劉倩倩 程鑫杰

摘 要：對汽車特別是賽車而言，汽車連桿作為發(fā)動機的重要零部件之一，對其動力性和可靠性有著至關(guān)重要的作用。本文從連桿的零件結(jié)構(gòu)、工藝性、材料、制造工藝及應(yīng)用出發(fā)，分析了國內(nèi)外發(fā)動機連桿制造的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 發(fā)動機連桿;工藝性;材料;制造;

據(jù)不完全統(tǒng)計，全球汽車保有量或達8億，其中中國坐擁汽車市場最大占有量。汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對汽車發(fā)動機設(shè)計水平、能耗、安全環(huán)保等提出更高的要求和挑戰(zhàn)

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外賽車工業(yè)方興未艾，特別是FSAE大學(xué)生方程式賽車運動，對汽車發(fā)動機的設(shè)計水平提出了更高的挑戰(zhàn)。汽車連桿特別是賽車發(fā)動機連桿，其復(fù)雜的工作環(huán)境加上超常的連續(xù)工作時長，使其持續(xù)承受變化載荷和慣性力而發(fā)生一定程度的變形，發(fā)動機工作性能必然受其影響，整車的安全性能從而難以保證。所以，連桿的材料選擇和制造工藝過程格外重要，對其生產(chǎn)制造技術(shù)裝備提出更高的要求。

一、連桿零件分析

汽車發(fā)動機中，活塞與曲軸通過連桿連接，其中，活塞經(jīng)由連桿小頭與活塞銷連接;而曲軸連桿頸一般與大頭連接。發(fā)動機工作原理如下：發(fā)動機氣體膨脹做功推動活塞，頂面的壓力通過連桿傳給曲軸，同時活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動;曲柄驅(qū)動連桿，帶動活塞壓縮氣缸中的氣體循環(huán)工作。其復(fù)雜的工作環(huán)境加上連續(xù)的工作時長，使其持續(xù)承受變化的載荷和慣性力而發(fā)生一定程度的變形。

綜上可見，對汽車連桿提出如下要求：高精度、高強度、高疲勞強度、輕量化等。此外，順應(yīng)綠色出行保護環(huán)境的時代需求，對連桿制造的節(jié)能環(huán)保提出更高要求。

1.1? 零件結(jié)構(gòu)、作用及工作狀況分析

由圖1.1得知，連桿主要由：連桿體、連桿蓋、定位套筒、螺栓等組成;因其其結(jié)構(gòu)特點和功能要求，連桿需要很高的結(jié)構(gòu)剛性及加工精度。因此，活塞采用活塞銷與小頭孔連接，曲軸連桿軸頸與安裝軸瓦的大頭孔進行裝配的方案。桿身為工字截面且大頭到小頭的截面逐漸變小，以更好實現(xiàn)在保證足夠強度和剛度情況下的輕量化制造。

連桿體和連桿蓋的接合面與桿身軸線的平面相互垂直。在小頭孔內(nèi)壓入錫青銅襯套，以減少小頭孔和活塞的磨損，方便日常維護;在大頭孔內(nèi)裝入軸瓦，以保證其和曲軸連桿軸頸間的相互運動達標。

1.2? 零件加工工藝分析

連桿零件工藝成熟，但賽車連桿外形相對復(fù)雜，而且定位不以保證精度，要求加工所有表面。 其體現(xiàn)在：細長的桿身兩端分別連接大、小頭孔，剛性不足且易變形;殘余內(nèi)應(yīng)力的存在;且對整體模鍛的毛胚而言，加工中需將體和蓋切開后再裝配，加工過程較為復(fù)雜。因此，不可忽視內(nèi)應(yīng)力重新分布而產(chǎn)生的變形。

連桿加工工藝設(shè)計所采取的措施及主要問題如下所示：

（1）連桿加工精度受到諸多因素影響，其中在外力作用下產(chǎn)生的變形為主要考慮因素。因此，夾緊力方向和大小的精準度至關(guān)重要，作用點選定基本原則如下：垂直于連桿大、小頭端面，而避免作用于桿身;特殊要求下，選用桿身剛性好的方向且采用雙向浮動加緊的方式;若選用軸線方向施加力，應(yīng)保證連桿端面不脫離定位元件且力度適當。

（2）鑒于連桿工作環(huán)境的特殊性，其毛胚優(yōu)先采用鍛件，且受力方向應(yīng)應(yīng)與纖維組織方向保持一致。因此在工藝要求上，需根據(jù)粗、精加工分開原則進行加工，將切除大部余量作為主要任務(wù)，且后續(xù)加工的基準由此來提供。

二、國內(nèi)外汽車連桿制造技術(shù)現(xiàn)狀

迎合節(jié)能環(huán)保、綠色出行新趨向，發(fā)動機連桿用材料的選擇日益趨于高強度、輕量化、低成本，除了輕量化技術(shù)與國外相差較大外，其他技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)外勢均力敵。而國外賽車制造技術(shù)的發(fā)展卻超前國內(nèi)很多年，尤其是在賽車制造新材料開發(fā)和應(yīng)用方面。

2.1合金鋼和碳素鋼

合金鋼和碳素鋼可使零件的疲勞強度得到保證，因此早年的連桿通常采用此材料。合金鋼和碳素鋼連桿的調(diào)質(zhì)硬度，分別可達300HBS和229～269HBS，而兩者的抗拉強度分別可達900MPa和800MPa，從而滿足連桿的強度和塑性要求。發(fā)動機功率大時多采用合金鋼，而中小功率時多采用碳素鋼，其中，中碳鋼多用于柴油機、中小型汽油機連桿的制造，鎳合金鋼等中碳合金鋼則常見于帶增壓中冷強化功能的柴油機連桿制造中。

此類鋼材韌性較強且容易保證質(zhì)量，當前在國內(nèi)此類鋼材還有繼續(xù)沿用，但其毛坯制造和熱處理過程中消耗大量能源，且不利于環(huán)境保護。因此， 隨著新材料不斷涌現(xiàn)，其終將被全面取代。

2.2 非調(diào)質(zhì)鋼

非調(diào)質(zhì)鋼材料連桿的疲勞壽命很高，且發(fā)動機輸出功率和爆發(fā)壓力高。為了實現(xiàn)高強韌性匹配度，可采用氧化物冶金技術(shù)、微合金化（在中碳鋼的基礎(chǔ)上加入釩、鈦等微量合金元素）、晶粒細化等，零件制造能耗由于采用以上技術(shù)而降低3～4成，而成本由于無調(diào)制過程也有所降低;此外，還可以是矯直工序得到簡化。此類鋼材是節(jié)能型中價位較低的一種，國外使用非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車連桿的技術(shù)遠超國內(nèi)。

自1960s起，美國開發(fā)一種新技術(shù)：將材料鍛造后（無調(diào)質(zhì)處理）直接用于制造發(fā)動機連桿材料-在SDE2140中加入一定量微合金元素并提高其錳元素含量。如美國福特采用非調(diào)質(zhì)鋼制造連桿、曲軸等汽車零件。另外，美國自主研發(fā)的第二代材料具有獨特優(yōu)點，由查帕爾公司提出將材料的組織進行擴展，研發(fā)出低碳馬氏體組織的第三代非調(diào)質(zhì)鋼。

1970s初，當時石油危機波幾乎危及整個工業(yè)化國家，鑒于危及危害性非調(diào)質(zhì)鋼的研制工作在各國陸續(xù)開展起來，并快速發(fā)展以逐步替代傳統(tǒng)材料，例如：低合金鋼和碳素鋼。

1980s初，德國開發(fā)了以49MnVS3為代表的非調(diào)質(zhì)鋼，供汽車工業(yè)制造發(fā)動機連桿用，且鍛造曲軸制造領(lǐng)域至今仍在沿用。另外，27MnSiVS6型號非調(diào)質(zhì)鋼在德國大眾汽車企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，年產(chǎn)量一時達250萬件。

1984年起，日本四分之三的汽車發(fā)動機連桿制造采用非調(diào)質(zhì)鋼，且僅在2004年間用量已達204萬噸，占特種鋼總用量的六成。此外，瑞典和意大利對其研究與應(yīng)用均較為超前，其中瑞典Volvo公司將該材料用于汽車零件制造，年耗材達25000T。

國內(nèi)1980s起研究非調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)過研究雖然取得一定進展，經(jīng)歷了一代至三代的三個發(fā)展階段，但連桿總體韌性不高，相比之下國內(nèi)整體制造技術(shù)水平有待較大提升。截止2014年，該材料在國內(nèi)汽車行業(yè)的年用量可達20～25萬T，其中低碳貝氏體型號鋼應(yīng)用最多，例如：12Mn2B鋼、12MnBS鋼和12Mn2VB;江鈴汽車和東風(fēng)汽車等汽車制造商將該材料應(yīng)用于前橋、轉(zhuǎn)向節(jié)、彎直臂等。

2.3 粉末冶金鍛造連桿

1960s開始，日本、美國和一些歐洲國家率先研發(fā)粉末燒結(jié)鍛造工藝，并開展了將加工技術(shù)、零件制造及材料生產(chǎn)高度集成化的連桿制造技術(shù)。但是，前期由于金屬粉末種類限制而發(fā)展緩慢，隨著多樣化金屬粉末的研發(fā)與發(fā)展，該工藝也逐步發(fā)展完善，并且被汽車工業(yè)發(fā)達的國家率先應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件的制造。

粉坯密度在鍛造過程中提升，淬透性的提高通過合金元素的添加而實現(xiàn)，從而使連桿的韌性和強度得到保證;且與鍛鋼連桿相比，具有顯著的經(jīng)濟效益：材料節(jié)約達40%、成本降低達10%、能源消耗節(jié)約達50%。

最早，美國通用汽車公率先開展粉末冶金制造發(fā)動機連桿零件的制造工藝和技術(shù)，日本豐田隨即將Fe-2Cu-0.55C-0.1S的合金粉末用于發(fā)動機連桿生產(chǎn)領(lǐng)域，另外，德國、英國等幾個發(fā)達國家合作研發(fā)新材料用于發(fā)動機連桿制造，例如：Fe-1.5Cr-0.5C，F(xiàn)e-（0.35～ 0.45）C-（0.3～0.4）Mn-（0.1～0.25） Cr- （0.2～0.3）Ni，等粉末冶金連桿。據(jù)2011年數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，北美汽車行業(yè)粉鍛連桿年用量超過14000T，其用量份額達整個北美連桿市場逾六成以上。

目前，德國通用、日本豐田、MAZDA、美國福特等汽車公司已實現(xiàn)商品化生產(chǎn)該類連桿，其在高速汽油機連桿生產(chǎn)中占重要份額。

國內(nèi)該項技術(shù)發(fā)展比較緩慢，主要原因是受制于一下兩方面原因：粉末材料單價較高和粉末純度較低。一汽豐越汽車公司的V6發(fā)動機連桿系列率先使用該材料進行生產(chǎn)制造，隨著科技和大數(shù)據(jù)時代計算機技術(shù)高速發(fā)展，中國必定會取得突破性發(fā)展和進步。

2.4 鈦合金連桿

鈦合金連桿新材料為迎合節(jié)能減排、綠色出行應(yīng)運而生，因為金屬鈦的密度小（4.5g/cm3，僅為鋼材的58%）、熔點高等特點，使鈦合金連桿質(zhì)量與鋼制材料相比減輕30%，因而此類材料的連桿可實現(xiàn)輕量化發(fā)展要求。此外，該類連桿可以大幅提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，進而大幅提高發(fā)動機的輸出功率;使發(fā)動機噪聲顯著降低，有利于節(jié)能環(huán)保。

但是，鈦合金表面處理困難、加工性能差等特點使其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，從而使其成本投入較大，其應(yīng)用范圍就受到一定限制，目前僅通常應(yīng)用于高性能的賽車發(fā)動機上。

鈦合金材料的汽車發(fā)動機連桿，法拉利公司3.5LV8和Acura的NSX汽車最早應(yīng)用，使其車身重量減輕15%～20%左右。

日本生產(chǎn)的發(fā)動機連桿采用Ti-3Al-2V材料，其力學(xué)性能與45鋼不相上下，屈服強度、疲勞強度和抗拉強度分別高達600MPa、430MPa和800MPa，其中疲勞強度還可趕超非調(diào)質(zhì)鋼。

三、汽車連桿制造技術(shù)發(fā)展趨勢

為迎合當前社會綠色出行、節(jié)能環(huán)保的要求，近年汽車發(fā)動連桿制造生產(chǎn)走向高效低成本、低能耗、綠色節(jié)能的大趨勢，因此金屬復(fù)合性材料必然成為汽車制造行業(yè)的新寵。在一些高性能的賽車領(lǐng)域，鑒于鈦合金連桿材料自身優(yōu)點，其應(yīng)用也會得到越來越多賽車制造商的青睞，但是由于其投入成本較高，在非賽車制造領(lǐng)，鍛鋼材料和金屬復(fù)合性材料的應(yīng)用將延續(xù)很長一段時間。

參考文獻：

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作者簡介：姓名：劉倩倩;性別：女，民族：漢，籍貫：山東省濟寧市，學(xué)歷：研究生，畢業(yè)于沈陽航空航天大學(xué);現(xiàn)有職稱：助教;研究方向：機械工程。