发动机连杆的技术演变历程及发展趋势

随着社会的发展进步和生活水平的提升，汽车逐步走入基层老百姓的生活中，成为其重要的交通工具。中国近20 年来发展迅速，汽车保有量也不断增加，2001 年中国的汽车保有量仅有1100 万辆，截至2022 年末，全国机动车保有量达3.95 亿辆，其中汽车3.021 亿辆，20 年间中国的汽车保有量增加了26.5 倍。

连杆作为汽车发动机最关键的零部件之一，在发动机运行中需要承担活塞载荷的急剧变化和惯性力，使得连杆的工作环境变得尤为复杂。随着我国制造业近30 年的高速发展，目前连杆均已实现国产化生产。本文将介绍发动机连杆的技术演变历程，同时针对连杆发展趋势做一下分析。

连杆结构的演变历程

平切连杆

平切连杆(图1)是连杆最早的制造形式，连杆的杆和盖接合面为切口精加工，定位方式有销钉定位、套筒定位、齿形定位和凸肩定位。连杆的杆和盖结合面需要多次加工，且连杆的螺栓过孔及螺纹需要分开加工。此种连杆形式加工工序繁多，杆和盖结合面有配合精度及加工精度误差，连杆二次合把复圆度较差。

图1 平切连杆

胀断连杆

连杆胀断技术，也称连杆裂解技术，是20 世纪90 年代在汽车工业发达国家发展成熟起来的一种连杆制造新工艺，是对传统连杆加工工艺的重大变革，并成为一个国家发动机连杆制造业发展水平的重要标志。我国在21 世纪初将连杆胀断技术引进到国内，并进行相应的技术研发及批量生产。连杆胀断是一种裂断加工工艺，其加工工序可减少35%以上，生产效率高，由于胀断后盖和杆又原配在一起，实现了杆和盖的无缝连接，其二次合把精度极大提升，胀断连杆见图2。

图2 胀断连杆

连杆材料的演变历程

调质钢材料

调质钢材料多为45、42CrMo、40Cr、35CrMo 等常规材料，其优点是价格低，材料应用广泛，缺点是连杆毛坯锻造完成后需要进行热处理，对环境造成污染，同时生产过程的成本较高。调质钢材料因其材料特性影响，只适用于平切连杆，故当前应用越来越少。

非调质钢材料

非调质钢材料是在中碳钢的基础上加上钒、钛、铌、硫等微量合金元素，通过调节轧制和锻造过程中的冷却速度，在基本的元素中出现碳氮化合物，使材料得到强化。目前连杆材料多为35MnV、C70S6、36MnVS4、46MnVS5 等特殊材料，其优点是减少了毛坯锻造后的热处理，无环境污染，生产过程的成本下降；缺点是价格偏高，只能应用在特定行业中。

35MnV 材料是在调质钢的基础上进行的改良，其冲击韧性较大，不适合作为胀断材料使用。C70S6材料是胀断连杆最初的研究成果，其胀断性能良好，机械性能一般，抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥550MPa。36MnVS4 材料是在C70S6 材料的基础上进行性能提升，其抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥750MPa，但因碳含量较少，其胀断性能较差。46MnVS5 是在36MnVS4 基础上对胀断性能的提升改良，同样其抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥750MPa，是目前胀断连杆的最新材料。

粉末冶金材料

汽车发动机连杆的材料构成基本上可以被分为粉末冶金(图3)和锻钢两种类型。粉末冶金材料在北美国家的汽车发动机制造应用极为常见，目前我国主要采用锻钢材料，不同的材料在其属性上各自具备优势条件，但是在生产制造成本占比上，两种材料之间的差异性较大。针对毛坯制造，锻钢为35%左右，冶金粉末则为60%左右，但是在机械加工方面，锻钢为48%左右，冶金粉末则为40%左右。综合计算成本，当前行业中多采用锻钢材料，粉末冶金材料还有待于后期的成本研究。

图3 粉末冶金材料连杆

钛合金材料

钛合金连杆(图4)相对于锻钢连杆，其重量显著缩减，所以发动机在做活塞运动阶段，连杆的往复惯性力就会大幅减小，企业在进行不同属性发动机的转速测试期间，会观察曲轴上的连杆最小油膜厚度。将测量结果获悉，能够发现钛合金连杆以及钢制连杆在油膜厚度基本相同的条件下，钛合金连杆显然要比锻钢材料的连杆发动机转速要高出许多，所以发动机整体传输频率也会提升。经过实践研究表明，钛合金连杆还能将发动机运行期间的噪声问题进行控制。但是现阶段面临的产业发展主要问题是钛合金的成本相较于一般的金属材料投入过大，且对汽车发动机的零件制造适应能力也较为有限，常见的是在一些高性能的赛车上应用，可以达到功率与质量的高标准性。所以钛合金连杆材料在自身降重能力以及成本控制方面，要远远落后于锻钢连杆材料。

图4 钛合金连杆

发动机连杆的发展趋势

现阶段汽车发动机连杆材料主要的发展趋势为采用轻质的金属基复合型材料，金属基复合型材料在强度、质量等方面相对于其他连杆材料有着较大的优势，现阶段应重点解决的是金属基复合型材料连杆生产制造工艺的具体成本问题。

连杆结构性能主要是采用低摩擦的加工技术，例如连杆大小头孔的高硬度化，采用滚动轴承替代现有的衬套瓦片的滑动轴承方式。连杆孔加工成腰鼓形式，低负荷时线接触，高负荷时面接触，降低运行过程中的摩擦力。

本文从连杆制造工艺、材料、设计方法对当前我国的连杆生产演变进行了叙述。近些年来我国经济与科技发展水平较快，特别是汽车行业得到了高速发展，基于环境保护生态治理方面的要求，汽车行业的节能减排工作也是推进产业发展的必经之路，针对有关材料的生产设计等相关工作，同时新材料、新技术和成本又存在矛盾和机遇，需要企业加强对总体材料的性能与技术标准控制。针对汽车发动机连杆的正常制作，需要通过合理的材料选用生产工艺，将金属材料的有关指标全面把控，并结合现代社会的节能环保理念，不断研发新型的发动机连杆材料以及先进技术。