汽車發(fā)動機連桿設計

1、摘 要連桿是發(fā)動機的重要組成部分，它的設計性能直接影響著發(fā)動機的壽命 傳統(tǒng)經(jīng)驗設計的連桿，因其質(zhì)量較大，易引起連桿壓彎變形等情況，從而導致失效。隨著汽車需求量的不斷提高，對于發(fā)動機連桿的設計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)連桿的實際工作狀況，對發(fā)動機連桿的設計展開了研究。關鍵詞：發(fā)動機連桿；工字形；加工由于連桿是在發(fā)動機中用來傳遞氣缸爆發(fā)壓力的，是汽車發(fā)動機的重要組成部分，所以對于兩岸的研究和設計是非常重要的。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力而起還承受著慣性力和彎曲力。其實連桿的運作機理是這樣子的：連桿小頭中心作往復運動，連桿大頭中心作旋轉運動

2、，連桿身作往復運動與旋轉運動所組成的復合運動。如此法則的運動就要求連桿既要有比較高的強度還要有較強的韌性和疲勞性能。由于連桿式發(fā)動機的最為重要的不見，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，所以在進行設計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)水平必須得到進一步的提高，這樣就需要我們設計出可靠性比較強的連桿。1 發(fā)動機連桿的設計汽車發(fā)動機是汽車的一個最重要的零件，而連桿是發(fā)動機內(nèi)部的一個關鍵零件，是發(fā)動機用來傳遞動力的關鍵組件之一，

3、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運動轉化成曲軸的旋轉運動，通過曲軸向外輸出功率。由連桿的工作過程可以看到，連桿受力極為復雜，不僅要承受拉力、壓力、摩擦力以及慣性力等，還要承擔振動、彎矩和扭矩等交變載荷，所以設計一個重量輕、剛度和強度足夠的連桿對發(fā)動機尤為重要。1.1 連桿主要部位的設計1.1.1 兩端平面的設計連桿加工的首道工序就是加工兩端平面。在大小頭孔精加工前，往往還要對此兩平面進行精加工。連桿端面加工一般采用磨削工藝。在連桿毛坯鍛造時，對這兩端面進行精壓，尺寸精度可

4、達0.150.20mm。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計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 螺栓孔的設計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，在鉆孔后還要進行鉸孔。為了提高尺寸精度，螺栓孔采用槍鉆和槍鉸加工。在大規(guī)模自動化生產(chǎn)及近年來所建立的自動系統(tǒng)中，組合機床自動線用得越來越多，并且作為整個綜合加工系統(tǒng)的一部分

5、，納入一條組合自動線中，或成為一條長自動線中的組合部分。采用組合機床自動線更便于多件多面加工，有利提高生產(chǎn)率。1.1.4 大小頭孔的設計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行，后面兩個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，在粗加工階段就應加工到比較精確的尺寸，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行拉削。優(yōu)點是生產(chǎn)率高，采用拉削后的半圓孔精度也較

6、高，還可以與結合等其它表面組合在一臺機床上同時進行加工。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、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行，小頭孔在體蓋裝配前就應加工到一定的精度，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，在進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線上完成，但也有的廠采用中心帶液壓推桿或其它結構形式的鏜桿，使刀具能向外進給，同時對孔的兩端面倒角，使倒角與鏜孔合并在一道工序進行。大頭孔的精鏜一般都和小頭孔的精鏜同時進行，以保證大

7、小頭孔的距離尺寸公差。為保證精鏜孔的尺寸穩(wěn)定，精鏜機床基本都采用刀具自動補償裝置。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行珩磨。這些珩磨工序大都納入自動線，珩磨頭上也設有自動測量和補償機構。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 連桿體、蓋的裝配在體蓋裝配時，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

8、過程自動化程度的體蓋，體蓋裝配采用自動、半自動裝配機已很普遍，有的裝配機已納入自動線。1.1.6 稱重和去重為了使發(fā)動機在工作過程中平穩(wěn)，各缸連桿在往復運動中慣性大致相同，對連桿大小頭重量及總重都有嚴格要求。一般發(fā)動機連桿大小頭重量允差為1.5g，總重量為3g。為此，必須逐個進行稱重、分級，去掉多余的重量，使之達到所要求的重量公差。連桿的稱重、去重工序，一般都安排在整個加工工序的后部，大都安排在大小頭孔最后精加工之前，也有在全部加工工序都完畢以后再進行稱重。半自動和全自動稱重裝置的共同特點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給，自動在大小端頭銑去多余的重量

9、，使之達到所要求的總重。自動線或單機的稱量平衡精度都很高，總重平衡精度可達2 g2.5g，兩端稱量平衡精度可達1 g1.5g。1.2連桿撐斷加工新工藝連桿沖斷工藝是上世紀 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。連桿的機械加工總是朝著高效率、低成本的目標前進，連桿的撐斷工藝的應用充分體現(xiàn)了這一優(yōu)勢。1.撐斷的基本原理用一拉刀在連桿大頭孔的剖分面上加工一個 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。對大頭孔施加一個撐開的力，這樣在 V形凹槽處將形成應力集中，從而將連桿體和連桿蓋撐斷，由于是在 V

10、形凹槽處的應力集中，使斷裂沿著 V 形槽準確斷裂，斷裂面的特性可使連桿體和連桿蓋裝配時處于最佳吻合。采用撐斷工藝加工的連桿斷開以后，結合面不再進行任何加工，斷面雖然比較粗糙，但合上以后，連桿體和蓋會得到良好的定位，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使零件產(chǎn)生塑性變形，所以在實際加工中不能使用傳統(tǒng)的連桿毛坯材料，經(jīng)過大量的試驗證明，只要采用適當材料，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、球墨鑄鐵和燒結材料。1.3 連桿的結構設計隨著連桿的

11、設計不斷發(fā)展和進步，短連桿已經(jīng)成為了世界上發(fā)動機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)燃機中 1 / (=R/L，R 為曲軸回轉半徑，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計多是采用了楔形的結構，這種結構在加工的過程中比較復雜，并且難度性也比較高，成本相當昂貴，但是采用這種的結構可以使得連桿的大小頭的端面寬度達成一致，并且在采用液氮冷卻裝配小頭襯套的條件下，減少工藝困難。在這種的情況下，連桿的大頭就應該采用平切口，并且還要照顧到曲柄銷直徑 d 2 的限制，在一般的情況下，我們認為 d 2 / D=0.65 0.68，在西德的 Deutz和

12、英國的 Ricardo 公司都認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。連桿小頭結構方面國外一些公司采用楔形結構，這種結構雖然加工工藝復雜、難度大、制造成本高，但結構設計上可使大、小頭的端面寬度相同，且可采用液氮冷卻裝配小頭襯套，因而減少工藝困難。除此之外，我們以往所采用的連桿的截面都是工字型，但是隨著發(fā)動機的轉速不斷加大，對于連桿的強度、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，而且減少應力集中

13、，從而起到了提高疲勞強度的目的。在設計連桿的過程中不僅僅是要照顧到以上一個方面，對于連桿的疲勞強度以及結構強度還要特別的關注。連桿在設計時必須首先保證有足夠的疲勞強度和結構強度。 若疲勞強度不足，往往會造成連桿桿身或連桿螺栓斷裂，嚴重時就會造成重大的整機破壞事故的產(chǎn)生。 若剛度不足，這樣一來就會導致活塞、氣缸、軸承及曲柄銷的偏磨，加大了連桿螺栓的附加彎矩。 另一方面，連桿是運動件，必須盡可能地減小它的重量。 因此，連桿設計必須從選材、結構設計及制造工藝等方面來綜合考慮，采取措施。因此，在進行連桿的設計過策劃那個中一定要注重對于連桿的強度和剛度的設計，不然將會帶來不可預料的后果。另一方面，由于連

14、桿式一個高度運動的物體，對于它的設計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、結構設計及制造工藝等方面是非常重要的，必要要綜合性地去考慮，最終制定相應的措施。對于連桿的設計，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構進行合理設計，以滿足要求。比如，連桿的小頭不僅要滿足具有足夠厚的壁厚以外，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)生的應力集中；對于大頭的設計，更應該特別注意降低應力集中；整個螺栓的結構設計除了盡可能低降低應力集中意外，還應該在裝配的過程中嚴格地按照規(guī)定的力矩擰緊。1.4 連桿的選材通過近幾年對于連桿材

15、料的研究和探索，裂解連桿體和連桿蓋分界面技術已經(jīng)得到了廣泛的使用，這種技術可以較大幅度地較少機械加工的工序，并且在此基礎上開發(fā)出來了高強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，最終達到了強化的目的；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，從而具備了較強生命力的特點；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候可以進一步降低發(fā)

16、動機連桿的重量。2 我國現(xiàn)有汽車發(fā)動機連桿設計今后的發(fā)展方向隨著汽車技術的不斷發(fā)展，對發(fā)動機的性能提出了更新更高的要求，連桿作為發(fā)動機的關鍵零件之一，對連桿的要求是高強度、輕量化、低成本。尤其隨著連桿裂解加工技術的發(fā)展，對連桿材料提出了更高的要求。從我國各大汽車集團的主機廠現(xiàn)有的發(fā)動機鍛鋼連桿技術與西方發(fā)達國家進行比較的話，差距并不是很大。在很多方面，與西方發(fā)達國家的水平差不多。配件廠在近些年的技術雖然有所提高，但是還存在著不少的問題，鍛件成形及控冷技術落后，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。從連桿輕量化這個角度進行分析的話，我國與西方發(fā)達國家進行比較的話還是顯得比較落后，對于鈦合金連桿，纖維強化鋁合金連桿、粉

17、末冶金鍛造連桿的研究還沒有進行，這將是今后發(fā)展的方向。3小結本文主要是對發(fā)動機連桿的基本結構以及對于連桿制造過程中的材料選擇進行了設計和分析，但是從目前來看發(fā)動機連桿的制造成本與技術之間仍然存在著比較大的矛盾，因此，對于連桿的設計和材料的選擇依然存在著相當大的發(fā)展?jié)摿?。參考文獻1商躍進，曹茹，賴文燁.基于CAD/CAE/CAM技術的曲柄連桿機構設計方法研究J.內(nèi)燃機車.2008(02)2寇淑清，王彥菊，楊辰光，楊慎華.連桿準靜態(tài)裂解數(shù)值模擬關鍵技術與啟裂分析J.內(nèi)燃機工程.2008(01)3葉國林，曾建謀，杜寶雷.柴油機連桿有限元分析J.內(nèi)燃機.2008(01)4王秋冰，馬鳴，盧震鳴，來建剛，

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