（上海柴油機股份有限公司，上海00438；.天潤曲軸股份有限公司，文登64400）

一種斜切口漲斷連桿在柴油機上的開發(fā)應用

肖華1，劉新彥1，勞國強1，劉楨榕1，葛全慧2
（上海柴油機股份有限公司，上海200438；2.天潤曲軸股份有限公司，文登264400）

結(jié)合某電控柴油機的齒形斜切口連桿使用情況，闡述了漲斷連桿的優(yōu)點，介紹了該柴油機的漲斷連桿在開發(fā)過程中所做的設(shè)計更改，以及疲勞試驗載荷的確定方法。柴油機臺架耐久試驗結(jié)果表明，漲斷連桿具有更好的可靠性和一致性。

柴油機 漲斷連桿 疲勞試驗

1 前言

連桿是發(fā)動機的重要零部件，在工作過程中承受著很高的交變載荷和彎曲應力，必須具有高的強度、韌性和耐疲勞性能。隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機設(shè)計趨于輕量化，強化程度越來越高，連桿制造技術(shù)和工藝也隨之發(fā)生了很大的變化。

連桿漲斷加工技術(shù)作為一項制造新工藝，于二十世紀九十年代在汽車工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展起來，并逐漸大規(guī)模應用于生產(chǎn)。近些年，國內(nèi)一些汽車和零部件生產(chǎn)企業(yè)也相繼采用了連桿漲斷工藝，為漲斷連桿在國內(nèi)發(fā)動機上的批量應用創(chuàng)造了條件[1～2]。

本文以某電控柴油機的斜切口連桿為例，簡要介紹漲斷連桿開發(fā)的基本流程與方法。

2 連桿漲斷工藝與開發(fā)

斜切口連桿工作時在切口方向會受斜切口連桿工作時在切口方向會受到很大的切向分力，因此在切口方向必須有定位裝置，以避免連桿螺栓因過大的剪切應力而斷裂。斜切口連桿的傳統(tǒng)定位方法有止口定位、套筒定位和齒形定位等，其中以齒形定位應用最為廣泛。但齒形定位對節(jié)距公差要求較嚴，否則裝配后有幾個齒不能接觸，會降低大頭的剛度，大頭孔也會失圓。

目前，上柴公司某電控柴油機采用的斜切口連桿正是齒形定位，對連桿體和連桿蓋的分離面分別進行拉削，完成齒形定位面的加工。表1為該柴油機的主要參數(shù)。

圖1所示為該柴油機齒形連桿的結(jié)構(gòu)。該齒形斜切口連桿在生產(chǎn)和使用過程中主要存在兩個問題，一是齒形加工公差難以得到有效控制，不利于連桿體和連桿蓋的匹配定位；二是個別定位面比較單薄，容易出現(xiàn)“翻邊”現(xiàn)象，導致在裝配過程中連桿螺栓“假擰緊”，有可能在發(fā)動機運行過程中因螺栓飛脫而引起安全事故，故在生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)需特別小心。

表1 柴油機主要參數(shù)

圖1 齒形連桿結(jié)構(gòu)

如果使用漲斷連桿，則可以有效避免上述缺點。漲斷工藝一般是先在連桿大頭孔斷裂線上預加工兩條裂解槽，形成初始斷裂源，然后在裂解專用設(shè)備上對大頭內(nèi)孔側(cè)面施加徑向力，使連桿體和蓋裂解分離，最后將連桿體和蓋精確復位，完成螺栓擰緊和后續(xù)其他加工工序。由于連桿體、蓋具有完全嚙合的交錯結(jié)構(gòu)，減少了連桿總成的大頭孔變形，使連桿的承載能力、抗剪能力都得到提升；對于加工線來說，由于省去了大量的剖分面加工工作，所以有效提升了生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本也得以降低。

綜合多方面的考慮，上柴公司于2008年開始嘗試在該柴油機上使用漲斷連桿取代齒形連桿。連桿材料采用國內(nèi)大量使用的C70S6高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼，使用激光刻痕產(chǎn)生預裂解槽，利用楔形塊推動大頭孔內(nèi)的動套實現(xiàn)連桿裂解。

連桿的主要結(jié)構(gòu)和配合尺寸不做大的改動，重量分組方式也不改變，僅對連桿襯套和螺栓進行一點更改。齒形連桿使用的襯套為矩形襯套，襯套采用液氮冷卻后壓裝到連桿小頭中，然后與連桿小頭一起完成小頭端面的加工；而漲斷連桿襯套壓裝好后不再另外單獨加工端面，故將原來的矩形襯套改為楔形襯套。

根據(jù)連桿螺栓軸向力測試結(jié)果，開始認為現(xiàn)有的連桿螺栓和擰緊方法均可以滿足使用要求。但后來在首批樣件試制過程中，連桿螺栓因受力過大而出現(xiàn)“滑絲”現(xiàn)象，故將連桿螺栓桿身加長2 mm（連桿體與螺栓的螺紋配合仍保留有安全間隙），螺紋段也相應增加2 mm，這樣增加了螺紋受力面積，改善了螺栓的受力狀況。更改后，在連桿生產(chǎn)和試驗中均未出現(xiàn)“滑絲”或螺栓異常伸長現(xiàn)象。圖2為漲斷連桿試制樣件。

圖2 漲斷連桿試制樣件

3 疲勞試驗

3.1 疲勞試驗方法

連桿需在指定載荷條件下，完成一定數(shù)量的拉壓循環(huán)，試驗結(jié)束后不得出現(xiàn)明顯開裂或變形。試驗采用伺服液壓控制系統(tǒng)，加載設(shè)備提供按正弦變化的疲勞載荷，并附帶有利用位移反饋限值控制設(shè)備指示部件是否失效的裝置。另外，設(shè)備應能自動計數(shù)，當連桿失效或者循環(huán)次數(shù)超過預先設(shè)定值時，試驗設(shè)備能自動關(guān)閉。本試驗指定循環(huán)次數(shù)為107。圖3為試驗裝置及控制界面。

圖3 疲勞試驗裝置

3.2 試驗載荷

實際疲勞載荷是根據(jù)發(fā)動機動力總成部件承受的壓力和拉力來確定的，假定拉伸載荷為正值，壓縮載荷為負值。

3.2.1 最大拉伸載荷

作用在曲柄連桿機構(gòu)上的拉伸載荷主要表現(xiàn)為曲柄連桿機構(gòu)的慣性力，包括往復慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力，當活塞在進氣沖程上止點時，連桿受到的拉伸載荷最大。此時慣性力為：

式中，

m'——活塞組質(zhì)量；

m1——連桿小頭質(zhì)量；m2——連桿大頭質(zhì)量；

m3——連桿大頭蓋質(zhì)量；R——曲柄半徑；

ω——曲軸旋轉(zhuǎn)角速度；

λ——連桿比。

發(fā)動機的標定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，此處按50%超速計算最大慣性力，則轉(zhuǎn)速為3 300 r/min。該曲柄連桿機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如表2。

由此可算得連桿所受的最大拉伸載荷為Pi=52.3 kN

3.2.2 最大壓縮載荷

活塞處于做功沖程的上止點時，連桿受到的壓縮載荷最大。此時連桿受到氣體力和曲柄連桿機構(gòu)的慣性力作用，二者方向相反。

氣體力為：

表2 曲柄連桿機構(gòu)參數(shù)

式中，

D——缸徑；

pp——最大爆發(fā)壓力。

結(jié)合表1的參數(shù)信息，可得Pg=-183.7 kN。如不考慮慣性力的作用，則連桿的最大壓縮載荷即為183.7 kN。事實上，連桿承受的壓縮載荷應該比該值小。此處直接取最大壓縮載荷Pc=-183.7 kN。

3.2.3 疲勞試驗載荷

疲勞試驗載荷不得低于連桿實際承受的載荷，在此前提下，保持平均載荷不變，進一步加大試驗振幅，直至確認連桿足夠安全。

平均載荷取Pi與Pc的均值，即-65.7 kN，圓整為-70 kN。

據(jù)此，結(jié)合經(jīng)驗取一定的安全系數(shù)，可確定首次試驗載荷為-70±185 kN；如通過，則增加振幅到190 kN，再次進行疲勞試驗。

3.3 疲勞試驗結(jié)果

從首批樣件中挑選三支連桿進行疲勞試驗，試驗參數(shù)如表3所示。

表3 疲勞試驗參數(shù)

振幅為185 kN和190 kN，連桿經(jīng)過107次循環(huán)后均無明顯失效，故認為連桿順利通過疲勞試驗，可進行發(fā)動機裝機考核。

4 整機耐久考核

將漲斷連桿安裝到該柴油機上，在發(fā)動機臺架上進行700 h熱沖擊耐久試驗和2 000 h全速全負荷耐久試驗。試驗完成后進行拆檢，六支連桿的狀況良好，連桿大小頭孔的軸瓦、襯套表面光滑，未出現(xiàn)異常磨損，如圖4所示。

此外，還對耐久考核后的連桿大、小頭孔直徑進行了復測，測量結(jié)果表明，連桿經(jīng)過耐久考核后大、小頭孔直徑變化不大，且絕大多數(shù)仍在技術(shù)要求范圍內(nèi)，遠優(yōu)于齒形連桿，表現(xiàn)出良好的可靠性和一致性。

目前，該連桿已順利通過評審，即將小批量投放市場。

5 結(jié)束語

本文以某電控四氣門柴油機斜切口連桿為研究對象，介紹了連桿漲斷工藝的優(yōu)勢，以及將漲斷連桿運用于該發(fā)動機上所開展的設(shè)計和驗證工作，為今后類似產(chǎn)品的開發(fā)提供了參考。

1鄧偉輝，張永俊.連桿漲斷加工技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機電工程技術(shù)，2008(4).

2楊連生.內(nèi)燃機設(shè)計[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981.

Application of Fractured Inclined-Cut Con-Rod in Diesel Engine

Xiao Hua1,Liu Xinyan1,Lao Guoqiang1,Liu Zhenrong1,Ge Quanhui2
（1.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China; 2.Tianrun Crankshaft Co.,Ltd.,Wendeg 264400,China）

The advantage of fractured con-rod for an electronically controlled diesel engine is explained with such con-rod application.Design modifications of such con-rod during development process and the method to determine fatigue test load is introduced.Fractured con-rod proves better reliability and consistency according to bench durability test result.

diesel engine,fractured con-rod,fatigue test

圖4 耐久考核后的漲斷連桿

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.005

來稿日期：2010-05-31

肖華（1981-），女，碩士研究生，主要研究方向為柴油機結(jié)構(gòu)設(shè)計。