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1、 摘 要 連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，它的設(shè)計(jì)性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命． 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的連桿，因其質(zhì)量較大，易引起連桿壓彎變形等情況，從而導(dǎo)致失效。 隨著汽車需求量的不斷提高，對于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的設(shè)計(jì)和研究越來越受到各大汽車制造公司的重視。針對這一問題，根據(jù)連桿的實(shí)際工作狀況，對發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的設(shè)計(jì)展開了研究。 關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)連桿；工字形；加工 由于連桿是在發(fā)動(dòng)機(jī)中用來傳遞氣缸爆發(fā)壓力的，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，所以對于兩岸的研究和設(shè)計(jì)是非常重要的。連桿在力的傳遞過程中不僅僅是承受著非常高的周期性的沖擊

2、力而起還承受著慣性力和彎曲力。其實(shí)連桿的運(yùn)作機(jī)理是這樣子的：連桿小頭中心作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿身作往復(fù)運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。如此法則的運(yùn)動(dòng)就要求連桿既要有比較高的強(qiáng)度還要有較強(qiáng)的韌性和疲勞性能。由于連桿式發(fā)動(dòng)機(jī)的最為重要的不見，在拉伸、壓縮和彎曲等交變載荷的綜合作用下，其主要破壞形式是疲勞破環(huán)，往往造成連桿局部部位斷裂，例如連桿斷裂、連桿螺栓斷裂或松脫等，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中還要保證連桿的壽命，能夠在一定的使用壽命期間保持正常的使用。隨著汽車產(chǎn)量的不斷增加，連桿的加工工藝以及生產(chǎn)水平必須得到進(jìn)一步的提高，這樣就需要我們設(shè)計(jì)出可靠性比較強(qiáng)的連桿。 1 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的

3、設(shè)計(jì) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的一個(gè)最重要的零件，而連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一個(gè)關(guān)鍵零件，是發(fā)動(dòng)機(jī)用來傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵組件之一，它的工作環(huán)境不僅承受著高溫、高壓，還一直承受著燃料燃燒產(chǎn)生的氣體施加在連桿上的交變載荷，同時(shí)燃料燃燒產(chǎn)生沖擊力通過活塞向連桿傳遞給連桿，連桿把活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過曲軸向外輸出功率。由連桿的工作過程可以看到，連桿受力極為復(fù)雜，不僅要承受拉力、壓力、摩擦力以及慣性力等，還要承擔(dān)振動(dòng)、彎矩和 扭矩等交變載荷，所以設(shè)計(jì)一個(gè)重量輕、剛度和強(qiáng)度足夠的連桿對發(fā)動(dòng)機(jī)尤為重要。 1.1 連桿主要部位的設(shè)計(jì) 1.1.1 兩端平面的設(shè)計(jì) 連桿加工的首道工序就是加工兩端平面

4、。在大小頭孔精加工前，往往還要對此兩平面進(jìn)行精加工。連桿端面加工一般采用磨削工藝。在連桿毛坯鍛造時(shí)，對這兩端面進(jìn)行精壓，尺寸精度可達(dá)±0.15～±0.20mm。精壓的目的就是提高毛坯精度，減少余量，使其不再經(jīng)過車、銑粗加工就可直接磨削。 1.1.2 體蓋分合面及其它平面的設(shè)計(jì) 連桿除了兩端面以外的其它平面，也包括體蓋分合面及作定位用的大小頭側(cè)面，以及整體連桿毛坯的體蓋切開和切開后的半圓面，大多在連續(xù)式拉床上拉削。 1.1.3 螺栓孔的設(shè)計(jì) 連桿螺栓孔一般分為定位部分和緊固部分，定位部分為光孔，緊固部分為螺孔，因此，螺栓孔的尺寸和位置精度要求都比較高。作為定位的光孔，在鉆孔后還要進(jìn)行鉸孔

5、。為了提高尺寸精度，螺栓孔采用槍鉆和槍鉸加工。在大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)及近年來所建立的自動(dòng)系統(tǒng)中，組合機(jī)床自動(dòng)線用得越來越多，并且作為整個(gè)綜合加工系統(tǒng)的一部分，納入一條組合自動(dòng)線中，或成為一條長自動(dòng)線中的組合部分。采用組合機(jī)床自動(dòng)線更便于多件多面加工，有利提高生產(chǎn)率。 1.1.4 大小頭孔的設(shè)計(jì) 連桿大小頭孔是連桿的主要加工部位，精度和光潔度要求都很高。連桿大小頭孔的加工可分為三個(gè)階段：粗加工階段、半精加工階段、精加工階段。第一階段在體蓋裝配前進(jìn)行，后面兩個(gè)階段則放在體蓋裝配之后，粗加工階段一般在連桿兩端面加工后緊接著就開始。連桿小頭孔由于作為其后工序的定位基準(zhǔn)，在粗加工階段就應(yīng)加工到比較精確的

6、尺寸，而大頭孔則不必加工得很精密。粗加工階段的連桿大頭孔，大多是在體蓋切開后采用連續(xù)式拉削工藝對體蓋上半圓孔進(jìn)行拉削。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，采用拉削后的半圓孔精度也較高，還可以與結(jié)合等其它表面組合在一臺機(jī)床上同時(shí)進(jìn)行加工。故這種工藝廣泛為各廠采用。 小頭孔在體蓋裝配前一般都經(jīng)鉆、擴(kuò)、鉸或鏜削和倒角等粗加工工序，使小頭孔精度滿足作定位基準(zhǔn)的要求。大小頭孔的半精及精加工在連桿螺栓孔加工和體蓋裝配以后進(jìn)行，小頭孔在體蓋裝配前就應(yīng)加工到一定的精度，可不必經(jīng)過半精加工。為給大小頭孔加工提供精確的定位基準(zhǔn)，在進(jìn)行半精加工階段之前，兩端面需經(jīng)精磨。連桿大頭孔半精鏜和孔兩端倒角往往組合在一條自動(dòng)線上完成，但也有的

7、廠采用中心帶液壓推桿或其它結(jié)構(gòu)形式的鏜桿，使刀具能向外進(jìn)給，同時(shí)對孔的兩端面倒角，使倒角與鏜孔合并在一道工序進(jìn)行。大頭孔的精鏜一般都和小頭孔的精鏜同時(shí)進(jìn)行，以保證大小頭孔的距離尺寸公差。為保證精鏜孔的尺寸穩(wěn)定，精鏜機(jī)床基本都采用刀具自動(dòng)補(bǔ)償裝置。 大小頭孔在精鏜之后，還要經(jīng)過最后的精整加工，其方法各有不同。為了進(jìn)一步提高大小頭孔的精度與光潔度，近來不少廠在大小頭孔精鏜之后均進(jìn)行珩磨。這些珩磨工序大都納入自動(dòng)線，珩磨頭上也設(shè)有自動(dòng)測量和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。盡管大小頭孔的精加工方法各有不同，是否采用最后的精整加工也各有所異，但是隨著產(chǎn)品精度要求的提高，大小頭孔都采用精整加工的廠越來越多。 1.1.5 連

8、桿體、蓋的裝配 在體蓋裝配時(shí)，要控制螺栓的壓緊力，以此來控制體蓋的變形并使連桿加工完后，經(jīng)多次拆卸，均能保持主要加工表面的精度穩(wěn)定。為此，在各裝配廠均采用定扭矩扳手。隨著加工過程自動(dòng)化程度的體蓋，體蓋裝配采用自動(dòng)、半自動(dòng)裝配機(jī)已很普遍，有的裝配機(jī)已納入自動(dòng)線。 1.1.6 稱重和去重 為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中平穩(wěn)，各缸連桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中慣性大致相同，對連桿大小頭重量及總重都有嚴(yán)格要求。一般發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大小頭重量允差為±1.5g，總重量為±3g。為此，必須逐個(gè)進(jìn)行稱重、分級，去掉多余的重量，使之達(dá)到所要求的重量公差。 連桿的稱重、去重工序，一般都安排在整個(gè)加工工序的后部，大都安排在大小頭孔最

9、后精加工之前，也有在全部加工工序都完畢以后再進(jìn)行稱重。 半自動(dòng)和全自動(dòng)稱重裝置的共同特點(diǎn)是將稱重出來的重量，變成與之成正比的電訊號，將電訊號控制在去重的銑削頭的進(jìn)給，自動(dòng)在大小端頭銑去多余的重量，使之達(dá)到所要求的總重。自動(dòng)線或單機(jī)的稱量平衡精度都很高，總重平 衡精度可達(dá)±2 g～2.5g，兩端稱量平衡精度可達(dá)±1 g～1.5g。 1.2連桿撐斷加工新工藝 連桿沖斷工藝是上世紀(jì) 80 年代從鑄鐵連桿加工中開始被采用，到了 90 年代開始在鍛造連桿加工中采用。連桿的機(jī)械加工總是朝著高效率、低成本的目標(biāo)前進(jìn)，連桿的撐斷工藝的應(yīng)用充分體現(xiàn)了這一優(yōu)勢。 1.撐斷的基本原理 用一拉刀在連桿大頭

10、孔的剖分面上加工一個(gè) V 形凹槽，也有新工藝是采用激光加工此 V 形槽，從而避免了因拉刀磨損造成的 V 形槽深淺不一的問題。 對大頭孔施加一個(gè)撐開的力，這樣在 V形凹槽處將形成應(yīng)力集中，從而將連桿體和連桿蓋撐斷，由于是在 V 形凹槽處的應(yīng)力集中，使斷裂沿著 V 形槽準(zhǔn)確斷裂，斷裂面的特性可使連桿體和連桿蓋裝配時(shí)處于最佳吻合。采用撐斷工藝加工的連桿斷開以后，結(jié)合面不再進(jìn)行任何加工，斷面雖然比較粗糙，但合上以后，連桿體和蓋會(huì)得到良好的定位，可以不必像傳統(tǒng)連桿那樣采用定位螺栓、定位銷、齒形等定位方式，會(huì)大大降低成本。 2.可以采用撐斷工藝的材料 由于采用撐斷工藝加工連桿會(huì)使零件產(chǎn)生塑性變形，所

11、以在實(shí)際加工中不能使用傳統(tǒng)的連桿毛坯材料，經(jīng)過大量的試驗(yàn)證明，只要采用適當(dāng)材料，可以使變形減少到對連桿精加工基本上沒有影響。目前采用連桿撐斷工藝的連桿毛坯材料有四種：高碳鋼、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和燒結(jié)材料。 1.3 連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 隨著連桿的設(shè)計(jì)不斷發(fā)展和進(jìn)步，短連桿已經(jīng)成為了世界上發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用的主要部件，并且成為了一種發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在在高速的內(nèi)燃機(jī)中 1 / λ(λ=R/L，R 為曲軸回轉(zhuǎn)半徑，L 為連桿中心距)值已小到 3.15。在國外的一些公司，他們對連桿的小頭設(shè)計(jì)多是采用了楔形的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在加工的過程中比較復(fù)雜，并且難度性也比較高，成本相當(dāng)昂貴，但是采用這種的結(jié)構(gòu)可以使得連桿的大

12、小頭的端面寬度達(dá)成一致，并且在采用液氮冷卻裝配小頭襯套的條件下，減少工藝?yán)щy。在這種的情況下，連桿的大頭就應(yīng)該采用平切口，并且還要照顧到曲柄銷直徑 d 2 的限制，在一般的情況下，我們認(rèn)為 d 2 / D=0.65 ～ 0.68，在西德的 Deutz和英國的 Ricardo 公司都認(rèn)為平切口與斜切口連桿分界線是 d 2 /D=0.65 ～ 0.67，大于上限值的連桿就必須選用斜切口型式。連桿小頭結(jié)構(gòu)方面國外一些公司采用楔形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然加工工藝復(fù)雜、難度大、制造成本高，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可使大、小頭的端面寬度相同，且可采用液氮冷卻裝配小頭襯套，因而減少工藝?yán)щy。 除此之外，我們以往所采用的連桿

13、的截面都是工字型，但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷加大，對于連桿的強(qiáng)度、剛度提出了更高的要求，所以經(jīng)過探索分析我們采用了大圓弧截面，使桿身在質(zhì)量盡可能小的前提有足夠的強(qiáng)度、剛度，逐漸采用大圓弧截面。 這種截面可改善鍛造工藝性能，減少錘鍛力和模具的磨損，而且減少應(yīng)力集中，從而起到了提高疲勞強(qiáng)度的目的。 在設(shè)計(jì)連桿的過程中不僅僅是要照顧到以上一個(gè)方面，對于連桿的疲勞強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還要特別的關(guān)注。連桿在設(shè)計(jì)時(shí)必須首先保證有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 若疲勞強(qiáng)度不足，往往會(huì)造成連桿桿身或連桿螺栓斷裂，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成重大的整機(jī)破壞事故的產(chǎn)生。 若剛度不足，這樣一來就會(huì)導(dǎo)致活塞、氣缸、軸承及曲柄銷的偏磨，加大

14、了連桿螺栓的附加彎矩。 另一方面，連桿是運(yùn)動(dòng)件，必須盡可能地減小它的重量。 因此，連桿設(shè)計(jì)必須從選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝等方面來綜合考慮，采取措施。因此，在進(jìn)行連桿的設(shè)計(jì)過策劃那個(gè)中一定要注重對于連桿的強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)，不然將會(huì)帶來不可預(yù)料的后果。另一方面，由于連桿式一個(gè)高度運(yùn)動(dòng)的物體，對于它的設(shè)計(jì)必須要注重它的整體質(zhì)量的大小，因此對于連桿材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝等方面是非常重要的，必要要綜合性地去考慮，最終制定相應(yīng)的措施。對于連桿的設(shè)計(jì)，不僅僅是要涉及到連桿的整體尺寸，還要對連桿的小頭、連桿桿身、連桿大頭、連桿螺栓等各組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以滿足要求。比如，連桿的小頭不僅要滿足具有足

15、夠厚的壁厚以外，還要使得連桿小頭到桿身具備過渡的圓滑性，盡量地減少這里所產(chǎn)生的應(yīng)力集中；對于大頭的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該特別注意降低應(yīng)力集中；整個(gè)螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了盡可能低降低應(yīng)力集中意外，還應(yīng)該在裝配的過程中嚴(yán)格地按照規(guī)定的力矩?cái)Q緊。 1.4 連桿的選材 通過近幾年對于連桿材料的研究和探索，裂解連桿體和連桿蓋分界面技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的使用，這種技術(shù)可以較大幅度地較少機(jī)械加工的工序，并且在此基礎(chǔ)上開發(fā)出來了高強(qiáng)度低韌性的高碳鋼非調(diào)質(zhì)鋼和粉末冶金鍛件，以滿足工藝的需要。對于連桿的材料選擇可提供以下幾種材料：一是非調(diào)質(zhì)鋼，這種材料是在中碳鋼的基礎(chǔ)上添加礬、 鈦、鈮等微合金元素，并且在對軋制或鍛造過程控制

16、冷卻速度，使得基本組織中的碳和氮的化合物能夠散發(fā)出來，最終達(dá)到了強(qiáng)化的目的；二是粉末冶金連桿，這種的連桿制造工藝集中了材料的生產(chǎn)、零件的加工以及制造為一體的制造技術(shù)，從而具備了較強(qiáng)生命力的特點(diǎn)；三是鈦合金連桿，由于金屬鈦的密度比較小，在采用該金屬材料的時(shí)候可以進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的重量。 2 我國現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿設(shè)計(jì)今后的發(fā)展方向 隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了更新更高的要求，連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，對連桿的要求是高強(qiáng)度、輕量化、低成本。尤其隨著連桿裂解加工技術(shù)的發(fā)展，對連桿材料提出了更高的要求。 從我國各大汽車集團(tuán)的主機(jī)廠現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)鍛鋼連桿技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國家進(jìn)行

17、比較的話，差距并不是很大。在很多方面，與西方發(fā)達(dá)國家的水平差不多。配件廠在近些年的技術(shù)雖然有所提高，但是還存在著不少的問題，鍛件成形及控冷技術(shù)落后，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。 從連桿輕量化這個(gè)角度進(jìn)行分析的話，我國與西方發(fā)達(dá)國家進(jìn)行比較的話還是顯得比較落后，對于鈦合金連桿，纖維強(qiáng)化鋁合金連桿、粉末冶金鍛造連桿的研究還沒有進(jìn)行，這將是今后發(fā)展的方向。 3小結(jié) 本文主要是對發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的基本結(jié)構(gòu)以及對于連桿制造過程中的材料選擇進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，但是從目前來看發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的制造成本與技術(shù)之間仍然存在著比較大的矛盾，因此，對于連桿的設(shè)計(jì)和材料的選擇依然存在著相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α? 參考文獻(xiàn) [1]

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