發動機連桿的技術演變歷程及發展趨勢

文／史延辰，韓薇，黃麗娟·南宮市精強連桿有限公司，河北省汽車連桿精密制造技術創新中心

隨著社會的發展進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。中國近20 年來發展迅速，汽車保有量也不斷增加，2001 年中國的汽車保有量僅有1100 萬輛，截至2022 年末，全國機動車保有量達3.95 億輛，其中汽車3.021 億輛，20 年間中國的汽車保有量增加了26.5 倍。

連桿作為汽車發動機最關鍵的零部件之一，在發動機運行中需要承擔活塞載荷的急劇變化和慣性力，使得連桿的工作環境變得尤為復雜。隨著我國制造業近30 年的高速發展，目前連桿均已實現國產化生產。本文將介紹發動機連桿的技術演變歷程，同時針對連桿發展趨勢做一下分析。

連桿結構的演變歷程

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，桿和蓋結合面有配合精度及加工精度誤差，連桿二次合把復圓度較差。

脹斷連桿

連桿脹斷技術，也稱連桿裂解技術，是20 世紀90 年代在汽車工業發達國家發展成熟起來的一種連桿制造新工藝，是對傳統連桿加工工藝的重大變革，并成為一個國家發動機連桿制造業發展水平的重要標志。我國在21 世紀初將連桿脹斷技術引進到國內，并進行相應的技術研發及批量生產。連桿脹斷是一種裂斷加工工藝，其加工工序可減少35%以上，生產效率高，由于脹斷后蓋和桿又原配在一起，實現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

調質鋼材料

調質鋼材料多為45、42CrMo、40Cr、35CrMo 等常規材料，其優點是價格低，材料應用廣泛，缺點是連桿毛坯鍛造完成后需要進行熱處理，對環境造成污染，同時生產過程的成本較高。調質鋼材料因其材料特性影響，只適用于平切連桿，故當前應用越來越少。

非調質鋼材料

非調質鋼材料是在中碳鋼的基礎上加上釩、鈦、鈮、硫等微量合金元素，通過調節軋制和鍛造過程中的冷卻速度，在基本的元素中出現碳氮化合物，使材料得到強化。目前連桿材料多為35MnV、C70S6、36MnVS4、46MnVS5 等特殊材料，其優點是減少了毛坯鍛造后的熱處理，無環境污染，生產過程的成本下降；缺點是價格偏高，只能應用在特定行業中。

35MnV 材料是在調質鋼的基礎上進行的改良，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，機械性能一般，抗拉強度≥900MPa，屈服強度≥550MPa。36MnVS4 材料是在C70S6 材料的基礎上進行性能提升，其抗拉強度≥1000MPa，屈服強度≥750MPa，但因碳含量較少，其脹斷性能較差。46MnVS5 是在36MnVS4 基礎上對脹斷性能的提升改良，同樣其抗拉強度≥1000MPa，屈服強度≥750MPa，是目前脹斷連桿的最新材料。

粉末冶金材料

汽車發動機連桿的材料構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家的汽車發動機制造應用極為常見，目前我國主要采用鍛鋼材料，不同的材料在其屬性上各自具備優勢條件，但是在生產制造成本占比上，兩種材料之間的差異性較大。針對毛坯制造，鍛鋼為35%左右，冶金粉末則為60%左右，但是在機械加工方面，鍛鋼為48%左右，冶金粉末則為40%左右。綜合計算成本，當前行業中多采用鍛鋼材料，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)相對于鍛鋼連桿，其重量顯著縮減，所以發動機在做活塞運動階段，連桿的往復慣性力就會大幅減小，企業在進行不同屬性發動機的轉速測試期間，會觀察曲軸上的連桿最小油膜厚度。將測量結果獲悉，能夠發現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動機轉速要高出許多，所以發動機整體傳輸頻率也會提升。經過實踐研究表明，鈦合金連桿還能將發動機運行期間的噪聲問題進行控制。但是現階段面臨的產業發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，且對汽車發動機的零件制造適應能力也較為有限，常見的是在一些高性能的賽車上應用，可以達到功率與質量的高標準性。所以鈦合金連桿材料在自身降重能力以及成本控制方面，要遠遠落后于鍛鋼連桿材料。

圖4 鈦合金連桿

發動機連桿的發展趨勢

現階段汽車發動機連桿材料主要的發展趨勢為采用輕質的金屬基復合型材料，金屬基復合型材料在強度、質量等方面相對于其他連桿材料有著較大的優勢，現階段應重點解決的是金屬基復合型材料連桿生產制造工藝的具體成本問題。

連桿結構性能主要是采用低摩擦的加工技術，例如連桿大小頭孔的高硬度化，采用滾動軸承替代現有的襯套瓦片的滑動軸承方式。連桿孔加工成腰鼓形式，低負荷時線接觸，高負荷時面接觸，降低運行過程中的摩擦力。

結束語

本文從連桿制造工藝、材料、設計方法對當前我國的連桿生產演變進行了敘述。近些年來我國經濟與科技發展水平較快，特別是汽車行業得到了高速發展，基于環境保護生態治理方面的要求，汽車行業的節能減排工作也是推進產業發展的必經之路，針對有關材料的生產設計等相關工作，同時新材料、新技術和成本又存在矛盾和機遇，需要企業加強對總體材料的性能與技術標準控制。針對汽車發動機連桿的正常制作，需要通過合理的材料選用生產工藝，將金屬材料的有關指標全面把控，并結合現代社會的節能環保理念，不斷研發新型的發動機連桿材料以及先進技術。