淺談汽車發動機連桿制造現狀及發展趨勢

劉倩倩 程鑫杰

摘 要：對汽車特別是賽車而言，汽車連桿作為發動機的重要零部件之一，對其動力性和可靠性有著至關重要的作用。本文從連桿的零件結構、工藝性、材料、制造工藝及應用出發，分析了國內外發動機連桿制造的發展現狀和發展趨勢。

關鍵詞： 發動機連桿;工藝性;材料;制造;

據不完全統計，全球汽車保有量或達8億，其中中國坐擁汽車市場最大占有量。汽車行業的飛速發展，對汽車發動機設計水平、能耗、安全環保等提出更高的要求和挑戰

隨著汽車工業的迅猛發展，國內外賽車工業方興未艾，特別是FSAE大學生方程式賽車運動，對汽車發動機的設計水平提出了更高的挑戰。汽車連桿特別是賽車發動機連桿，其復雜的工作環境加上超常的連續工作時長，使其持續承受變化載荷和慣性力而發生一定程度的變形，發動機工作性能必然受其影響，整車的安全性能從而難以保證。所以，連桿的材料選擇和制造工藝過程格外重要，對其生產制造技術裝備提出更高的要求。

一、連桿零件分析

汽車發動機中，活塞與曲軸通過連桿連接，其中，活塞經由連桿小頭與活塞銷連接;而曲軸連桿頸一般與大頭連接。發動機工作原理如下：發動機氣體膨脹做功推動活塞，頂面的壓力通過連桿傳給曲軸，同時活塞的往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動;曲柄驅動連桿，帶動活塞壓縮氣缸中的氣體循環工作。其復雜的工作環境加上連續的工作時長，使其持續承受變化的載荷和慣性力而發生一定程度的變形。

綜上可見，對汽車連桿提出如下要求：高精度、高強度、高疲勞強度、輕量化等。此外，順應綠色出行保護環境的時代需求，對連桿制造的節能環保提出更高要求。

1.1? 零件結構、作用及工作狀況分析

由圖1.1得知，連桿主要由：連桿體、連桿蓋、定位套筒、螺栓等組成;因其其結構特點和功能要求，連桿需要很高的結構剛性及加工精度。因此，活塞采用活塞銷與小頭孔連接，曲軸連桿軸頸與安裝軸瓦的大頭孔進行裝配的方案。桿身為工字截面且大頭到小頭的截面逐漸變小，以更好實現在保證足夠強度和剛度情況下的輕量化制造。

連桿體和連桿蓋的接合面與桿身軸線的平面相互垂直。在小頭孔內壓入錫青銅襯套，以減少小頭孔和活塞的磨損，方便日常維護;在大頭孔內裝入軸瓦，以保證其和曲軸連桿軸頸間的相互運動達標。

1.2? 零件加工工藝分析

連桿零件工藝成熟，但賽車連桿外形相對復雜，而且定位不以保證精度，要求加工所有表面。 其體現在：細長的桿身兩端分別連接大、小頭孔，剛性不足且易變形;殘余內應力的存在;且對整體模鍛的毛胚而言，加工中需將體和蓋切開后再裝配，加工過程較為復雜。因此，不可忽視內應力重新分布而產生的變形。

連桿加工工藝設計所采取的措施及主要問題如下所示：

（1）連桿加工精度受到諸多因素影響，其中在外力作用下產生的變形為主要考慮因素。因此，夾緊力方向和大小的精準度至關重要，作用點選定基本原則如下：垂直于連桿大、小頭端面，而避免作用于桿身;特殊要求下，選用桿身剛性好的方向且采用雙向浮動加緊的方式;若選用軸線方向施加力，應保證連桿端面不脫離定位元件且力度適當。

（2）鑒于連桿工作環境的特殊性，其毛胚優先采用鍛件，且受力方向應應與纖維組織方向保持一致。因此在工藝要求上，需根據粗、精加工分開原則進行加工，將切除大部余量作為主要任務，且后續加工的基準由此來提供。

二、國內外汽車連桿制造技術現狀

迎合節能環保、綠色出行新趨向，發動機連桿用材料的選擇日益趨于高強度、輕量化、低成本，除了輕量化技術與國外相差較大外，其他技術領域國內外勢均力敵。而國外賽車制造技術的發展卻超前國內很多年，尤其是在賽車制造新材料開發和應用方面。

2.1合金鋼和碳素鋼

合金鋼和碳素鋼可使零件的疲勞強度得到保證，因此早年的連桿通常采用此材料。合金鋼和碳素鋼連桿的調質硬度，分別可達300HBS和229～269HBS，而兩者的抗拉強度分別可達900MPa和800MPa，從而滿足連桿的強度和塑性要求。發動機功率大時多采用合金鋼，而中小功率時多采用碳素鋼，其中，中碳鋼多用于柴油機、中小型汽油機連桿的制造，鎳合金鋼等中碳合金鋼則常見于帶增壓中冷強化功能的柴油機連桿制造中。

此類鋼材韌性較強且容易保證質量，當前在國內此類鋼材還有繼續沿用，但其毛坯制造和熱處理過程中消耗大量能源，且不利于環境保護。因此， 隨著新材料不斷涌現，其終將被全面取代。

2.2 非調質鋼

非調質鋼材料連桿的疲勞壽命很高，且發動機輸出功率和爆發壓力高。為了實現高強韌性匹配度，可采用氧化物冶金技術、微合金化（在中碳鋼的基礎上加入釩、鈦等微量合金元素）、晶粒細化等，零件制造能耗由于采用以上技術而降低3～4成，而成本由于無調制過程也有所降低;此外，還可以是矯直工序得到簡化。此類鋼材是節能型中價位較低的一種，國外使用非調質鋼制造汽車連桿的技術遠超國內。

自1960s起，美國開發一種新技術：將材料鍛造后（無調質處理）直接用于制造發動機連桿材料-在SDE2140中加入一定量微合金元素并提高其錳元素含量。如美國福特采用非調質鋼制造連桿、曲軸等汽車零件。另外，美國自主研發的第二代材料具有獨特優點，由查帕爾公司提出將材料的組織進行擴展，研發出低碳馬氏體組織的第三代非調質鋼。

1970s初，當時石油危機波幾乎危及整個工業化國家，鑒于危及危害性非調質鋼的研制工作在各國陸續開展起來，并快速發展以逐步替代傳統材料，例如：低合金鋼和碳素鋼。

1980s初，德國開發了以49MnVS3為代表的非調質鋼，供汽車工業制造發動機連桿用，且鍛造曲軸制造領域至今仍在沿用。另外，27MnSiVS6型號非調質鋼在德國大眾汽車企業得到廣泛應用，年產量一時達250萬件。

1984年起，日本四分之三的汽車發動機連桿制造采用非調質鋼，且僅在2004年間用量已達204萬噸，占特種鋼總用量的六成。此外，瑞典和意大利對其研究與應用均較為超前，其中瑞典Volvo公司將該材料用于汽車零件制造，年耗材達25000T。

國內1980s起研究非調質鋼，經過研究雖然取得一定進展，經歷了一代至三代的三個發展階段，但連桿總體韌性不高，相比之下國內整體制造技術水平有待較大提升。截止2014年，該材料在國內汽車行業的年用量可達20～25萬T，其中低碳貝氏體型號鋼應用最多，例如：12Mn2B鋼、12MnBS鋼和12Mn2VB;江鈴汽車和東風汽車等汽車制造商將該材料應用于前橋、轉向節、彎直臂等。

2.3 粉末冶金鍛造連桿

1960s開始，日本、美國和一些歐洲國家率先研發粉末燒結鍛造工藝，并開展了將加工技術、零件制造及材料生產高度集成化的連桿制造技術。但是，前期由于金屬粉末種類限制而發展緩慢，隨著多樣化金屬粉末的研發與發展，該工藝也逐步發展完善，并且被汽車工業發達的國家率先應用于汽車結構件的制造。

粉坯密度在鍛造過程中提升，淬透性的提高通過合金元素的添加而實現，從而使連桿的韌性和強度得到保證;且與鍛鋼連桿相比，具有顯著的經濟效益：材料節約達40%、成本降低達10%、能源消耗節約達50%。

最早，美國通用汽車公率先開展粉末冶金制造發動機連桿零件的制造工藝和技術，日本豐田隨即將Fe-2Cu-0.55C-0.1S的合金粉末用于發動機連桿生產領域，另外，德國、英國等幾個發達國家合作研發新材料用于發動機連桿制造，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，等粉末冶金連桿。據2011年數據統計顯示，北美汽車行業粉鍛連桿年用量超過14000T，其用量份額達整個北美連桿市場逾六成以上。

目前，德國通用、日本豐田、MAZDA、美國福特等汽車公司已實現商品化生產該類連桿，其在高速汽油機連桿生產中占重要份額。

國內該項技術發展比較緩慢，主要原因是受制于一下兩方面原因：粉末材料單價較高和粉末純度較低。一汽豐越汽車公司的V6發動機連桿系列率先使用該材料進行生產制造，隨著科技和大數據時代計算機技術高速發展，中國必定會取得突破性發展和進步。

2.4 鈦合金連桿

鈦合金連桿新材料為迎合節能減排、綠色出行應運而生，因為金屬鈦的密度小（4.5g/cm3，僅為鋼材的58%）、熔點高等特點，使鈦合金連桿質量與鋼制材料相比減輕30%，因而此類材料的連桿可實現輕量化發展要求。此外，該類連桿可以大幅提高發動機轉速，進而大幅提高發動機的輸出功率;使發動機噪聲顯著降低，有利于節能環保。

但是，鈦合金表面處理困難、加工性能差等特點使其生產工藝復雜，從而使其成本投入較大，其應用范圍就受到一定限制，目前僅通常應用于高性能的賽車發動機上。

鈦合金材料的汽車發動機連桿，法拉利公司3.5LV8和Acura的NSX汽車最早應用，使其車身重量減輕15%～20%左右。

日本生產的發動機連桿采用Ti-3Al-2V材料，其力學性能與45鋼不相上下，屈服強度、疲勞強度和抗拉強度分別高達600MPa、430MPa和800MPa，其中疲勞強度還可趕超非調質鋼。

三、汽車連桿制造技術發展趨勢

為迎合當前社會綠色出行、節能環保的要求，近年汽車發動連桿制造生產走向高效低成本、低能耗、綠色節能的大趨勢，因此金屬復合性材料必然成為汽車制造行業的新寵。在一些高性能的賽車領域，鑒于鈦合金連桿材料自身優點，其應用也會得到越來越多賽車制造商的青睞，但是由于其投入成本較高，在非賽車制造領，鍛鋼材料和金屬復合性材料的應用將延續很長一段時間。

參考文獻：

[1] 何威.汽車發動機連桿制造現狀和發展趨勢分析[J].機械動力工程，2018（11）：195.

[2] 喻革.汽車發動機連桿制造現狀和發展趨勢研究[J].Internal Combusion Engine & Parts，2019，2（048）：101-102.

作者簡介：姓名：劉倩倩;性別：女，民族：漢，籍貫：山東省濟寧市，學歷：研究生，畢業于沈陽航空航天大學;現有職稱：助教;研究方向：機械工程。