试论汽车发动机连杆的现状及发展趋势

谢凯

摘 要：当前，国内汽车行业取得较快的发展，汽车内部发动机连杆的刚度、强度及质量等参数对于整个汽车发动机安全可靠的运行有着直接的影响。该文基于多年的汽车发动机车间车床工作经验及个人对于汽车发动机连杆材料的研究，简要论述了汽车发动机连杆材料的现状及其发展趋势。

关键词：汽车发动机 连杆材料 现状 发展趋势

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0228-01

随着国内对于汽车的排量及相关油耗要求的不断提升，小排量、大功率、高转矩已经成为整个汽车发动机行业发展的主要趋势之一，现阶段汽车发动机内部的最高爆发压力已经达到20兆帕。由于不断增强对于汽车发动机的设计，使得人们更为关注汽车发动机连杆材料的整体质量，且国外对于发动机连杆材料的研究工作也在不断地推进。

1 国内外汽车发动机连杆的发展现状

现阶段国内外汽车发动机连杆材料主要使用的原料有三大类，分别为：调质钢、非调质钢及金属基复合型材料。

1.1 发动机调质钢连杆材料

调质钢是现阶段最为传统的发动机连杆材料，也是现阶段国内生产汽车发动机连杆主要采用的材料之一，其传统的制作工艺为：先下料，再锻造，再正火处理，再进行调制，最后进行机械加工。其主要的缺点为整个生产工艺消耗时间较长，能量消耗较高，材料整体的氧化脱碳较为严重。调质钢另一方面的工作为强化，也就是对调质钢的表面进行喷丸强化和热化学处理。例如：日本在进行发动机连杆生产过程中对整个连杆进行喷丸表面处理，在其表面上能够产生300兆帕左右的压残余应力，其整体的疲劳强度会相对于先前提升20%左右。采用调质钢的主要优势为该种类型钢材能够提供较强的韧性且质量容易得到保证。该种类型钢材国内还会沿用一定的时间，但是考虑到其生产工艺的复杂性、能耗量较大及钢材生产成本较为昂贵，该种材料会随着新型材料的不断出现，而逐步被全面取代。

1.2 发动机连杆非调质钢材料

所谓的非调质钢材料是在中碳钢的内部加入一定量的钛、钒等相关的微量合金元素，在具体的生产过程中通过实现对于锻造过程及轧制过程冷却速度的有效控制，使其在内部基体中析散出一定量的氮、碳类型的化合物，最终得到强度强化的目的。在进行非调质钢材的生产过程中，由于其主要的添加物为微量合金元素，因此其总体的生产成本较低，是一种价位较低的节能型钢材，这也是现阶段非调质性钢材逐渐取代调质型钢材的主要原因之一。

国外在进行发动机连杆的生产过程中主要采用的材料为非调质性钢材。早在20世纪60年代，美国就在SDE2140钢材的基础之上，通过提升钢材内部的锰元素的含量并加入一定量微合金元素等，经过一定的锻造之后，不用进行调制环节处理，就实现了将其直接用于发动机连杆制作过程当中。在1984年，日本内部的75%的汽车发动机连杆都采用非调质性钢制作，欧洲内部的相关国家发动机连杆在生产过程中非调质性钢的使用比例也达到50%以上。

我国与20世纪80年代开始了非调质性钢材的研究工作并取得一些关键性的进展，但是其整体的技术水平与世界汽车生产大国相比还有着较大的差距。例如：国内生产的非调质性钢材的汽车连杆其总体的韧性还不够高，在很多关键性技术方面还有待较大的提升。

1.3 金属基复合型发动机连杆材料

在进行连杆的设计过程中，如果能够降低连杆整体的重量，这就能在很大程度上降低发动机的惯性力及振动幅度。所以，现阶段人们在生产发动机连杆的过程当中开始广泛使用一些轻质的材料，来实现发动机整体质量的降低，现在较为常用的为用镁、铝等相关的轻型金属作为连杆的基体性材料，再用陶瓷纤维、不锈钢纤维或者晶须作为相关的强化型材料，将轻质金属和纤维强化材料通过相关的方式进行结合，制作成为金属基复合型材料。现阶段，国内外都已经开展了金属基复合型材料在汽车连杆生产过程中的应用工作，例如：丰田汽车发动机技术研究中心，已经研究成功不锈钢纤维强化铝合金连杆、碳化硅晶须和颗粒强化铝合金连杆和氧化铝纤维强化铝合金连杆，并已经将其实际运用到汽车连杆的生产过程当中，取得较好的效果，发动机连杆整体的重量相对于采用传统材料连杆重量降低了约30%，总体的抗疲劳及抗拉强度也有一定的提升，能够全面的满足发动机连杆相关工作性能的要求。

2 汽车发动机连杆的发展趋势

现阶段汽车发动机连杆材料主要的发展趋势为采用轻质的金属基复合型材料。金属基复合型材料在强度、质量及成本等方面相对于其他连杆材料有着较大的优势。现阶段应重点解决的为金属基复合型材料连杆装置的制造生产工艺的具体成本问题。在具体的生产过程中可以采用粉末烧结锻造制备连杆的方式进行，这在很大程度上能够降低金属基复合型材料的生产成本，与传统的生产工艺相比，粉末锻造烧结的发动机连杆，其总体材料的使用能够降低大约40%，生产总体的成本能够降低约10%，在能源消耗的方面也能够降低约50%，并且能够最大程度上实现发动机连杆的總体轻量化。优化选择合理的热压烧结参数，以上述制备出的金属复合粉末为原料，经预成型压制，在保护气氛中进行加热烧结及做锻造毛坯，然后在压力机上实现一次锻造成型。此外，在具体的生产过程当中应当根据实际的生产情况科学选用高能磨球参数，提升基体金属内部的均质性，进一步提升金属连杆的强度。

3 结语

随着我国经济的再次较快发展，国家对于节能减排工作将会提出更高的要求，这就要求相关的汽车生产单位，在进行相关材料的生产、设计及制作的过程当中，全面考虑汽车的总体性能指标。在进行汽车发动机连杆的生产过程当中，全面把握好连杆的强度、质量及刚度等相关的指标，将连杆材料的选择与汽车发动机相关的节能环保标准结合到一起，不断开发出新型的发动机连杆材料。

参考文献

[1] 莫明立.GTAW焊修汽车发动机连杆疲劳裂纹残余应力和变形的有限元预测[J].热加工工艺，2013，42（7）：177-179.

[2] 韩凤麟.粉末锻造与C-70钢锻造汽车发动机连杆——2005年4月美国SAE100周年世界大会“论战”纪要[J].现代零部件，2005（12）：18-24.

[3] V.Sarihan，D.Oliver，S.Russell，等.热发射应力图形分析技术及其应用（二）——汽车发动机连杆的热弹性应力分析[J].机械强度，1989（2）：78-80，65.