（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海00438；.天潤(rùn)曲軸股份有限公司，文登64400）

一種斜切口漲斷連桿在柴油機(jī)上的開發(fā)應(yīng)用

肖華1，劉新彥1，勞國(guó)強(qiáng)1，劉楨榕1，葛全慧2
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438；2.天潤(rùn)曲軸股份有限公司，文登264400）

結(jié)合某電控柴油機(jī)的齒形斜切口連桿使用情況，闡述了漲斷連桿的優(yōu)點(diǎn)，介紹了該柴油機(jī)的漲斷連桿在開發(fā)過程中所做的設(shè)計(jì)更改，以及疲勞試驗(yàn)載荷的確定方法。柴油機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)結(jié)果表明，漲斷連桿具有更好的可靠性和一致性。

柴油機(jī) 漲斷連桿 疲勞試驗(yàn)

1 前言

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，在工作過程中承受著很高的交變載荷和彎曲應(yīng)力，必須具有高的強(qiáng)度、韌性和耐疲勞性能。隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)趨于輕量化，強(qiáng)化程度越來(lái)越高，連桿制造技術(shù)和工藝也隨之發(fā)生了很大的變化。

連桿漲斷加工技術(shù)作為一項(xiàng)制造新工藝，于二十世紀(jì)九十年代在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展起來(lái)，并逐漸大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)。近些年，國(guó)內(nèi)一些汽車和零部件生產(chǎn)企業(yè)也相繼采用了連桿漲斷工藝，為漲斷連桿在國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)上的批量應(yīng)用創(chuàng)造了條件[1～2]。

本文以某電控柴油機(jī)的斜切口連桿為例，簡(jiǎn)要介紹漲斷連桿開發(fā)的基本流程與方法。

2 連桿漲斷工藝與開發(fā)

斜切口連桿工作時(shí)在切口方向會(huì)受斜切口連桿工作時(shí)在切口方向會(huì)受到很大的切向分力，因此在切口方向必須有定位裝置，以避免連桿螺栓因過大的剪切應(yīng)力而斷裂。斜切口連桿的傳統(tǒng)定位方法有止口定位、套筒定位和齒形定位等，其中以齒形定位應(yīng)用最為廣泛。但齒形定位對(duì)節(jié)距公差要求較嚴(yán)，否則裝配后有幾個(gè)齒不能接觸，會(huì)降低大頭的剛度，大頭孔也會(huì)失圓。

目前，上柴公司某電控柴油機(jī)采用的斜切口連桿正是齒形定位，對(duì)連桿體和連桿蓋的分離面分別進(jìn)行拉削，完成齒形定位面的加工。表1為該柴油機(jī)的主要參數(shù)。

圖1所示為該柴油機(jī)齒形連桿的結(jié)構(gòu)。該齒形斜切口連桿在生產(chǎn)和使用過程中主要存在兩個(gè)問題，一是齒形加工公差難以得到有效控制，不利于連桿體和連桿蓋的匹配定位；二是個(gè)別定位面比較單薄，容易出現(xiàn)“翻邊”現(xiàn)象，導(dǎo)致在裝配過程中連桿螺栓“假擰緊”，有可能在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中因螺栓飛脫而引起安全事故，故在生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)需特別小心。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

圖1 齒形連桿結(jié)構(gòu)

如果使用漲斷連桿，則可以有效避免上述缺點(diǎn)。漲斷工藝一般是先在連桿大頭孔斷裂線上預(yù)加工兩條裂解槽，形成初始斷裂源，然后在裂解專用設(shè)備上對(duì)大頭內(nèi)孔側(cè)面施加徑向力，使連桿體和蓋裂解分離，最后將連桿體和蓋精確復(fù)位，完成螺栓擰緊和后續(xù)其他加工工序。由于連桿體、蓋具有完全嚙合的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，減少了連桿總成的大頭孔變形，使連桿的承載能力、抗剪能力都得到提升；對(duì)于加工線來(lái)說，由于省去了大量的剖分面加工工作，所以有效提升了生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本也得以降低。

綜合多方面的考慮，上柴公司于2008年開始嘗試在該柴油機(jī)上使用漲斷連桿取代齒形連桿。連桿材料采用國(guó)內(nèi)大量使用的C70S6高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼，使用激光刻痕產(chǎn)生預(yù)裂解槽，利用楔形塊推動(dòng)大頭孔內(nèi)的動(dòng)套實(shí)現(xiàn)連桿裂解。

連桿的主要結(jié)構(gòu)和配合尺寸不做大的改動(dòng)，重量分組方式也不改變，僅對(duì)連桿襯套和螺栓進(jìn)行一點(diǎn)更改。齒形連桿使用的襯套為矩形襯套，襯套采用液氮冷卻后壓裝到連桿小頭中，然后與連桿小頭一起完成小頭端面的加工；而漲斷連桿襯套壓裝好后不再另外單獨(dú)加工端面，故將原來(lái)的矩形襯套改為楔形襯套。

根據(jù)連桿螺栓軸向力測(cè)試結(jié)果，開始認(rèn)為現(xiàn)有的連桿螺栓和擰緊方法均可以滿足使用要求。但后來(lái)在首批樣件試制過程中，連桿螺栓因受力過大而出現(xiàn)“滑絲”現(xiàn)象，故將連桿螺栓桿身加長(zhǎng)2 mm（連桿體與螺栓的螺紋配合仍保留有安全間隙），螺紋段也相應(yīng)增加2 mm，這樣增加了螺紋受力面積，改善了螺栓的受力狀況。更改后，在連桿生產(chǎn)和試驗(yàn)中均未出現(xiàn)“滑絲”或螺栓異常伸長(zhǎng)現(xiàn)象。圖2為漲斷連桿試制樣件。

圖2 漲斷連桿試制樣件

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 疲勞試驗(yàn)方法

連桿需在指定載荷條件下，完成一定數(shù)量的拉壓循環(huán)，試驗(yàn)結(jié)束后不得出現(xiàn)明顯開裂或變形。試驗(yàn)采用伺服液壓控制系統(tǒng)，加載設(shè)備提供按正弦變化的疲勞載荷，并附帶有利用位移反饋限值控制設(shè)備指示部件是否失效的裝置。另外，設(shè)備應(yīng)能自動(dòng)計(jì)數(shù)，當(dāng)連桿失效或者循環(huán)次數(shù)超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備能自動(dòng)關(guān)閉。本試驗(yàn)指定循環(huán)次數(shù)為107。圖3為試驗(yàn)裝置及控制界面。

圖3 疲勞試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)載荷

實(shí)際疲勞載荷是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成部件承受的壓力和拉力來(lái)確定的，假定拉伸載荷為正值，壓縮載荷為負(fù)值。

3.2.1 最大拉伸載荷

作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的拉伸載荷主要表現(xiàn)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力，包括往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力，當(dāng)活塞在進(jìn)氣沖程上止點(diǎn)時(shí)，連桿受到的拉伸載荷最大。此時(shí)慣性力為：

式中，

m'——活塞組質(zhì)量；

m1——連桿小頭質(zhì)量；m2——連桿大頭質(zhì)量；

m3——連桿大頭蓋質(zhì)量；R——曲柄半徑；

ω——曲軸旋轉(zhuǎn)角速度；

λ——連桿比。

發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，此處按50%超速計(jì)算最大慣性力，則轉(zhuǎn)速為3 300 r/min。該曲柄連桿機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如表2。

由此可算得連桿所受的最大拉伸載荷為Pi=52.3 kN

3.2.2 最大壓縮載荷

活塞處于做功沖程的上止點(diǎn)時(shí)，連桿受到的壓縮載荷最大。此時(shí)連桿受到氣體力和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力作用，二者方向相反。

氣體力為：

表2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)

式中，

D——缸徑；

pp——最大爆發(fā)壓力。

結(jié)合表1的參數(shù)信息，可得Pg=-183.7 kN。如不考慮慣性力的作用，則連桿的最大壓縮載荷即為183.7 kN。事實(shí)上，連桿承受的壓縮載荷應(yīng)該比該值小。此處直接取最大壓縮載荷Pc=-183.7 kN。

3.2.3 疲勞試驗(yàn)載荷

疲勞試驗(yàn)載荷不得低于連桿實(shí)際承受的載荷，在此前提下，保持平均載荷不變，進(jìn)一步加大試驗(yàn)振幅，直至確認(rèn)連桿足夠安全。

平均載荷取Pi與Pc的均值，即-65.7 kN，圓整為-70 kN。

據(jù)此，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取一定的安全系數(shù)，可確定首次試驗(yàn)載荷為-70±185 kN；如通過，則增加振幅到190 kN，再次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

3.3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從首批樣件中挑選三支連桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 疲勞試驗(yàn)參數(shù)

振幅為185 kN和190 kN，連桿經(jīng)過107次循環(huán)后均無(wú)明顯失效，故認(rèn)為連桿順利通過疲勞試驗(yàn)，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)考核。

4 整機(jī)耐久考核

將漲斷連桿安裝到該柴油機(jī)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行700 h熱沖擊耐久試驗(yàn)和2 000 h全速全負(fù)荷耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后進(jìn)行拆檢，六支連桿的狀況良好，連桿大小頭孔的軸瓦、襯套表面光滑，未出現(xiàn)異常磨損，如圖4所示。

此外，還對(duì)耐久考核后的連桿大、小頭孔直徑進(jìn)行了復(fù)測(cè)，測(cè)量結(jié)果表明，連桿經(jīng)過耐久考核后大、小頭孔直徑變化不大，且絕大多數(shù)仍在技術(shù)要求范圍內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于齒形連桿，表現(xiàn)出良好的可靠性和一致性。

目前，該連桿已順利通過評(píng)審，即將小批量投放市場(chǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某電控四氣門柴油機(jī)斜切口連桿為研究對(duì)象，介紹了連桿漲斷工藝的優(yōu)勢(shì)，以及將漲斷連桿運(yùn)用于該發(fā)動(dòng)機(jī)上所開展的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，為今后類似產(chǎn)品的開發(fā)提供了參考。

1鄧偉輝，張永俊.連桿漲斷加工技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008(4).

2楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

Application of Fractured Inclined-Cut Con-Rod in Diesel Engine

Xiao Hua1,Liu Xinyan1,Lao Guoqiang1,Liu Zhenrong1,Ge Quanhui2
（1.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China; 2.Tianrun Crankshaft Co.,Ltd.,Wendeg 264400,China）

The advantage of fractured con-rod for an electronically controlled diesel engine is explained with such con-rod application.Design modifications of such con-rod during development process and the method to determine fatigue test load is introduced.Fractured con-rod proves better reliability and consistency according to bench durability test result.

diesel engine,fractured con-rod,fatigue test

圖4 耐久考核后的漲斷連桿

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.005

來(lái)稿日期：2010-05-31

肖華（1981-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。