发动机连杆设计论文

引言

随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此，国内外各大汽车公司对发动机连杆的材料及制造技术的研究都非常重视。“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求：

(1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；

(2)强度、刚度要高，并且要有较高的韧性；

(3)连杆比要大，连杆要短。

这就意味着对连杆的设计和加工有着更高的要求。其一，杆身有足够的刚度可以预防工作时发生弯曲变形；其二，连杆的大端和连杆盖有足够的刚度，以防大端变形时连杆螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆，使轴承润滑破坏。同时，还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性。

汽车发动机连杆设计

濮永庆机械制造及其自动化

专升本 2011春季117863210038

一、连杆的国内外发展情况

1、连杆的毛坯材料发展状况

在毛坯材料方面，国内传统工艺连杆毛坯材料一般采用42CrMo 、35CrMo 、40MnVB、45CrMnB、40Cr 、45 、40CrMnB S40C等调质钢和S43CVS1 (进口) 35MnV、40MnS等非调质钢。1984～1994年期间，康明斯生产线用调质钢毛坯40MnBH(GB5216-85),1995年全面转用非调质钢材料毛坯38MnV。而德国发动机系统和零部件专家马勒（MahleGMbH）公司先后推出C70S6BY钢、36MnVS4BY钢、70MnVS4BY钢等。

2、连杆的加工工艺发展情况

在加工工艺方面，国内外连杆生产方式大致有：锻造、铸造、粉末冶金等，传统锻造有将连杆体和盖分开锻造、连杆体和连杆盖的整体锻造两种。60年代中期粉末热锻技术开始发展起来，从上世纪80年代以来，粉末冶金注射成型（PIM）得到应用，大多数连杆制造中使用的中碳钢和低合金钢逐步由新钢种和粉末冶金的锻造材料所代替。

在连杆体与连杆盖分离工艺方面，国内外连杆的加工工艺大部分采取的方法有锯断、铣断等工艺；最新工艺是使用断裂分开，即胀断工艺（或者裂解工艺），该工艺是用切口(或用机械方法或用激光束制造预裂纹) 断裂,使大端连杆盖从连杆体移去。国内部分汽车工业制造厂及设备制造厂如一汽大众、上海大众和上海通用等公司都采用了该技术。

连杆属于典型的“杂件”类零件，不但精度要求高，形状复杂，制造难度大，而且生产批量大，连杆的质量直接影响发动机质量。本设计详细介绍了连杆的加工方法的拟订和确立，并对连杆加工工序进行设计。从零件加工工艺的方向进行了一定的探讨。

二、连杆的结构特点

图2-1 连杆的结构图

连杆由连杆及连杆盖两部分组成。连杆体与连杆盖上的大头孔用螺母和螺栓与曲轴装配在一起。如图2-1 175Ⅱ型柴油机连杆的大头孔内装有薄壁金属轴瓦。轴瓦以刚质为母体，其内表面浇有一层耐磨合金。在连杆体大头和连杆盖之间有一组垫片，可以用来补偿轴瓦的磨损。连杆小头有活塞销于活塞连接。小头孔内压入青铜衬套，一减少小头孔与活塞销的磨损，同时便于在磨损后进行修理和更换。

连杆是柴油机的主要零件之一。它把作用于活塞顶面的膨胀气体的压力传给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩汽缸中的气体，工作中承受着急剧变化的动载荷。

三．连杆的技术要求

3.1连杆的小头孔的尺寸公差不低于IT7，表面粗糙度Ra<0.80um，圆柱度公差等级不低于7级。

3.2连杆大头孔公差等级为IT6，表面粗糙度Ra应不大于0.8μm；圆柱度公差等级不低于6级。

3.3连杆小头孔对大头孔轴线的平行度：在大、小头孔轴所决定的平面的平行方向上，平行度公差值不应大于100：0.03；垂直于上述平面的方向上，平行度公

差应不大于100：0.06。

3.4连杆大、小头孔中心距的极限偏差通常为±0.05mm；连杆大头两端面对连杆大头孔轴线的垂直度公差不低于8级。两端面表面粗糙度Ra值不大于1.25um。

3.5在前面已经说过，连杆在工作过程中受到急剧的动载荷的作用。这一动载荷又传递到连杆体和连杆盖的两个螺栓及螺母上。因此除了对螺栓及螺母要提出高的技术要求外，对于安装这两个动力螺栓孔及端面也提出了一定的要求。规定：螺栓孔按IT8级公差等级和表面粗糙度Ra应不大于6.3μm加工；

3.6在连杆受动载荷时，对口面的歪斜使连杆盖及连杆体沿着剖分面产生相对错位，影响到曲轴的连杆轴颈和轴瓦结合不良，从而产生不均匀磨损。结合面的平行度将影响到连杆体、连杆盖和垫片贴合的紧密程度，因而也影响到螺栓的受力情况和曲轴、轴瓦的磨损。对于本连杆，要求结合面的平面度的公差为0.025 mm。四．连杆的材料和毛坯

1．连杆在工作中承受多向交变载荷的作用，要求具有很高的强度。因此，连杆材料一般采用高强度碳钢和合金钢；如45钢、55钢、40Cr、40CrMnB等。近年来也有采用球墨铸铁的，粉末冶金零件的尺寸精度高，材料损耗少，成本低。随着粉末冶金锻造工艺的出现和应用，使粉末冶金件的密度和强度大为提高。因此，采用粉末冶金的办法制造连杆是一个很有发展前途的制造方法。

2.连杆毛坯制造方法的选

择，主要根据生产类型、材

料的工艺性（可塑性，可锻

性）及零件对材料的组织性

能要求，零件的形状及其外

形尺寸，毛坯车间现有生产

条件及采用先进的毛坯制

造方法的可能性来确定毛

坯的制造方法。根据生产纲

领为大量生产，连杆多用模锻制造毛坯。连杆模锻形式有两种，一种是体和盖分开锻造，另一种是将体和盖锻成—体。整体锻造的毛坯，需要在以后的机械加工过程中将其切开，为保证切开后粗镗孔余量的均匀，最好将整体连杆大头孔锻成

椭圆形。相对于分体锻造而言，整体锻造存在所需锻造设备动力大和金属纤维被切断等问题，但由于整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少、锻造工时少、模具少等优点，故用得越来越多，成为连杆毛坯的一种主要形式。总之，毛坯的种类和制造方法的选择应使零件总的生产成本降低，性能提高。

目前我国有些生产连杆的工厂，采用了连杆辊锻工艺。图（1-2）为连杆辊锻示意图．毛坯加热后，通过上锻辊模具2和下锻辊模具4的型槽，毛坏产生塑性变形，从而得到所需要的形状。用辊锻法生产的连杆锻件，在表面质量、内部金属组织、金属纤维方向以及机械强度等方面都可达到模锻水平，并且设备简单，劳动条件好，生产率较高，便于实现机械化、自动化，适于在大批大量生产中应用。辊锻需经多次逐渐成形。

五、连杆的加工工艺过程

连杆的尺寸精度、加工表面形状精度以及位置精度的要求都很高，但刚性比较差，容易产生变形，这就给连杆的机械加工带来了很多困难，必须予以充分的重视。

孔作为主要基面，并用大头处指定一侧的外圆面作为另一基面。端面的面积大，定位比较稳定；用小头孔定位可直接控制大小头孔的中心距，并可达到基准统一，减少定位误差。在安装工件时，注意将成套编号标记的一面不与夹具的定位元件接触。在精镗小头孔时也用小头孔及衬套孔作为基面，这时将定位销做成活动的。当连杆用小头孔及衬套孔定位并夹紧后，从小头孔中抽出假销，进行加工。

六、连杆机械加工工艺过程分析

1、工艺过程的安排

在连杆加工中有两个主要因素影响加工精度：

（1）连杆本身的刚度比较低，在外力（切削力，夹紧力）的作用下容易变形；（2）连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时会产生较大的残余内应力，并引起内应力的重新分布；

因此在安排工艺过程时，就需要把各主要表面的粗精加工工序分工。这样，粗加工生产的变形就可以在半精加工中得到修正；半精加工中生产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。

各主要表面的工序安排如下：