞溅供给润滑油，因为交替的载荷引起活塞销相对连杆的上下移动，这个泵油作用可促成油膜恢复，故连杆小头和衬套上应开有油孔或油槽。

2.杆身的结构设计

杆身承受交变载荷，可能产生疲劳破坏和变形，连杆高速摆动时的横向惯性力也会使连杆弯曲变形，因此杆身必须有足够的断面积，并消除应力集中因素，常用工字形断面，经验设计尺寸如下：H/D=0.2-0.3(汽油机)，0.3-0.4（柴油机）。高宽比H/B=1.4-1.8。B=DS 6

1. 其中D 、S 分别为气缸直径和冲程。为使连杆小头到大头的传力均匀，一般把杆身断面H 由小头到大头逐渐增大，Hmax/Hmin 值最大达1.3左右，杆身到小头和大头的过渡处须有足够大的圆角半径。

3.连杆大头设计

大头的结构尺寸基本上决定于曲柄销直径D2、长度B2、连杆轴瓦厚度δ2、和连杆螺栓直径dm 。其中D2、B2根据曲轴强度、刚度和轴承承压能力。在曲轴设计中确定，连杆螺栓尺寸则根据强度设计，