小型汽油机活塞连杆的设计与校核

小型汽油机活塞连杆的设计与校核

所设计的内燃机整体相适应；连杆设计完成后进行零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在连杆最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最小距离都不应小于

2~5mm。

连杆的设计要点有：

1） 在确保足够强度和刚度的条件下尽可能减轻外形尺寸和质量； 2） 注意过渡圆角及细节的设计，特别是连杆小头和杆身的过渡圆角的及连杆的螺栓支撑面的过渡圆角设计，防止应力集中；

3） 必须根据总体设计的要求合理确定结构参数和连杆体与连杆盖的剖分方式。

3.2 连杆材料

杆身与缸盖：通常采用相同的材料，对中高速柴油机，采用中碳钢、45号钢，精选含碳量为0.42%-0.47%；毛坯整体模锻，正火处理，加工中间采用退火处理。对强载内燃机，采用中碳合金钢、40Cr、35CrMo、18CrNiWA等材料，铸造表面调质处理，提高强度和抗冲击能力。[1]近年来，有用球墨铸铁制造连杆。

连杆螺栓：中碳合金钢、35CrMo、18CrNiWA、20CrNi等材料，锻造表面调质处理，提高强度和韧性，进行探伤、螺纹镀铜防松处理。

小头青铜衬套：采用锡青铜、Cu-Sn合金、ZQSn10-1、ZQSn6-6-3等材料。

大头薄壁轴瓦、瓦背：采用10、15低碳钢，瓦背镀锡，内表面浇铸锡基白合金CuSnSb11-6h或基铜铅合金ZQPb30，厚度0.3-0.7mm。 3.3工艺流程

粗磨连杆两侧面—>拉削连杆体分离面、大小头定位点—>拉连杆体与盖半圆、侧定位点、螺栓左面、分离面—>清洗—>粗加工连杆小头孔—>粗、半精、精加工螺栓孔，铣连杆体和盖的锁瓦槽—>磨分离面—>压衬套并精整—>倒角并铣平小头衬套—>钻油道孔—>清洗—>装配连杆—>精磨两侧面—>半精、精镗大小头孔—>珩磨大小头孔—>清洗—>终检。

粗磨连杆两侧面—>精镗大小头孔、半精镗小头孔—>钻、攻螺栓孔—>钻油

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道孔—>清洗—>拉裂解槽、裂解、装配、压衬套、精整衬套、倒角—>精磨两侧面—>半精镗、精镗大小头孔—>珩铰大小头孔—>清洗—>终检。

从以上两种工艺对比可知：后一种工艺方式改变了连杆加工的关键生产程序，以整体加工代替分体加工，省去后面的拉削和磨削等工艺，降低了螺栓的加工精度要求，从而显著的提高了生产效率，降低了成本，增加了经济效益。

此外，对两岸的承载能力、抗剪能力、杆、盖得定位精度、装配质量大幅度提高，对提高发动机生产技术水平具有重要作用。 3.4国内发展现状

连杆裂解新技术已经成为连杆制造业发展水平的重要标志。国内发动机连杆专业生产厂对连杆裂解新技术产生了浓厚的兴趣。多家连杆生产企业都在积极的准备采用连杆裂解技术对原有传统生产线进行改进。这些连杆生产厂更加迫切需求国内自行开发的适合我国国情的连杆裂解加工工艺及装备，以替代进口，节约资金，创造更好的、更显著的经济效益。

从我国汽车工业、发动机行业来看，近些年将需要大量的连杆裂解新技术和设备。根据国家发动机行业统计数据，仅车用、农用连杆每年需求量在4000万件以上。故，连杆裂解工艺与装备在我国有巨大的市场潜力，而且前景很广阔。 3.5国外发展现状

1）粉末冶金连杆：目前，丰田汽车粉末冶金连杆已经商品化。英国、瑞士、德国合作，选用一种成分为Fe-1.5Cr-0.5C的合金粉末试制发动机连杆，并通过零件拉压疲劳性能试验及发动机台架试验。

粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料节约40%，生产成本可降低10%，能源消耗节约50%。

2) 钛合金连杆：钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化，金属钛的密度仅为钢铁材料的58%，因此用钛合金制造汽车发动机连杆，可大幅度地降低连杆的质量。日本采用化学成分为Ti-3Al-2V的钛合金生产连杆，其抗拉强度可达800MPa、屈服强度可达600MPa， 相当于45调质钢的强度水平。

钛合金连杆比钢制连杆的质量可减轻30％，由此可使连杆的往复惯性力大

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幅度的降低。[5]通过对发动机在各种不同转速下曲轴连杆间最小油膜厚度的测量结果，钛合金连杆和钢制连杆在保持油膜厚度相同的条件下，应用钛合金连杆的发动机转速比用钢制连杆的发动机提高700 r/min，由此可使发动机的输出功率大幅度提高。钛合金连杆可显著地降低发动机的噪声，而且有利于环保。

3.6连杆主要尺寸的选择

连杆的主要尺寸主要包括：连杆长度、连杆衬套内径、小头宽度、大头宽度等。

3.61连杆长度：

取决于总体尺寸。原则上尽可能取短值以减小机器总高和增强连杆刚度。短连杆的主要问题是活塞侧向力大和平衡块可能碰到活塞裙部。目前的趋势是采用短连杆，曲柄连杆比（??R/L）在0.27-0.30之间。

根据《内燃机设计手册》知：λ的一般范围在0.27-0.30，可取0.288，根据??R可知，l=118mm。 l3.62连杆小头直径与宽度

在确定活塞小头地宽度时，应使活塞小头与活塞销座之间每侧都留有约

1~2mm的间隙，用来补偿机体、曲轴、活塞和连杆等零件在轴向尺寸上了能出

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现的制造误差和由于热膨胀所引起的轴向相对位置的变化。应该使连杆小头具有足够的承压表面积，以便使连杆小头孔与活塞销之间相互压紧的单位面积压力不超过许用值。

根据《内燃机设计手册》《机械设计手册>和可得到衬套内径d、衬套支撑长度b1及δ小头的基本尺寸，如表3所示。

基本尺寸 衬套内径d 衬套支撑长度b1 σ

3.63 连杆大头

连杆大头尺寸主要取决于曲柄销直径D2、长度L2及连杆轴瓦厚度δ’和连杆螺栓直径dm0。

为使活塞连杆组能从气缸中装拆，要求大头的最大横向尺寸小于气缸直径。 根据《内燃机设计手册》《机械设计手册》知：H1/D1=H2/D1=0.41-0.58，取0.58，即平切口连杆H1和H2=19mm。

在平切口连杆中，用螺栓定位，以防止连杆和连杆盖安装时错位。 3.64 杆身断面

一般为工字形，中央断面的工字形高度比在1.2~1.5之间，多数在1.3左右；断面积与活塞面积之比为3%~5%。 3.65 小头及衬套

目前多采用楔形结构，以尽可能加大承压面积。小头衬套多用含锡青铜，铅青铜表面合金层的钢带卷制而成，壁厚控制在1.5`3.0之间，用过盈配合压入后加工，内表面开T形润滑油槽。

范围 d/D=0.28-0.42 选择值 0.28 1.1 2mm 结论 19mm 20.9mm 2mm b1/d=0.9-0.12 2-4mm 24