浅谈汽车发动机连杆制造现状及发展趋势

刘倩倩 程鑫杰

摘 要：对汽车特别是赛车而言，汽车连杆作为发动机的重要零部件之一，对其动力性和可靠性有着至关重要的作用。本文从连杆的零件结构、工艺性、材料、制造工艺及应用出发，分析了国内外发动机连杆制造的发展现状和发展趋勢。

关键词： 发动机连杆;工艺性;材料;制造;

据不完全统计，全球汽车保有量或达8亿，其中中国坐拥汽车市场最大占有量。汽车行业的飞速发展，对汽车发动机设计水平、能耗、安全环保等提出更高的要求和挑战

随着汽车工业的迅猛发展，国内外赛车工业方兴未艾，特别是FSAE大学生方程式赛车运动，对汽车发动机的设计水平提出了更高的挑战。汽车连杆特别是赛车发动机连杆，其复杂的工作环境加上超常的连续工作时长，使其持续承受变化载荷和惯性力而发生一定程度的变形，发动机工作性能必然受其影响，整车的安全性能从而难以保证。所以，连杆的材料选择和制造工艺过程格外重要，对其生产制造技术装备提出更高的要求。

一、连杆零件分析

汽车发动机中，活塞与曲轴通过连杆连接，其中，活塞经由连杆小头与活塞销连接;而曲轴连杆颈一般与大头连接。发动机工作原理如下：发动机气体膨胀做功推动活塞，顶面的压力通过连杆传给曲轴，同时活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动;曲柄驱动连杆，带动活塞压缩气缸中的气体循环工作。其复杂的工作环境加上连续的工作时长，使其持续承受变化的载荷和惯性力而发生一定程度的变形。

综上可见，对汽车连杆提出如下要求：高精度、高强度、高疲劳强度、轻量化等。此外，顺应绿色出行保护环境的时代需求，对连杆制造的节能环保提出更高要求。

1.1  零件结构、作用及工作状况分析

由图1.1得知，连杆主要由：连杆体、连杆盖、定位套筒、螺栓等组成;因其其结构特点和功能要求，连杆需要很高的结构刚性及加工精度。因此，活塞采用活塞销与小头孔连接，曲轴连杆轴颈与安装轴瓦的大头孔进行装配的方案。杆身为工字截面且大头到小头的截面逐渐变小，以更好实现在保证足够强度和刚度情况下的轻量化制造。

连杆体和连杆盖的接合面与杆身轴线的平面相互垂直。在小头孔内压入锡青铜衬套，以减少小头孔和活塞的磨损，方便日常维护;在大头孔内装入轴瓦，以保证其和曲轴连杆轴颈间的相互运动达标。

1.2  零件加工工艺分析

连杆零件工艺成熟，但赛车连杆外形相对复杂，而且定位不以保证精度，要求加工所有表面。 其体现在：细长的杆身两端分别连接大、小头孔，刚性不足且易变形;残余内应力的存在;且对整体模锻的毛胚而言，加工中需将体和盖切开后再装配，加工过程较为复杂。因此，不可忽视内应力重新分布而产生的变形。

连杆加工工艺设计所采取的措施及主要问题如下所示：

（1）连杆加工精度受到诸多因素影响，其中在外力作用下产生的变形为主要考虑因素。因此，夹紧力方向和大小的精准度至关重要，作用点选定基本原则如下：垂直于连杆大、小头端面，而避免作用于杆身;特殊要求下，选用杆身刚性好的方向且采用双向浮动加紧的方式;若选用轴线方向施加力，应保证连杆端面不脱离定位元件且力度适当。

（2）鉴于连杆工作环境的特殊性，其毛胚优先采用锻件，且受力方向应应与纤维组织方向保持一致。因此在工艺要求上，需根据粗、精加工分开原则进行加工，将切除大部余量作为主要任务，且后续加工的基准由此来提供。

二、国内外汽车连杆制造技术现状

迎合节能环保、绿色出行新趋向，发动机连杆用材料的选择日益趋于高强度、轻量化、低成本，除了轻量化技术与国外相差较大外，其他技术领域国内外势均力敌。而国外赛车制造技术的发展却超前国内很多年，尤其是在赛车制造新材料开发和应用方面。

2.1合金钢和碳素钢

合金钢和碳素钢可使零件的疲劳强度得到保证，因此早年的连杆通常采用此材料。合金钢和碳素钢连杆的调质硬度，分别可达300HBS和229～269HBS，而两者的抗拉强度分别可达900MPa和800MPa，从而满足连杆的强度和塑性要求。发动机功率大时多采用合金钢，而中小功率时多采用碳素钢，其中，中碳钢多用于柴油机、中小型汽油机连杆的制造，镍合金钢等中碳合金钢则常见于带增压中冷强化功能的柴油机连杆制造中。

此类钢材韧性较强且容易保证质量，当前在国内此类钢材还有继续沿用，但其毛坯制造和热处理过程中消耗大量能源，且不利于环境保护。因此， 随着新材料不断涌现，其终将被全面取代。

2.2 非调质钢

非调质钢材料连杆的疲劳寿命很高，且发动机输出功率和爆发压力高。为了实现高强韧性匹配度，可采用氧化物冶金技术、微合金化（在中碳钢的基础上加入钒、钛等微量合金元素）、晶粒细化等，零件制造能耗由于采用以上技术而降低3～4成，而成本由于无调制过程也有所降低;此外，还可以是矫直工序得到简化。此类钢材是节能型中价位较低的一种，国外使用非调质钢制造汽车连杆的技术远超国内。

自1960s起，美国开发一种新技术：将材料锻造后（无调质处理）直接用于制造发动机连杆材料-在SDE2140中加入一定量微合金元素并提高其锰元素含量。如美国福特采用非调质钢制造连杆、曲轴等汽车零件。另外，美国自主研发的第二代材料具有独特优点，由查帕尔公司提出将材料的组织进行扩展，研发出低碳马氏体组织的第三代非调质钢。

1970s初，当时石油危机波几乎危及整个工业化国家，鉴于危及危害性非调质钢的研制工作在各国陆续开展起来，并快速发展以逐步替代传统材料，例如：低合金钢和碳素钢。

1980s初，德国开发了以49MnVS3为代表的非调质钢，供汽车工业制造发动机连杆用，且锻造曲轴制造领域至今仍在沿用。另外，27MnSiVS6型号非调质钢在德国大众汽车企业得到广泛应用，年产量一时达250万件。

1984年起，日本四分之三的汽车发动机连杆制造采用非调质钢，且仅在2004年间用量已达204万吨，占特种钢总用量的六成。此外，瑞典和意大利对其研究与应用均較为超前，其中瑞典Volvo公司将该材料用于汽车零件制造，年耗材达25000T。

国内1980s起研究非调质钢，经过研究虽然取得一定进展，经历了一代至三代的三个发展阶段，但连杆总体韧性不高，相比之下国内整体制造技术水平有待较大提升。截止2014年，该材料在国内汽车行业的年用量可达20～25万T，其中低碳贝氏体型号钢应用最多，例如：12Mn2B钢、12MnBS钢和12Mn2VB;江铃汽车和东风汽车等汽车制造商将该材料应用于前桥、转向节、弯直臂等。

2.3 粉末冶金锻造连杆

1960s开始，日本、美国和一些欧洲国家率先研发粉末烧结锻造工艺，并开展了将加工技术、零件制造及材料生产高度集成化的连杆制造技术。但是，前期由于金属粉末种类限制而发展缓慢，随着多样化金属粉末的研发与发展，该工艺也逐步发展完善，并且被汽车工业发达的国家率先应用于汽车结构件的制造。

粉坯密度在锻造过程中提升，淬透性的提高通过合金元素的添加而实现，从而使连杆的韧性和强度得到保证;且与锻钢连杆相比，具有显著的经济效益：材料节约达40%、成本降低达10%、能源消耗节约达50%。

最早，美国通用汽车公率先开展粉末冶金制造发动机连杆零件的制造工艺和技术，日本丰田随即将Fe-2Cu-0.55C-0.1S的合金粉末用于发动机连杆生产领域，另外，德国、英国等几个发达国家合作研发新材料用于发动机连杆制造，例如：Fe-1.5Cr-0.5C，Fe-（0.35～ 0.45）C-（0.3～0.4）Mn-（0.1～0.25） Cr- （0.2～0.3）Ni，等粉末冶金连杆。据2011年数据统计显示，北美汽车行业粉锻连杆年用量超过14000T，其用量份额达整个北美连杆市场逾六成以上。

目前，德国通用、日本丰田、MAZDA、美国福特等汽车公司已实现商品化生产该类连杆，其在高速汽油机连杆生产中占重要份额。

国内该项技术发展比较缓慢，主要原因是受制于一下两方面原因：粉末材料单价较高和粉末纯度较低。一汽丰越汽车公司的V6发动机连杆系列率先使用该材料进行生产制造，随着科技和大数据时代计算机技术高速发展，中国必定会取得突破性发展和进步。

2.4 钛合金连杆

钛合金连杆新材料为迎合节能减排、绿色出行应运而生，因为金属钛的密度小（4.5g/cm3，仅为钢材的58%）、熔点高等特点，使钛合金连杆质量与钢制材料相比减轻30%，因而此类材料的连杆可实现轻量化发展要求。此外，该类连杆可以大幅提高发动机转速，进而大幅提高发动机的输出功率;使发动机噪声显著降低，有利于节能环保。

但是，钛合金表面处理困难、加工性能差等特点使其生产工艺复杂，从而使其成本投入较大，其应用范围就受到一定限制，目前仅通常应用于高性能的赛车发动机上。

钛合金材料的汽车发动机连杆，法拉利公司3.5LV8和Acura的NSX汽车最早应用，使其车身重量减轻15%～20%左右。

日本生产的发动机连杆采用Ti-3Al-2V材料，其力学性能与45钢不相上下，屈服强度、疲劳强度和抗拉强度分别高达600MPa、430MPa和800MPa，其中疲劳强度还可赶超非调质钢。

三、汽车连杆制造技术发展趋势

为迎合当前社会绿色出行、节能环保的要求，近年汽车发动连杆制造生产走向高效低成本、低能耗、绿色节能的大趋势，因此金属复合性材料必然成为汽车制造行业的新宠。在一些高性能的赛车领域，鉴于钛合金连杆材料自身优点，其应用也会得到越来越多赛车制造商的青睐，但是由于其投入成本较高，在非赛车制造领，锻钢材料和金属复合性材料的应用将延续很长一段时间。

参考文献：

[1] 何威.汽车发动机连杆制造现状和发展趋势分析[J].机械动力工程，2018（11）：195.

[2] 喻革.汽车发动机连杆制造现状和发展趋势研究[J].Internal Combusion Engine & Parts，2019，2（048）：101-102.

作者简介：姓名：刘倩倩;性别：女，民族：汉，籍贯：山东省济宁市，学历：研究生，毕业于沈阳航空航天大学;现有职称：助教;研究方向：机械工程。