内燃机传动用分体式连杆结构设计

　　做动力总成结构设计快十二年，经手的连杆方案少说也有四十多套，这次的分体式连杆结构，是针对小排量高转速内燃机做的优化版本，刚拿到需求的时候，主机厂那边提的核心指标很明确：额定转速拉到7200rpm的时候，连杆大头的失圆量要控制在0.02mm以内，小头衬套的比压不能超过45MPa，整体往复质量要比同排量量产件轻8%以上，还要兼容现有生产线的镗孔、珩磨、螺栓拧紧工艺，不能额外增加太多工装投入。

　　一开始做方案的时候，最先卡的是杆身的截面选型，最早试过传统的工字形截面，算下来抗弯刚度是够的，但往复质量比要求的超了12g，后来把杆身和大小头过渡的区域做了变曲率优化，不是常规的等半径圆弧过渡，而是顺着应力流的走向把非受力区的材料一点点抠掉，特别是大头盖和杆身结合的分界面附近，原来的直角加强筋全部改成了内凹的曲面过渡，既避免了应力集中，又把多余的料厚减了下来，最后做有限元校核的时候，最大应力点出现在小头油孔的边缘，数值是327MPa，远低于40Cr调质后的屈服强度，疲劳安全系数能到1.8以上，满足高转速工况的循环载荷要求。

　　安装边界这块是反复核对过的，大头孔的直径是按照对应曲轴的连杆轴颈尺寸配做的，剖分面采用的是平切口结构，没有用斜切口，主要是考虑到平切口的定位精度更好，配合两个高强度连杆螺栓的定位销，拧紧之后的错位量能控制在0.005mm以内，不会出现轴瓦偏磨的问题。小头孔是压入铜基衬套的结构，衬套上开了对应活塞销油孔的集油槽，安装的时候要注意衬套的油孔和杆身的油道完全对正，不然会出现活塞销润滑不足烧蚀的问题。杆身内部钻了贯通的压力油道，从大头的轴瓦油槽直接通到小头衬套，靠曲轴运转时的机油压力实现强制润滑，不用额外在活塞上做喷油冷却结构，能简化活塞的设计。

　　实际应用场景里，这类连杆主要用在1.2L到1.6L的小排量自然吸气或者低增压汽油机上，不管是乘用轿车的动力总成，还是小型通用动力的发电机组、园林机械，只要是采用曲柄连杆机构把活塞往复运动转化为曲轴旋转运动的结构，都能适配。之前做台架试验的时候，我们特意把爆发压力调到了12MPa，连续做了400小时的全速全负荷循环，拆检之后连杆的变形量不到0.01mm，螺栓没有出现松动，轴瓦的磨损量也在允许范围内，比之前的老方案可靠性提升了不少。

　　设计的时候还特意考虑了维修便利性，平切口的结构在售后维修的时候，不用专门的定位工装就能完成拆装，只要按照规定的扭矩和转角拧紧螺栓就行，对维修人员的技术要求更低。外形尺寸上，连杆的中心距是133mm，大头的最大外径是58mm，小头外径是26mm，杆身的最窄处宽度是18mm，安装的时候要确认曲轴箱的连杆运动轨迹槽尺寸足够，不会在曲轴运转的时候出现连杆碰缸体的问题，特别是活塞在上止点和下止点换向的时候，杆身的摆动角度是14.2度，我们已经把运动包络全部算过，和缸体之间的最小间隙有2.3mm，不会出现运动干涉。

　　很多刚入行的工程师做连杆设计的时候，容易一味追求轻量化，把杆身的壁厚减得太薄，结果做台架的时候出现杆身弯曲的问题，其实轻量化的前提是刚度足够，特别是高转速工况下，连杆的纵向弯曲刚度和横向抗扭刚度不够的话，很容易出现活塞偏磨、轴瓦烧蚀的故障。这次的设计里，我们在大小头和杆身的过渡区留了足够的刚度余量，杆身的截面模量比同质量的传统工字形截面高了11%，既满足了轻量化要求，又保证了刚度。另外螺栓的选型也很关键，我们用的是12.9级的滚压螺纹螺栓，螺纹的收尾处做了退刀槽优化，避免应力集中，拧紧的时候采用塑性区拧紧法，比传统的扭矩拧紧法的轴向力离散度小很多，能保证长期运转不松动。

　　还有个容易被忽略的细节是连杆的重量分组，生产的时候会按照大小头的重量差分成四个组别，同一台发动机上装的四个连杆重量差不能超过4g，不然运转的时候会出现二阶振动过大的问题，影响整机的NVH表现。我们在设计的时候就把重量分组的标记位置留在了大头盖的侧面，方便生产和售后的时候识别，不会装混。油道的进出口处都做了倒角处理，避免机油流动的时候出现节流，保证润滑的机油流量足够，特别是高转速的时候，小头衬套的润滑是最容易出问题的地方，油道的通径我们反复调整了三次，最后定在3.5mm，既能保证机油流量，又不会过多削弱杆身的强度。