连杆论文

研究生课程论文

课程名称汽车典型零部件制造工艺与装备

题目发动机连杆综述

学院机电工程学院

专业班级机电研工程143班

姓名冯永

指导教师周斌

2015 年 2 月25 日

发动机连杆综述

摘要随着汽车需求量的不断提高，对于发动机连杆的设计和研究越来越受到各大汽车制造公司的重视.连杆是发动机中最重要的零件之一，对发动机动力性和可靠性有至关重要的影响。连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，而连杆的刚性比较差，容易产生变形，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开。最后达到零件的技术要求。本论文介绍了发动机连杆发展现状及趋势、设计方法、加工工艺以及主要加工装备。

关键词：发动机；连杆；材料；设计；制造工艺

Summary of engine connecting rod

Abstract ：With the continuous increase of requirement for auto, the design and research of engine connecting rod has been attached increasing importance by various car manufacturing companies. Connecting rod is one of the most important parts in the engine, have a vital effect on the engine power and reliability.The precision of size, the precision of profile and the precision of position , of the connecting rod is demanded highly , and the rigidity of the connecting rod is not enough,easy to deform, so arranging the craft course, need to separate the each main and superficial thick finish machining process. Finally reach the requirements of parts technology.This paper introduces the present status and development trend of engine connecting rod,the design method, the processing technology and the main processing equipment.

Key words: Engine ；Connecting-rod；Material；Design；Manufacturing engineering

引言

汽车是最重要的现代化交通工具。目前，全世界汽车保有量有7亿辆，按全世界人口平均约9人就有1辆。汽车工业的飞速发展，这就要求发动机的设计开发水平要提高。发动机是汽车的动力来源，汽车的动力性、经济性、可靠性和排气净化性等性能指标都直接与发动机有关。连杆是发动机中最重要的零件之一。其在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生的惯性力，会使连杆杆身发生形变:轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作，使机械效率下降;重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦，使发动机无法正常工作。因此对其刚度和强度提出了很高的要求。

连杆作为传递气缸爆发压力的主要部件广泛应用于各类动力机车上。连杆在传递力的过程中，承受着很高的周期性冲击力、’惯性力和弯曲力。实际上只是连杆小头中心作往复运动，连杆大头中心作旋转运动，连杆身作往复运动与旋转运动所组成的复合运动。这就要求连杆应具有高的强度、韧性和疲劳性能。同时，因为连杆是发动机重要的运动部件，所以在设计时应该保证其有较长的使用寿命。在拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的综合作用下，其主要破坏形式是疲劳破环，往往造成连杆局部部位断裂，例如连杆断裂、连杆螺栓断裂或松脱等。随着汽车行业的发展，连杆的需求量在不断增加，连杆的加工工艺水平要提高，这就需要设计出更多安全可靠的连杆。

1国内外现状分析

连杆组由连杆体、大头盖、连杆轴瓦及连杆螺栓等组成。用来连接活塞组和曲轴，把活塞的直线运动变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作时进行着复杂的摆动运动，同时还承受着活塞传来的气体压力、往复运动惯性力和它本身摆动运动时所产生的惯性力作用，这些作用力的大小和方向不断的变着。此外，连杆装配时还造成静载荷，在小头是因压入衬套而引起;在大头则由于拧紧连杆螺栓所引起[1]。

连杆组常见的故障有: 1)连杆小头衬套磨损，甚至出现裂纹和烧瓦现象。2)连杆小头衬套座孔及大头轴瓦座孔变形。3)连杆的弯曲和扭曲。即连杆大头孔与小头孔的中心线偏离原来的平行位置。[2]

1.1连杆材料的现状及发展趋势

高强度、轻量化、低成本是汽车发动机连杆用材料的发展趋势，我国的发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，但在连杆轻量化方而还相当落后。为了保证连杆的疲劳强度，要求连杆的材料要具有良好的综合力学性能及工艺性能。以往连杆材料几乎普遍采用碳素调质钢和合金调质钢，20世纪70年代由于石油危机，为节省能源，欧美和日本开始大量应用非调质钢，并取得很大的进展。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而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钢非调质钢和粉末冶金锻件，以满足工艺的需要[3]。连杆用材料:1}碳素钢和合金钢碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素钢，大功率的发动机采用合金钢。2)非调质钢非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加矾、钦、妮等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基本组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。3)粉末冶金连杆粉末冶金是集材料生产一加工技术一零件制造于一体，与其它制造技术相比，它更具有生命力。4)钛合金连杆用钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化，金属钛的密度为4.5g/cm3;，仅为钢铁材料的58%，因此用钛合金制造汽车发动机连杆，可大幅度地降低连杆的质量[4] [5]。

1.2连杆制造发展趋势

近年来，随着机械工业，尤其是汽车工业的飞速发展，发动机零部件及其设计与制造过程的高质量、高效率、低成本、低能耗已成为提高产品竞争力的唯一途径。传统、落后加工技术的生产模式已难以适应市场的变化，加工技术的变革成为必然的发展趋势及发展方向。许多新工艺打破常规，以构思新颖、效益显著为特点应运而生，满足了现代企业的要求。连杆是发动机关键零件，对强度有较高的要求。就制造工艺而言，连杆属于较难锻造与加工的一种零件[6] [7]。对其制造方法及技术，国内外都给予了极大的关注。连杆裂解加工新工艺是国际上90年代初发展起来的一种连杆加工新技术，该新工艺从根本上改变了传统的连杆加工方法，是对传统连杆加工的一次重大变革，能够提高发动机性能、减轻质量和降低生产成本，具有十分显著的经济效益和社会效益[8] [9] [10] 。

2连杆的设计方法分析

采用短连杆是世界上发动机发展趋势，高速内燃机的1/λ(λ=R/L , R一曲轴回转半径，L一连杆中心距)值已小到3.15。连杆大头采用平切口部分往往受到曲柄销直径的限制，一般认为=0.65~ 0.68，西德Deutz、英国Ricardo公司认为平切口与斜切口连杆分界线是dZ/D=0.65~ 0.67，大于上限值的连杆必须选用斜切口型式。连杆小头结构方而国外一些公司采用楔形结构这种结构虽然加工工艺复杂、难度大、制造成本高，但结构设计上可使大、小头的端而宽度相同，且可采用液氮冷却装配小头衬

套，因而减少工艺困难。另外，连杆杆身长期采用工字型截而近代为了适应柴油机高速强化的发展，使杆身在质量尽可能小的前提有足够的强度、刚度，逐渐采用大圆弧截而。这种截而可改善锻造工艺性能，减少锤锻力和模具的磨损，而且减少应力集中，提高了疲劳强度[11]。

连杆在设计时必须首先保证有足够的疲劳强度和结构强度。若疲劳强度不足，往往会造成连杆杆身或连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，就会造成杆身变形及连杆大头的弯曲失圆变形，这将导致活塞、气缸、轴承及曲柄销的偏磨，加大了连杆螺栓的附加弯矩。另一方面，连杆是运动件，必须尽可能地减小它的重量。因此，连杆设计必须从选材、结构设计及制造工艺等方而来综合考虑，采取措施[12]。连杆的结构设计主要涉及连杆的基本结构尺寸和连杆小头、连杆杆身、连杆大头、连杆螺栓等各组件的结构，以满足要求。连杆小头孔除要有足够的壁厚外，还要特别注意小头到杆身过渡的圆滑性，尽量减少这里的应力集中。连杆大头形状设计时要特别注意降低应力集中。螺栓结构设计时要降低应力集中，在装配时要按严格规定的力矩拧紧[13]。

示功图是进行强度校核的基础数据，利用现有的已被肯定的数值计算方法获取示功图，是应该提倡和坚持的[14]。计算机辅助设计技术的发展，为零部件设计、修改、旋转透视提供了强有力的手段。对于连杆总成运动轨迹校核这一问题，CAD/AM绘图技术是一非常好的工具，可以准确而方便地绘出连杆总成外形运动轨迹包络图，大大缩短产品开发周期和节约开发费用[15]。有限元分析(FEA , Finite E1-ement Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元计算方法已被公认为强度分析计算的最佳选择。因而连杆总成疲劳强度校核也应该选用有限元方法，这样可以大大提高计算精度[16] [17]。

3加工工艺

连杆是汽车发动机中的主要传动部件之一，它在柴油机中，把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷。连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。连杆体及连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装在一起。为了减少磨损和便于维修，连杆的大头孔内装有薄壁金属轴瓦。轴瓦有钢质的底，底的内表面浇有一层耐磨巴氏合金轴瓦金属。在连杆体大头和连杆盖之问有一组垫片，可以用来补偿轴瓦的磨损。连杆小头用活塞销与活塞连接。小头孔内压入青铜衬套，以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。

连杆的作用是把活塞和曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动，以输出动力。因此，连杆的加工精度将直接影响柴油机的性能，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。反映连杆精度的参数主要有5个:①连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度;②连杆大、小头孔中心距尺寸精度;③连杆大、小头孔平行度;④连杆大、小头孔尺寸精度、形状精度;

⑤连杆大头螺栓孔与接合而的垂直度。

3.1连杆的主要技术要求

连杆上需进行机械加工的主要表面为:大、小头孔及其两端面，连杆体与连杆盖的结合面及连杆螺栓定位孔等。连杆总成的主要技术要求(表1,2)如下。

为了使大头孔与轴瓦及曲轴、小头孔与活塞销能密切配合，减少冲击的不良影响和便于传热。大头孔公差等级为IT6，表面粗糙度Ra应不大于0.4um;大头孔的圆柱度公差为0.012mm，小头孔公差等级为IT8，表面粗糙度Ra应不大于3.2um。小头压衬套的底孔的圆柱度公差为0.0025mm，素线平行度公差为0.04/100mm。

两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度误差会使活塞在汽缸中倾斜，从而造成汽缸壁磨损不均匀，同时使曲轴的连杆轴颈产生边缘磨损，所以两孔轴心线在连杆轴线方向的平行度公差较小;而两孔轴心线在垂直于连杆轴线方向的平行度误差对不均匀磨损影响较小，因而其公差值较大。两孔轴心线在连杆的轴线方向的平行度在100mm长度上公差为0.04mm;在垂直与连杆轴心线方向的平行度在100mm长度上公差为0.06mm。

连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度，影响到轴瓦的安装和磨损，甚至引起烧伤;所以对它也提出了一定的要求:规定其垂直度公差等级应不低于IT9(大头孔两端面对大头孔的轴心线的垂直度在100mm长度上公差为0.08mm。

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6.3 u m加工;两螺栓孔在大头孔剖分而的对称度公差为0.25mm。

3.2 连杆的材料与毛坯

发动机连杆材料，一般采用45钢或45Cr、35CrMo，并经调质处理，以提高其强度及抗冲击能力。也有采用非调质钢如35MnVS，或采用55钢或球墨铸铁制造连杆的。使用非调质钢制造连杆可免去调质工艺，节约了工时和能源。

钢制连杆一般采用锻造方法制造毛坯。大批大量生产中采用模锻。一般分为初锻和终锻。

连杆毛坯主要有两种类型：

3.2.1连杆体与连杆盖合在一起的整体式锻件

3.2.2连杆体、连杆盖分开的分开式锻件。

分开锻造的连杆，金属纤维是连续的，因此具有较高的强度。整体锻造的连杆要增加切断连杆的工序，切断后连杆盖的纤维是断裂的，因而削弱了强度。但整体式连杆因为具有节材节能、锻造工艺简单且节省锻造模具以及接合面机械加工量小等特点而被广泛采用。

3.3连杆的机械加工工艺过程

连杆盖和连杆体的定位，传统的方法主要有连杆螺栓、套筒、齿形和凸肩四种方式，斜切口连杆常用后三种方式。平切口连杆用连杆螺栓定位，螺栓和螺栓孔的尺寸公差要求都较高。用套筒定位，连杆体、连杆盖与套筒相配合孔的尺寸公差和孔中心距公差要求也都较高。用齿形或凸肩定位，接合稳定性好，制造工艺简单，连杆螺栓孔为自由尺寸，接合面上的齿形或凸肩可采用拉削方法加工，适于大批大量生产；成批生产时，可采用铣削方法加工。

图1

连杆大、小头厚度考虑到加工时的定位、加工中的输送等要求，连杆大、小头一般采用相等厚度。连杆杆身上油孔的大小和深度活塞销与连杆小头衬套孔之间需进行润滑，部分发动机连杆采用压力润滑。

连杆结构工艺特点：外形复杂，不易定位；大、小头由细长的杆身连接，刚度差，容易变形；尺寸、形状和位置公差要求很严格，表面粗糙度值小，给加工带来许多困难。为区分非定位端面的杆身和连杆盖上各锻造出一个凸点，作为标记。

连杆的主要加工表面为大头孔、小头孔、端面、连杆盖与连杆体的接合面以及连杆螺栓孔；次要加工表面为油孔、锁口槽等；辅助基准为工艺凸台或中心孔。非机械加工技术要求有探伤和称重、去重。还有检验、清洗、去毛刺等工序。连杆大、小头两端面加工：采用粗铣——粗磨——精磨或粗磨——半精磨——精磨等加工工艺方案。连杆小头底孔的加工：一般采用钻孔——拉孔——镗孔或钻孔——扩孔——铰孔等加工工艺方案；压入青铜衬套后，多以金刚镗（细镗）衬套内孔作为最后加工。(如表3)

发动机连杆工序表3

连杆的机械加工路线是围绕着主要表面的加工来安排的。连杆的加工路线按连杆的分合可分为三个阶段:第一阶段为连杆体和盖切开之前的加工;第二阶段为连杆体和盖切开后的加工;第三阶段为连杆体和盖合装后的加工。第一阶段的加工主要是为其后续加工准备精基准(端面、小头孔和大头外

侧面);第二阶段主要是加工除精基准以外的其它表面，包括大头孔的粗加工，为合装做准备的螺栓孔和结合面的粗加工，以及轴瓦锁口槽的加工等;第三阶段则主要是最终保证连杆各项技术要求的加工，包括连杆合装后大头孔的半精加工和端面的精加工及大、小头孔的精加工。如果按连杆合装前后来分，合装之前的工艺路线属主要表面的粗加工阶段，合装之后的工艺路线则为主要表面的半精加工、精加工阶段。

3.4影响加工精度因素

3.4.1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。

3.4.2连杆是模锻件，孔的加工余量大，切削时将产生较大的残余内应力，并引起内应力重新分布。

因此，在安排工艺进程时，就要把各主要表面的粗、精加工工序分开，即把粗加工安排在前，半精加工安排在中问，精加工安排在后面。这是由于粗加工工序的切削余量大，因此切削力、夹紧力必然大，加工后容易产生变形。粗、精加工分开后，粗加工产生的变形可以在半精加工中修正;半精加工中产生的变形可以在精加工中修正。这样逐步减少加工余量，切削力及内应力的作用，逐步修正加工后的变形，就能最后达到零件的技术条件。

4连杆行业标准和主要设备

4.1连杆行业标准

发动机在工作过程中，连杆受力比较复杂，一方面要承受气体的压力和往复运动的惯性力所长生的冲击性拉压交变载荷，同时连杆摆动产生横向惯性力，导致其承受弯曲交变载荷。因此，连杆要求有足够的强度和刚度。连杆在发动机中地位举足轻重，国家制定了相关的行业条文规定，目前，国内发动机连杆行业采用的标准为:GB T23340-2OO9《内燃机连杆技术条件》。它是在JBT6721-1993《内燃机连杆技术条件》机械行业标准基础上制定的，该国家标准基本保持了原机械行业标准的结构，对内燃机锻钢连杆(包括连杆体、连杆盖和连杆衬套)的技术要求、检验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存等做出了规定，适用于气缸直径不大于200mm的往复活塞式内燃机锻钢连杆。新标准在连杆材料牌号中加入了35CrMo，那么现在的连杆标准材料牌号就有45钢、40Cr,35CrM0和42CrMo四种，以适应市场实际需求和材料技术的发展趋势。新标准还提出了连杆力学性能要求和硬度值要求。无论哪种材料的连杆，在调质处理后，连杆杆身和杆盖硬度都应在207HBW-320HBW范围内，这对保障连杆质量有重大意义。

连杆是汽车发动机上的关键零部件，也是典型的、重要的、复杂系数最高的模锻件。连杆的制造精度、产品的内在和外在质量都将直接影响发动机的整机性能和水平。

由于要保持曲轴在高速运转时始终保持平衡状态，为此，对连杆的重量公差要求也要控制在一定范围内。由于连杆的锻造上艺和切削加上过程都是很困难的，为此在锻造生产和金属切削加上过程中很容易出现质量问题，而这些问题的发生，也是由于各种综合或某个因素造成的，而产生问题的原因义很多，所以长期以来，连杆行业对连杆的材料、锻造上艺和金属切削加上制造上艺一直在不断地进行革新、改进和研讨。同时对在生产制造整个过程，容易出现的问题也在进行着深入的研究，其目的就是既满足产品技术性能和使用要求，义能够降低成本、提高效率和最大程度地增加经济效益。

4.2组合机床

汽车连杆加工过程中用到很多几床，其中最主要的是组合机床，下面对面组合机床进行简介

组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。

组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。

组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。它一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床一般用于加工箱体类或非凡外形的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。

5结语

通过本文从材料，制造工艺，设计方法等方面介绍发动机连杆的设计及制造的现状及发展趋势，了解连杆的进步与发展。但目前仍有成本与技术之间的矛盾，连杆材料的选择与设计、制造依然有巨大的发展潜力。相信在不久的将来通过广大科研人员的努力，可以研发出实用性与经济性更加出色的连杆。

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