汽车内燃机分体式连杆结构三维设计

　　做动力总成结构设计快十二年，经手的连杆方案少说有四十多套，这次的分体式连杆结构，是针对小排量高转速自然吸气机型做的优化版本，先从实际装机场景说，这类连杆主要适配1.2L到1.6L排量的乘用车汽油机，日常工况覆盖市区通勤的低转速大负荷、高速巡航的恒定转速、以及急加速的瞬时高转速区间，最高设计转速能扛到6800rpm，对应的往复惯性力、爆发压力载荷都做了冗余校核。

　　很多刚入行的工程师做连杆设计容易先盯着杆身造型做文章，其实最先要卡的是安装边界，上端小头是穿活塞销的位置，这个模型里的小头孔做了压入衬套的过盈量设计，孔径公差带选的是H6，和活塞销的配合间隙控制在0.008mm到0.015mm之间，小头的外圆宽度要严格匹配活塞销座的内侧间距，不能出现活塞销窜动刮碰缸壁的问题，同时小头端面和活塞销座之间要留0.1mm到0.2mm的轴向间隙，补偿热膨胀带来的尺寸变化。下端大头是分体式的斜切口结构，斜切角度选的是30度，这个角度不是随便定的，要保证连杆能从气缸孔里顺利穿入安装，同时兼顾连杆螺栓的受力方向，避免大端盖在交变载荷下出现错位。大头孔是装曲轴连杆轴颈的，孔内要预留轴瓦的安装厚度，轴瓦过盈量设计在0.04mm到0.06mm之间，保证轴瓦在工作过程中不会跟转，大头的侧向宽度要匹配曲轴曲柄臂的开档尺寸，侧向间隙控制在0.15mm到0.3mm之间，既要保证连杆能随曲轴转动灵活摆动，又不能有过大的轴向窜动带来的冲击。

　　杆身的截面做的是工字形结构，这是兼顾轻量化和结构强度的最优选择，工字形的腹板厚度从大头到小头做了渐变过渡，靠近大头的位置腹板更厚，因为这个位置要承受活塞传递来的爆发压力冲击，靠近小头的位置适当减薄，降低往复运动的质量，减少惯性力对曲轴、活塞销的载荷。杆身的过渡圆角全部做了R3以上的圆弧处理，避免应力集中，之前做过的失效案例里，有三成以上的连杆断裂都是因为过渡圆角太小，交变载荷下出现疲劳裂纹，最后延伸导致断裂。大端盖和杆身的结合面做了定位齿结构，比传统的定位销定位精度更高，能承受更大的横向剪切力，避免大端盖在往复运动中出现错位，导致大头孔失圆，磨坏轴瓦和曲轴轴颈。连杆螺栓的安装孔位置做了沉头设计，螺栓拧紧后头部不会突出大端盖的外圆，避免转动过程中碰击曲轴箱的内部加强筋。

　　从实际使用的功能来说，这个部件是连接活塞和曲轴的核心传动件，把活塞承受的燃气爆发压力传递给曲轴，把活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，整个工作过程中要承受交替变化的拉压载荷、惯性力带来的弯曲载荷，所以材料选型上是匹配40Cr调质钢的力学性能做的结构设计，调质后的硬度控制在HB240到HB280之间，杆身表面做喷丸强化处理，提升疲劳强度。设计过程中先做了运动仿真校核，确认连杆在整个行程里的摆动角度、和缸套、曲轴平衡块的最小间隙都在1mm以上，不会出现运动干涉，之后做了有限元分析，在最大爆发压力12MPa、最高转速6800rpm的工况下，最大应力出现在杆身和大头过渡的位置，应力值是320MPa，远低于材料的屈服强度，安全系数能到1.8以上，满足1000小时全速全负荷台架试验的要求。另外小头的润滑油道做了斜向开孔设计，从大头侧通过曲轴飞溅的润滑油，顺着杆身的油道流到小头衬套位置，给活塞销和衬套的摩擦面提供润滑，避免干磨导致的衬套烧蚀、活塞销抱死的问题。很多人容易忽略连杆的重量分组设计，这个模型的结构预留了去重凸台，在大端盖和小头的侧面都有去重位置，生产过程中可以通过铣削去重，把同一台发动机的四个连杆重量差控制在5g以内，减少发动机运转的振动，提升整机的NVH表现。