淺談汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉倩倩 程鑫杰

摘 要：對(duì)汽車特別是賽車而言，汽車連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一，對(duì)其動(dòng)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(dòng)機(jī)連桿制造的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿;工藝性;材料;制造;

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球汽車保有量或達(dá)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(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平提出了更高的挑戰(zhàn)。汽車連桿特別是賽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，其復(fù)雜的工作環(huán)境加上超常的連續(xù)工作時(shí)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(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作原理如下：發(fā)動(dòng)機(jī)氣體膨脹做功推動(dòng)活塞，頂面的壓力通過連桿傳給曲軸，同時(shí)活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);曲柄驅(qū)動(dòng)連桿，帶動(dòng)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(shí)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(duì)汽車連桿提出如下要求：高精度、高強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、輕量化等。此外，順應(yīng)綠色出行保護(hù)環(huán)境的時(shí)代需求，對(duì)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(diǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)在保證足夠強(qiáng)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(hù);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(yùn)動(dòng)達(dá)標(biāo)。

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(duì)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(xì)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(duì)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(jì)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(zhǔn)度至關(guān)重要，作用點(diǎn)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(dòng)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(dāng)。

（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(jìn)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(zhǔn)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(dòng)機(jī)連桿用材料的選擇日益趨于高強(qiáng)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(qiáng)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(dá)300HBS和229～269HBS，而兩者的抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)900MPa和800MPa，從而滿足連桿的強(qiáng)度和塑性要求。發(fā)動(dòng)機(jī)功率大時(shí)多采用合金鋼，而中小功率時(shí)多采用碳素鋼，其中，中碳鋼多用于柴油機(jī)、中小型汽油機(jī)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(qiáng)化功能的柴油機(jī)連桿制造中。

此類鋼材韌性較強(qiáng)且容易保證質(zhì)量，當(dāng)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(hù)。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(dòng)機(jī)輸出功率和爆發(fā)壓力高。為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)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(xì)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(jià)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(yuǎn)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(dòng)機(jī)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)，由查帕爾公司提出將材料的組織進(jìn)行擴(kuò)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(dāng)時(shí)石油危機(jī)波幾乎危及整個(gè)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(dòng)機(jī)連桿用，且鍛造曲軸制造領(lǐng)域至今仍在沿用。另外，27MnSiVS6型號(hào)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(shí)達(dá)250萬件。

1984年起，日本四分之三的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造采用非調(diào)質(zhì)鋼，且僅在2004年間用量已達(dá)204萬噸，占特種鋼總用量的六成。此外，瑞典和意大利對(duì)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(dá)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(jìn)展，經(jīng)歷了一代至三代的三個(gè)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(dá)20～25萬T，其中低碳貝氏體型號(hào)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(dá)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(shí)現(xiàn)，從而使連桿的韌性和強(qiáng)度得到保證;且與鍛鋼連桿相比，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益：材料節(jié)約達(dá)40%、成本降低達(dá)10%、能源消耗節(jié)約達(dá)50%。

最早，美國通用汽車公率先開展粉末冶金制造發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)連桿生產(chǎn)領(lǐng)域，另外，德國、英國等幾個(gè)發(fā)達(dá)國家合作研發(fā)新材料用于發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(dá)整個(gè)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(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)該類連桿，其在高速汽油機(jī)連桿生產(chǎn)中占重要份額。

國內(nèi)該項(xiàng)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(jià)較高和粉末純度較低。一汽豐越汽車公司的V6發(fā)動(dòng)機(jī)連桿系列率先使用該材料進(jìn)行生產(chǎn)制造，隨著科技和大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，中國必定會(huì)取得突破性發(fā)展和進(jìn)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(yùn)而生，因?yàn)榻饘兮伒拿芏刃。?.5g/cm3，僅為鋼材的58%）、熔點(diǎn)高等特點(diǎn)，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(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率;使發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)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(dòng)機(jī)上。

鈦合金材料的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別高達(dá)600MPa、430MPa和800MPa，其中疲勞強(qiáng)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(dāng)前社會(huì)綠色出行、節(jié)能環(huán)保的要求，近年汽車發(fā)動(dòng)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(diǎn)，其應(yīng)用也會(huì)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(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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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(jì)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(jī)械工程。