7700汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿設(shè)計(jì)論文

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(duì)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(duì)這一問題，根據(jù)連桿的實(shí)際工作狀況，對(duì)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

目錄

摘要

1

1發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的設(shè)計(jì)

4

1.1連桿主要部位的設(shè)計(jì)

4

1.1.1兩端平面的設(shè)計(jì)

4

1.1.2體蓋分合面及其它平面的設(shè)計(jì)

5

1.1.3螺栓孔的設(shè)計(jì)

5

1.1.4大小頭孔的設(shè)計(jì)

5

1.1.5連桿體、蓋的裝配

6

1.1.6稱重和去重

6

6

1.3連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

7

1.4連桿的選材

8

2我國(guó)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

8

3小結(jié)

9

參考文獻(xiàn)

9

致謝

11

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人民生活水平的逐漸提高，汽車已經(jīng)逐漸成為了當(dāng)今時(shí)代人們的代步工具，因此汽車的產(chǎn)量以及用戶量得到了進(jìn)一步的提升。作為汽車的主要組成部分汽車發(fā)動(dòng)機(jī)成為了各大汽車生產(chǎn)企業(yè)的主要研發(fā)對(duì)象。

汽車作為最重要的現(xiàn)代化交通工具。目前，全世界汽車保有量有7億輛，按全世界人口平均約9人就有1輛。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)水平要提高。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力來源，汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和排氣凈化性等性能指標(biāo)都直接與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。連桿是連接活塞與曲軸并傳遞動(dòng)力的一個(gè)重要部件，其作用是在工作時(shí)把活塞的直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度不斷變化，即在上下止點(diǎn)處速度最小、在中間附近速度最大，因而使活塞組件及隨活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的連桿小頭產(chǎn)生往復(fù)慣性力;連桿在工作時(shí)，要承受拉壓及慣性力等各種載荷，其受力較為復(fù)雜．為了限制連桿運(yùn)動(dòng)慣性力，提高連桿運(yùn)動(dòng)性能，需要將連桿的質(zhì)量盡量降低，同時(shí)還必須滿足剛度和強(qiáng)度的要求，防止連桿在工作中斷裂失效。因此，一個(gè)重量輕且具有足夠強(qiáng)度的連桿在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中備受重視。這也對(duì)其剛度和強(qiáng)度提出了很高的要求。

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(duì)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?cè)O(shè)計(jì)出可靠性比較強(qiáng)的連桿。

1發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的設(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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尤為重要。

1.1連桿主要部位的設(shè)計(jì)

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。在大小頭孔精加工前，往往還要對(duì)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(duì)這兩端面進(jìn)行精壓，尺寸精度可達(dá)±0.15～±。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。

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。

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。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(zhǎng)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。

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(duì)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(tái)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(duì)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?gòu)S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(cè)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。

連桿體、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。

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(duì)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±，總重量為±3g。為此，必須逐個(gè)進(jìn)行稱重、分級(jí)，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(hào)，將電訊號(hào)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)±2g～，兩端稱量平衡精度可達(dá)±1g～。

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(shì)。

用一拉刀在連桿大頭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(duì)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。

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(duì)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(shì)。現(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(guó)外的一些公司，他們對(duì)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d2的限制，在一般的情況下，我們認(rèn)為d2/D=0.65～0.68，在西德的Deutz和英國(guó)的Ricardo公司都認(rèn)為平切口與斜切口連桿分界線是d2/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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)連桿材料提出了更高的要求。

從我國(guó)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(guó)家進(jìn)行比較的話，差距并不是很大。在很多方面，與西方發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行比較的話還是顯得比較落后，對(duì)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的基本結(jié)構(gòu)以及對(duì)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(duì)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?/p>

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