7700汽车发动机连杆设计论文 .doc

摘要连杆是发动机的重要组成部分，它的设计性能直接影响着发动机的寿命 传统经验设计的连杆，因其质量较大，易引起连杆压弯变形等情况，从而导致失效。随着汽车需求量的不断提高，对于发动机连杆的设计和研究越来越受到各大汽车制造公司的重视。针对这一问题，根据连杆的实际工作状况，对发动机连杆的设计展开了研究。关键词：发动机连杆；工字形；加工目录摘要11 发动机连杆的设计41.1 连杆主要部位的设计41.1.1 两端平面的设计41.1.2 体盖分合面及其它平面的设计51.1.3 螺栓孔的设计51.1.4 大小头孔的设计51.1.5 连杆体、盖的装配61.1.6 称重和去重661.3 连杆的结构设计71.4 连杆的选材82 我国现有汽车发动机连杆设计今后的发展方向83小结9参考文献9致谢11随着社会经济的不断发展以及人民生活水平的逐渐提高，汽车已经逐渐成为了当今时代人们的代步工具，因此汽车的产量以及用户量得到了进一步的提升。作为汽车的主要组成部分汽车发动机成为了各大汽车生产企业的主要研发对象。汽车作为最重要的现代化交通工具。 目前，全世界汽车保有量有7亿辆，按全世界人口平均约9人就有1辆。 汽车工业的飞速发展，这就要求发动机的设计开发水平要提高。 发动机是汽车的动力来源，汽车的动力性、经济性、可靠性和排气净化性等性能指标都直接与发动机有关。 连杆是连接活塞与曲轴并传递动力的一个重要部件，其作用是在工作时把活塞的直线运动变为曲轴的旋转运动。 由于发动机活塞往复运动的速度不断变化，即在上下止点处速度最小、在中间附近速度最大，因而使活塞组件及随活塞一起作往复运动的连杆小头产生往复惯性力; 连杆在工作时，要承受拉压及惯性力等各种载荷，其受力较为复杂 为了限制连杆运动惯性力，提高连杆运动性能，需要将连杆的质量尽量降低，同时还必须满足刚度和强度的要求，防止连杆在工作中断裂失效。 因此，一个重量轻且具有足够强度的连杆在现代汽车设计中备受重视。这也对其刚度和强度提出了很高的要求。由于连杆是在发动机中用来传递气缸爆发压力的，是汽车发动机的重要组成部分，所以对于两岸的研究和设计是非常重要的。连杆在力的传递过程中不仅仅是承受着非常高的周期性的冲击力而起还承受着惯性力和弯曲力。其实连杆的运作机理是这样子的：连杆小头中心作往复运动，连杆大头中心作旋转运动，连杆身作往复运动与旋转运动所组成的复合运动。如此法则的运动就要求连杆既要有比较高的强度还要有较强的韧性和疲劳性能。由于连杆式发动机的最为重要的不见，在拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的综合作用下，其主要破坏形式是疲劳破环，往往造成连杆局部部位断裂，例如连杆断裂、连杆螺栓断裂或松脱等，所以在进行设计的过程中还要保证连杆的寿命，能够在一定的使用寿命期间保持正常的使用。随着汽车产量的不断增加，连杆的加工工艺以及生产水平必须得到进一步的提高，这样就需要我们设计出可靠性比较强的连杆。1 发动机连杆的设计汽车发动机是汽车的一个最重要的零件，而连杆是发动机内部的一个关键零件，是发动机用来传递动力的关键组件之一，它的工作环境不仅承受着高温、高压，还一直承受着燃料燃烧产生的气体施加在连杆上的交变载荷，同时燃料燃烧产生冲击力通过活塞向连杆传递给连杆，连杆把活塞的直线往复运动转化成曲轴的旋转运动，通过曲轴向外输出功率。由连杆的工作过程可以看到，连杆受力极为复杂，不仅要承受拉力、压力、摩擦力以及惯性力等，还要承担振动、弯矩和扭矩等交变载荷，所以设计一个重量轻、刚度和强度足够的连杆对发动机尤为重要。1.1 连杆主要部位的设计 两端平面的设计连杆加工的首道工序就是加工两端平面。在大小头孔精加工前，往往还要对此两平面进行精加工。连杆端面加工一般采用磨削工艺。在连杆毛坯锻造时，对这两端面进行精压，尺寸精度可达±0.15±。精压的目的就是提高毛坯精度，减少余量，使其不再经过车、铣粗加工就可直接磨削。 体盖分合面及其它平面的设计连杆除了两端面以外的其它平面，也包括体盖分合面及作定位用的大小头侧面，以及整体连杆毛坯的体盖切开和切开后的半圆面，大多在连续式拉床上拉削。 螺栓孔的设计连杆螺栓孔一般分为定位部分和紧固部分，定位部分为光孔，紧固部分为螺孔，因此，螺栓孔的尺寸和位置精度要求都比较高。作为定位的光孔，在钻孔后还要进行铰孔。为了提高尺寸精度，螺栓孔采用枪钻和枪铰加工。在大规模自动化生产及近年来所建立的自动系统中，组合机床自动线用得越来越多，并且作为整个综合加工系统的一部分，纳入一条组合自动线中，或成为一条长自动线中的组合部分。采用组合机床自动线更便于多件多面加工，有利提高生产率。 大小头孔的设计连杆大小头孔是连杆的主要加工部位，精度和光洁度要求都很高。连杆大小头孔的加工可分为三个阶段：粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段。第一阶段在体盖装配前进行，后面两个阶段则放在体盖装配之后，粗加工阶段一般在连杆两端面加工后紧接着就开始。连杆小头孔由于作为其后工序的定位基准，在粗加工阶段就应加工到比较精确的尺寸，而大头孔则不必加工得很精密。粗加工阶段的连杆大头孔，大多是在体盖切开后采用连续式拉削工艺对体盖上半圆孔进行拉削。优点是生产率高，采用拉削后的半圆孔精度也较高，还可以与结合等其它表面组合在一台机床上同时进行加工。故这种工艺广泛为各厂采用。小头孔在体盖装配前一般都经钻、扩、铰或镗削和倒角等粗加工工序，使小头孔精度满足作定位基准的要求。大小头孔的半精及精加工在连杆螺栓孔加工和体盖装配以后进行，小头孔在体盖装配前就应加工到一定的精度，可不必经过半精加工。为给大小头孔加工提供精确的定位基准，在进行半精加工阶段之前，两端面需经精磨。连杆大头孔半精镗和孔两端倒角往往组合在一条自动线上完成，但也有的厂采用中心带液压推杆或其它结构形式的镗杆，使刀具能向外进给，同时对孔的两端面倒角，使倒角与镗孔合并在一道工序进行。大头孔的精镗一般都和小头孔的精镗同时进行，以保证大小头孔的距离尺寸公差。为保证精镗孔的尺寸稳定，精镗机床基本都采用刀具自动补偿装置。大小头孔在精镗之后，还要经过最后的精整加工，其方法各有不同。为了进一步提高大小头孔的精度与光洁度，近来不少厂在大小头孔精镗之后均进行珩磨。这些珩磨工序大都纳入自动线，珩磨头上也设有自动测量和补偿机构。尽管大小头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异，但是随着产品精度要求的提高，大小头孔都采用精整加工的厂越来越多。 连杆体、盖的装配在体盖装配时，要控制螺栓的压紧力，以此来控制体盖的变形并使连杆加工完后，经多次拆卸，均能保持主要加工表面的精度稳定。为此，在各装配厂均采用定扭矩扳手。随着加工过程自动化程度的体盖，体盖装配采用自动、半自动装配机已很普遍，有的装配机已纳入自动线。 称重和去重为了使发动机在工作过程中平稳，各缸连杆在往复运动中惯性大致相同，对连杆大小头重量及总重都有严格要求。一般发动机连杆大小头重量允差为±，总重量为±3g。为此，必须逐个进行称重、分级，去掉多余的重量，使之达到所要求的重量公差。连杆的称重、去重工序，一般都安排在整个加工工序的后部，大都安排在大小头孔最后精加工之前，也有在全部加工工序都完毕以后再进行称重。半自动和全自动称重装置的共同特点是将称重出来的重量，变成与之成正比的电讯号，将电讯号控制在去重的铣削头的进给，自动在大小端头铣去多余的重量，使之达到所要求的总重。自动线或单机的称量平衡精度都很高，总重平衡精度可达±2 g，两端称量平衡精度可达±1 g。1.2连杆撑断加工新工艺连杆冲断工艺是上世纪 80 年代从铸铁连杆加工中开始被采用，到了 90 年代开始在锻造连杆加工中采用。连杆的机械加工总是朝着高效率、低成本的目标前进，连杆的撑断工艺的应用充分体现了这一优势。用一拉刀在连杆大头孔的剖分面上加工一个 V 形凹槽，也有新工艺是采用激光加工此 V 形槽，从而避免了因拉刀磨损造成的 V 形槽深浅不一的问题。对大头孔施加一个撑开的力，这样在 V形凹槽处将形成应力集中，从而将连杆体和连杆盖撑断，由于是在 V 形凹槽处的应力集中，使断裂沿着 V 形槽准确断裂，断裂面的特性可使连杆体和连杆盖装配时处于最佳吻合。采用撑断工艺加工的连杆断开以后，结合面不再进行任何加工，断面虽然比较粗糙，但合上以后，连杆体和盖会得到良好的定位，可以不必像传统连杆那样采用定位螺栓、定位销、齿形等定位方式，会大大降低成本。由于采用撑断工艺加工连杆会使零件产生塑性变形，所以在实际加工中不能使用传统的连杆毛坯材料，经过大量的试验证明，只要采用适当材料，可以使变形减少到对连杆精加工基本上没有影响。目前采用连杆撑断工艺的连杆毛坯材料有四种：高碳钢、可锻铸铁、球墨铸铁和烧结材料。1.3 连杆的结构设计随着连杆的设计不断发展和进步，短连杆已经成为了世界上发动机广泛采用的主要部件，并且成为了一种发展趋势。现在在高速的内燃机中 1 / (=R/L，R 为曲轴回转半径，L 为连杆中心距)值已小到 3.15。在国外的一些公司，他们对连杆的小头设计多是采用了楔形的结构，这种结构在加工的过程中比较复杂，并且难度性也比较高，成本相当昂贵，但是采用这种的结构可以使得连杆的大小头的端面宽度达成一致，并且在采用液氮冷却装配小头衬套的条件下，减少工艺困难。在这种的情况下，连杆的大头就应该采用平切口，并且还要照顾到曲柄销直径 d 2 的限制，在一般的情况下，我们认为 d 2 / D=0.65 0.68，在西德的 Deutz和英国的 Ricardo 公司都认为平切口与斜切口连杆分界线是 d 2 /D=0.65 0.67，大于上限值的连杆就必须选用斜切口型式。连杆小头结构方面国外一些公司采用楔形结构，这种结构虽然加工工艺复杂、难度大、制造成本高，但结构设计上可使大、小头的端面宽度相同，且可采用液氮冷却装配小头衬套，因而减少工艺困难。除此之外，我们以往所采用的连杆的截面都是工字型，但是随着发动机的转速不断加大，对于连杆的强度、刚度提出了更高的要求，所以经过探索分析我们采用了大圆弧截面，使杆身在质量尽可能小的前提有足够的强度、刚度，逐渐采用大圆弧截面。 这种截面可改善锻造工艺性能，减少锤锻力和模具的磨损，而且减少应力集中，从而起到了提高疲劳强度的目的。在设计连杆的过程中不仅仅是要照顾到以上一个方面，对于连杆的疲劳强度以及结构强度还要特别的关注。连杆在设计时必须首先保证有足够的疲劳强度和结构强度。 若疲劳强度不足，往往会造成连杆杆身或连杆螺栓断裂，严重时就会造成重大的整机破坏事故的产生。 若刚度不足，这样一来就会导致活塞、气缸、轴承及曲柄销的偏磨，加大了连杆螺栓的附加弯矩。 另一方面，连杆是运动件，必须尽可能地减小它的重量。 因此，连杆设计必须从选材、结构设计及制造工艺等方面来综合考虑，采取措施。因此，在进行连杆的设计过策划那个中一定要注重对于连杆的强度和刚度的设计，不然将会带来不可预料的后果。另一方面，由于连杆式一个高度运动的物体，对于它的设计必须要注重它的整体质量的大小，因此对于连杆材料的选择、结构设计及制造工艺等方面是非常重要的，必要要综合性地去考虑，最终制定相应的措施。对于连杆的设计，不仅仅是要涉及到连杆的整体尺寸，还要对连杆的小头、连杆杆身、连杆大头、连杆螺栓等各组件的结构进行合理设计，以满足要求。比如，连杆的小头不仅要满足具有足够厚的壁厚以外，还要使得连杆小头到杆身具备过渡的圆滑性，尽量地减少这里所产生的应力集中；对于大头的设计，更应该特别注意降低应力集中；整个螺栓的结构设计除了尽可能低降低应力集中意外，还应该在装配的过程中严格地按照规定的力矩拧紧。1.4 连杆的选材通过近几年对于连杆材料的研究和探索，裂解连杆体和连杆盖分界面技术已经得到了广泛的使用，这种技术可以较大幅度地较少机械加工的工序，并且在此基础上开发出来了高强度低韧性的高碳钢非调质钢和粉末冶金锻件，以满足工艺的需要。对于连杆的材料选择可提供以下几种材料：一是非调质钢，这种材料是在中碳钢的基础上添加矾、 钛、铌等微合金元素，并且在对轧制或锻造过程控制冷却速度，使得基本组织中的碳和氮的化合物能够散发出来，最终达到了强化的目的；二是粉末冶金连杆，这种的连杆制造工艺集中了材料的生产、零件的加工以及制造为一体的制造技术，从而具备了较强生命力的特点；三是钛合金连杆，由于金属钛的密度比较小，在采用该金属材料的时候可以进一步降低发动机连杆的重量。2 我国现有汽车发动机连杆设计今后的发展方向随着汽车技术的不断发展，对发动机的性能提出了更新更高的要求，连杆作为发动机的关键零件之一，对连杆的要求是高强度、轻量化、低成本。尤其随着连杆裂解加工技术的发展，对连杆材料提出了更高的要求。从我国各大汽车集团的主机厂现有的发动机锻钢连杆技术与西方发达国家进行比较的话，差距并不是很大。在很多方面，与西方发达国家的水平差不多。配件厂在近些年的技术虽然有所提高，但是还存在着不少的问题，锻件成形及控冷技术落后，产品性能不稳定。从连杆轻量化这个角度进行分析的话，我国与西方发达国家进行比较的话还是显得比较落后，对于钛合金连杆，纤维强化铝合金连杆、粉末冶金锻造连杆的研究还没有进行，这将是今后发展的方向。3小结本文主要是对发动机连杆的基本结构以及对于连杆制造过程中的材料选择进行了设计和分析，但是从目前来看发动机连杆的制造成本与技术之间仍然存在着比较大的矛盾，因此，对于连杆的设计和材料的选择依然存在着相当大的发展潜力。参考文献1商跃进，曹茹，赖文烨.基于CAD/CAE/CAM技术的曲柄连杆机构设计方法研究J.内燃机车.2008(02)2寇淑清，王彦菊，杨辰光，杨慎华.连杆准静态裂解数值模拟关键技术与启裂分析J.内燃机工程.2008(01)3叶国林，曾建谋，杜宝雷.柴油机连杆有限元分析J.内燃机.2008(01)4王秋冰，马鸣，卢震鸣，来建刚，李光瑾.发动机连杆用材料与工艺的发展趋势J.柴油机设计与制造.2007(01)5曹正.汽车发动机连杆材料的现状及发展趋势J.汽车工艺与材料.2007(01)6姚贵升.汽车裂解连杆用钢的开发J.汽车工艺与材料.2004(11)7寇淑清，金文明，谷诤巍，杨慎华.内燃机连杆制造最新技术与发展趋势J.内燃机工程.2001(01)8格日勒.连杆设计及校核方法浅谈J.内蒙古公路与运输.1997(02)9庄哲峰.连杆材料的应用与发展J.车用发动机.1991(04)10邵慰礼.B6135柴油机连杆设计J.柴油机.1988(05)11李鹏.国外汽车发动机连杆材料最新应用J.汽车工艺与材料.2010(01)12张秋华.汽车发动机连杆新材料新工艺的应用研究J.芜湖职业技术学院学报.2010(01)13韩凤麟.汽车发动机连杆发展趋向J.现代零部件.2006(06)14洪慎章.发展中的汽车连杆粉末锻造技术J.新材料产业.2007(01)15王秋冰，马鸣，卢震鸣，来建刚，李光瑾.发动机连杆用材料与工艺的发展趋势J.柴油机设计与制造.2007(01)16连杆加工方法发展趋势J.汽车工艺与材料.2007(07)17韩凤麟.粉末锻造汽车发动机连杆新进展J.现代零部件.2008(07)18刘显玉.汽车发动机连杆的有限元分析J.机电设备.2005(03)19李慧远，何才.汽车发动机连杆疲劳试验方法J.汽车工艺与材料.2005(10)20韩凤麟.粉末锻造汽车发动机连杆新进展J.现代零部件.2008(07) 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