典型零件(连杆)设计与建模文献综述

典型零件（连杆）设计与CAD建模方法探讨文献综述T943-2 杨刚20090430219一．课题内容连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

分析该汽车典型零件的设计方法与加工工艺成型方法，对其结构特点进行分类汇总后，进行CAD建模方法探讨研究。

二．研究背景2.1连杆国内外研究现状汽车制造业是我国支柱产业之一。

根据我国汽车工业“十五规划”，汽车总产量2005年为300万辆，2010年为450万辆，2015年为600万辆。

随着经济的发展，大型载重汽车、工程专用车、农运汽车等品种和数量需求都很大；随着人们生活水平的不断提高，轿车的需求量逐年大幅度增长。

这不仅向汽车工业提出了新的要求，而且向汽车零部件生产行业提出了变革性的挑战，同时也是促进汽车零部件加工业发展的新机遇。

我国汽车工业发展的势头，是要从零部件的自主知识产权逐步向整车设计自主知识产权过渡，这应该是形成中国汽车工业特色和优势的必由之路。

连杆是汽车的心脏——发动机的关键零部件之一，其工作条件恶劣，是承受强烈冲击力和动态应力最高的动力学负荷部件。

目前，国内连杆生产的各种小厂家所用的设备和工艺参差不齐，产品质量也未达到统一的标准。

通过“八五”、“九五”技术改造，已经形成几家批量较大的连杆专业生产厂，但其生产线、设备和工艺都由国外引进，投资大、自主知识产权的比重小是亟需改变的局面，而且仍无法满足日益发展的汽车、摩托车和内燃机制造业对连杆批量和精度的要求。

因此，提高连杆锻造成型精度，节约设备投入，提高材料利用率，增大自主创新的比重是主要发展方向。

随着汽车工业的发展和传统制造业的不断改进，需求用新的成形技术制造连杆，这种新的技术必须具有设备投资小、生产效率、材料利用率和能量利用率高、连杆成形质量稳定的优点。

2.2现代汽车连杆生产需求：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用材料及制造技术的研究都非常重视。

在满足性能指标的前提下,连杆的材料和制造技术关联很大,非调质钢的应用就是考虑节省调质工序。

近年来,采取裂解连杆体和连杆盖分界面技术可以大幅度地减少机械加工工序,由此开发了高强度低韧性的高碳非调质钢和粉末冶金锻件,以满足工艺的需要。

2.3选题的目的与意义：在这个市场经济竞争如此激烈的年代，企业若要生存发展就必须不断地改进，用最廉价的生产成本创造出最高的利润，这必然跟我们的工艺过程有着千丝万缕的联系，如何合理地快速设计出产品是提高生产效率降低生产成本的最有效方法之一三．典型零件的设计特点连杆是柴油机的主要部件之一,它在柴油机中与汽缸、活塞、曲轴以及主轴承组成曲柄连杆机构,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汽缸中的气体,将活塞的往复运动转化为曲轴的回转运动,使汽缸燃油燃烧所产生的热能转化为曲轴输出的机械能,连杆小头和活塞一起做往复运动,连杆大头与曲轴一起做旋转运动,连杆杆身做复杂的平面运动。

连杆在工作中,承受急剧变化的动载荷作用。

中心曲柄连杆机构简图见图1。

根据连杆的工作情况,连杆应具有以下设计要求:(1)结构简单,尺寸紧凑,可靠耐用;(2)保证具有足够强度和刚度的前提下,尽可能减轻重量,以降低惯性力;(3)尽量减小长度以减小发动机总体尺寸和重量;(4)大小头轴承工作可靠,耐磨性好;(5)连杆螺栓疲劳强度高,连接可靠;(6)易于制造,成本低。

连杆不能单靠大的尺寸来提高其承载能力,必须从材料、构型、设计、热处理及表面强化等几方面来解决连杆尺寸、重量、强度、刚度之间的矛盾。

在连杆设计中,应广泛采用实验应力分析,针对连杆的应力分布决定连杆构型,使材料能够合理利用,满足连杆既轻巧又耐用的要求。

四．国外汽车连杆材料最新应用国外先进的发动机制造企业通过不断的研发，开发出了涨断连杆用非调质钢、粉末冶金及高强度的赛车连杆用钛合金等新型材料。

而国内企业除了开发出C70S6BY涨断连杆用非调质钢外，其余的材料还在开发阶段，开发新型节能环保型的高强度的连杆材料是我国企业和相关研究机构的主要方向。

国内一般中、小型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料主要是中碳钢与中碳合金钢，而增压中冷强化的柴油机一般采用中碳合金钢如铬钢、锰铬钢、镍合金钢等。

但上述钢在毛坯制造的过程中为了取得良好的机械性能及良好的韧性等指标都无一例外地采用正火、调质等热处理工艺来保证连杆本身达到设计要求的性能指标。

而正火、调质等热处理过程中要耗费大量的能源，特别是调质处理还需要消耗水、专用的淬火油等，废弃的淬火液需要处理后方能达到排放标准，这样既不利于环境保护也耗费了大量的能源，从这一点来看并不符合节能环保的要求。

于是国外新型的非调质钢的连杆材料应运而生，而粉末冶金材料也因材料利用率高、加工余量少的特点而得到广泛的应用。

1 涨断连杆用非调质钢调质钢，其强度好、材料纯度高，更重要的是可适应连杆孔分离面涨断工艺的需要；而法国也相应研制了SPLITASCO系列高碳钢，其成分与C70S6相比只是为了提高可加工性能，对P、S等微量元素的含量做了进一步调整。

为了进一步提高材料的疲劳强度，欧洲公司C70S6基础上进一步增加C元素的含量、添加了V的C70S6提高了10%~15%，但是由于合金元素的加入使连杆的加工性能受到一定的影响，目前上述两种材料只是在欧洲的几家产量较大的公司应用。

在过去的4年中，为了满足发动机高爆压的需要，德国研制成功了适合涨断工艺的高强度非调质钢36MnVS4。

为了提高材料的加工性能，该材料与C70S6相比降低了材中C的含量，同时为了提高材料的疲劳强度增加了V、Mo的含量，使材料的晶粒非常细化。

一汽技术中心结合ET3发动机开发项目也研发了此种材料，实践证明此种材料不仅涨断性能良好，从疲劳试验结果来看，其疲劳强度也达到了优质的42CrMoA材料调质后的水平。

上述各种涨断连杆用非调质钢材料成分见表1。

C70S6、36MnSV4金相组织分别见图1、图2 粉末冶金材料用粉末烧结锻造工艺生产汽车发动机连杆，最早是美国通用汽车公司进行这方面的试验并取得成功，但当时没有达到批量生产。

随后，日本丰田汽车公司采用成分为Fe2Cu0.55C0.1S的合金粉末生产汽车发动机连杆，并与锻钢连杆进行了拉压疲劳性能对比试验。

结果表明，粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆具有同等的疲劳性能。

目前，丰田、通用、MAZDA、福特等汽车公司粉末冶金锻造连杆均已经商品化，全球的产量已逾千万，粉末冶金锻造连杆在高速汽油机连杆的生产中已经占有相当的份额。

一汽集团公司与丰田汽车公司的合资企业一汽丰越发动机厂生产的V6系列发动机连杆系采用粉末冶金锻造连杆。

粉末冶金锻造连杆的强度、韧性能达到锻钢连杆的水平，是通过以下两个方面得到保证的，一是通过锻造提高粉坯的密度，二是通过添加合金元素使粉末锻造连杆具有足够的淬透性，保证热处理后零件的质量。

从理论上讲，烧结锻造零件的密度，如能达到钢材的理论密度的话，将具有与钢制零件同等的力学性能。

日本生产的Fe0.5C2.0Cu0.09S、Fe0.55C2.0Cu0.2S粉末烧结锻造连杆的密度达到7．82 g／cm(理论密度的99.8%)，通过试验证明，这样密度的烧结零件，能够达到锻钢连杆的疲劳性能。

图5中的2种高强度锻压粉末冶金连杆材料（拉压比2.5）的疲劳试验结果便证明了这一点，材料成分见表2。

目前，国外正在研究高强度的粉末冶金连杆材料，综合疲劳性能已经超过了C70S6。

4 铝基复合材料由于铝具有密度小、强度高的特性，故采用铝基材料制造车用发动机连杆能得到显著的轻量化效果。

日本丰田汽车公司采用体积率为40%的氧化铝长纤维增强铝基复合材料生产发动机连杆，其质量比锻钢连杆减轻了35%。

日本本田公司采用不锈钢纤维增强铝基复合材料生产其轿车发动机连杆，据报道至少已有5万件这种连杆被采用。

但这种连杆由于采用了长纤维增强铝基复合材料，使得其生产成本不为当今的汽车工业所接受。

颗粒作增强相，是金属基复合材料中价格唯一被汽车行业所接受的类别。

钛合金连杆还可显著地降低发动机的噪声，有利于环保。

由于钛合金的成本比较高，目前应用的范围有限，通常是用在一些高性能赛车上。

4 铝基复合材料由于铝具有密度小、强度高的特性，故采用铝基材料制造车用发动机连杆能得到显著的轻量化效果。

日本丰田汽车公司采用体积率为40%的氧化铝长纤维增强铝基复合材料生产发动机连杆，其质量比锻钢连杆减轻了35%。

日本本田公司采用不锈钢纤维增强铝基复合材料生产其轿车发动机连杆，据报道至少已有5万件这种连杆被采用。

但这种连杆由于采用了长纤维增强铝基复合材料，使得其生产成本不为当今的汽车工业所接受。

颗粒增强铝基复合材料因采用价格低廉的陶瓷颗粒作增强相，是金属基复合材料中价格唯一被汽车行业所接受的类别。

目前，采用压力浸渗工艺生产的50%SiCp增强铝基复合材料已达到弹性模量为2×105N／mm2、弯曲强度为800 N／mm2、弯曲疲劳强度为200 N／mm2的性能指标，极具应用前景。

现代发动机由于节能减排的要求，爆发压力越来越高。

最新设计开发的柴油机的爆发压力已经达到了220×105Pa，而欧洲最新研制的直喷增压式汽油机爆发压力也达到110×105Pa。

这就要求发动机连杆质量轻、强度高、刚度好、惯性力小，采用相应的强化工艺，总之要求连杆材料与要求发动机节能环保是一致的。

开发利用新型的材料与工艺，节省毛坯制造环节中的能耗，提高材料利用率以及简化机械加工中的制造工序是连杆在设计制造中需要解决的问题和努力的主要目标。

五．连杆制造最新技术与发展趋势连杆裂解工艺是国际上90年代初发展起来的连杆加工最新技术。

连杆裂解(也称连杆胀断)技术的原理就是利用材料断裂理论,首先将整体锻造的连杆毛坯大头孔人为产生裂痕,形成初始断裂源,然后用特定方法控制裂痕扩展,达到连杆本体与连杆盖分离的目的。

其裂解过程如下:(1)在连杆锻造毛坯大头孔内,预先加工出裂解槽,形成初始断裂源,见图1a;(2)在裂解专用设备上首先对连杆大头内孔侧面施加径向力,使裂纹由内孔向外不断扩展直至完全裂解,见图1b; (3)连杆盖从连杆本体上分离出来,见图1c。

利用断裂面犬牙交错的特征,在裂解专用设备上,再将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位,最后在断裂面完全啮合的条件下,完成螺栓工序及其他后续切削加工工序。

(1)传统加工工艺流程(2)裂解加工工艺流程裂解工艺改变了连杆加工的关键生产工序,以整体加工代替分体加工,省去分离面的拉削与磨削等工艺,降低螺栓孔的加工精度要求,从而显著地提高生产效率,降低生产成本,增加经济效益。