文／史延辰，韓薇，黃麗娟·南宮市精強(qiáng)連桿有限公司，河北省汽車連桿精密制造技術(shù)創(chuàng)新中心

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步和生活水平的提升，汽車逐步走入基層老百姓的生活中，成為其重要的交通工具。中國(guó)近20 年來發(fā)展迅速，汽車保有量也不斷增加，2001 年中國(guó)的汽車保有量?jī)H有1100 萬輛，截至2022 年末，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.95 億輛，其中汽車3.021 億輛，20 年間中國(guó)的汽車保有量增加了26.5 倍。

連桿作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的零部件之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中需要承擔(dān)活塞載荷的急劇變化和慣性力，使得連桿的工作環(huán)境變得尤為復(fù)雜。隨著我國(guó)制造業(yè)近30 年的高速發(fā)展，目前連桿均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)。本文將介紹發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的技術(shù)演變歷程，同時(shí)針對(duì)連桿發(fā)展趨勢(shì)做一下分析。

連桿結(jié)構(gòu)的演變歷程

平切連桿

平切連桿(圖1)是連桿最早的制造形式，連桿的桿和蓋接合面為切口精加工，定位方式有銷釘定位、套筒定位、齒形定位和凸肩定位。連桿的桿和蓋結(jié)合面需要多次加工，且連桿的螺栓過孔及螺紋需要分開加工。此種連桿形式加工工序繁多，桿和蓋結(jié)合面有配合精度及加工精度誤差，連桿二次合把復(fù)圓度較差。

脹斷連桿

連桿脹斷技術(shù)，也稱連桿裂解技術(shù)，是20 世紀(jì)90 年代在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展成熟起來的一種連桿制造新工藝，是對(duì)傳統(tǒng)連桿加工工藝的重大變革，并成為一個(gè)國(guó)家發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。我國(guó)在21 世紀(jì)初將連桿脹斷技術(shù)引進(jìn)到國(guó)內(nèi)，并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)及批量生產(chǎn)。連桿脹斷是一種裂斷加工工藝，其加工工序可減少35%以上，生產(chǎn)效率高，由于脹斷后蓋和桿又原配在一起，實(shí)現(xiàn)了桿和蓋的無縫連接，其二次合把精度極大提升，脹斷連桿見圖2。

圖2 脹斷連桿

連桿材料的演變歷程

調(diào)質(zhì)鋼材料

調(diào)質(zhì)鋼材料多為45、42CrMo、40Cr、35CrMo 等常規(guī)材料，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，材料應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是連桿毛坯鍛造完成后需要進(jìn)行熱處理，對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)生產(chǎn)過程的成本較高。調(diào)質(zhì)鋼材料因其材料特性影響，只適用于平切連桿，故當(dāng)前應(yīng)用越來越少。

非調(diào)質(zhì)鋼材料

非調(diào)質(zhì)鋼材料是在中碳鋼的基礎(chǔ)上加上釩、鈦、鈮、硫等微量合金元素，通過調(diào)節(jié)軋制和鍛造過程中的冷卻速度，在基本的元素中出現(xiàn)碳氮化合物，使材料得到強(qiáng)化。目前連桿材料多為35MnV、C70S6、36MnVS4、46MnVS5 等特殊材料，其優(yōu)點(diǎn)是減少了毛坯鍛造后的熱處理，無環(huán)境污染，生產(chǎn)過程的成本下降；缺點(diǎn)是價(jià)格偏高，只能應(yīng)用在特定行業(yè)中。

35MnV 材料是在調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改良，其沖擊韌性較大，不適合作為脹斷材料使用。C70S6材料是脹斷連桿最初的研究成果，其脹斷性能良好，機(jī)械性能一般，抗拉強(qiáng)度≥900MPa，屈服強(qiáng)度≥550MPa。36MnVS4 材料是在C70S6 材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能提升，其抗拉強(qiáng)度≥1000MPa，屈服強(qiáng)度≥750MPa，但因碳含量較少，其脹斷性能較差。46MnVS5 是在36MnVS4 基礎(chǔ)上對(duì)脹斷性能的提升改良，同樣其抗拉強(qiáng)度≥1000MPa，屈服強(qiáng)度≥750MPa，是目前脹斷連桿的最新材料。

粉末冶金材料

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料構(gòu)成基本上可以被分為粉末冶金(圖3)和鍛鋼兩種類型。粉末冶金材料在北美國(guó)家的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造應(yīng)用極為常見，目前我國(guó)主要采用鍛鋼材料，不同的材料在其屬性上各自具備優(yōu)勢(shì)條件，但是在生產(chǎn)制造成本占比上，兩種材料之間的差異性較大。針對(duì)毛坯制造，鍛鋼為35%左右，冶金粉末則為60%左右，但是在機(jī)械加工方面，鍛鋼為48%左右，冶金粉末則為40%左右。綜合計(jì)算成本，當(dāng)前行業(yè)中多采用鍛鋼材料，粉末冶金材料還有待于后期的成本研究。

圖3 粉末冶金材料連桿

鈦合金材料

鈦合金連桿(圖4)相對(duì)于鍛鋼連桿，其重量顯著縮減，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在做活塞運(yùn)動(dòng)階段，連桿的往復(fù)慣性力就會(huì)大幅減小，企業(yè)在進(jìn)行不同屬性發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)試期間，會(huì)觀察曲軸上的連桿最小油膜厚度。將測(cè)量結(jié)果獲悉，能夠發(fā)現(xiàn)鈦合金連桿以及鋼制連桿在油膜厚度基本相同的條件下，鈦合金連桿顯然要比鍛鋼材料的連桿發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要高出許多，所以發(fā)動(dòng)機(jī)整體傳輸頻率也會(huì)提升。經(jīng)過實(shí)踐研究表明，鈦合金連桿還能將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的噪聲問題進(jìn)行控制。但是現(xiàn)階段面臨的產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要問題是鈦合金的成本相較于一般的金屬材料投入過大，且對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的零件制造適應(yīng)能力也較為有限，常見的是在一些高性能的賽車上應(yīng)用，可以達(dá)到功率與質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)性。所以鈦合金連桿材料在自身降重能力以及成本控制方面，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鍛鋼連桿材料。

圖4 鈦合金連桿

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料主要的發(fā)展趨勢(shì)為采用輕質(zhì)的金屬基復(fù)合型材料，金屬基復(fù)合型材料在強(qiáng)度、質(zhì)量等方面相對(duì)于其他連桿材料有著較大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段應(yīng)重點(diǎn)解決的是金屬基復(fù)合型材料連桿生產(chǎn)制造工藝的具體成本問題。

連桿結(jié)構(gòu)性能主要是采用低摩擦的加工技術(shù)，例如連桿大小頭孔的高硬度化，采用滾動(dòng)軸承替代現(xiàn)有的襯套瓦片的滑動(dòng)軸承方式。連桿孔加工成腰鼓形式，低負(fù)荷時(shí)線接觸，高負(fù)荷時(shí)面接觸，降低運(yùn)行過程中的摩擦力。

結(jié)束語

本文從連桿制造工藝、材料、設(shè)計(jì)方法對(duì)當(dāng)前我國(guó)的連桿生產(chǎn)演變進(jìn)行了敘述。近些年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展水平較快，特別是汽車行業(yè)得到了高速發(fā)展，基于環(huán)境保護(hù)生態(tài)治理方面的要求，汽車行業(yè)的節(jié)能減排工作也是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，針對(duì)有關(guān)材料的生產(chǎn)設(shè)計(jì)等相關(guān)工作，同時(shí)新材料、新技術(shù)和成本又存在矛盾和機(jī)遇，需要企業(yè)加強(qiáng)對(duì)總體材料的性能與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)控制。針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的正常制作，需要通過合理的材料選用生產(chǎn)工藝，將金屬材料的有關(guān)指標(biāo)全面把控，并結(jié)合現(xiàn)代社會(huì)的節(jié)能環(huán)保理念，不斷研發(fā)新型的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料以及先進(jìn)技術(shù)。