汽车发动机连杆失效分析
学院机电工程学院
作者 XXX
学号 XXXXXXXX 专业班级 XXXXXXXX
小组成员 XXXXXXXXXXXXXX 指导教师 XXXXXX
2013年12月
目录
引言 (3)
一．基本知识 (4)
1. 连杆的结构 (4)
2. 制造工艺 (5)
3. 钢锻连杆使用材料 (5)
4. 连杆受力分析及有限元法 (6)
二．断口理化检验 (8)
1. 材料化学成分 (8)
2. 断口外观质量和失效形貌 (8)
3. 微观断口夹杂物检测分析 (9)
4. 断口金相组织 (9)
5. 断裂位置 (10)
三．失效原因（断裂原因） (10)
1. 失效原因总结 (10)
2. 连杆疲劳强度研究 (11)
3. 连杆疲劳寿命预测 (14)
四．总结 (15)
1. 影响疲劳强度的主要因素 (15)
2. 对连杆生产的建议 (16)
五．参考文献 (17)
引言
连杆是车用发动机的重要部件，从对车用发动机的失效历史数据来看，连杆的失效概率非常高，而且其失效模式与失效原因具有多态性，其本身结构的复杂性、制造工艺、热处理工艺、工况的恶劣程度、使用频率以及设备维护、维修等因素均可造成失效。
连杆的作用是将活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动，并把活塞上的力传给曲轴。连杆小端做往复运动，大端做旋转运动，杆身做复杂的平面运动，它承受活塞传来的气体压力，往复运动惯性力及本身摇摆所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化，易引起连杆失效。据统计，连杆的主要破坏形式是疲劳破坏。
摘要：连杆的主要破坏形式是疲劳破坏。本文主要对钢锻连杆进行分析，并从连杆结构、制造工艺、受力分析、所选材料以及断口组织结构等方面对失效原因和疲劳破坏进行分析总结。
关键词：汽车、发动机、钢锻连杆、失效分析、疲劳
连杆作为传递力的主要部件广泛地应用于各类动力机车上，是各类柴油机或
汽油机的重要部件。发动机连杆的作用是将活塞的直线往复运动转化为曲轴的旋转运动，实现发动机由化学能转变为机械能的输出。发动机连杆连接活塞和曲轴，将活塞承受气体作用力传给曲轴，使曲轴旋转对外输出动力，工作时承受很高的周期性冲击压力、弯曲力和惯性力，这就要求连杆应具有高的强度、韧性和疲劳性能，连杆体的几何结构有良好的结构刚度。同时也因连杆是发动机重要的运动部件，而高速运动产生的惯性力又要求结构轻巧，所以要求连杆在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度、强度和质量精度。［1］
一．基本知识
1. 连杆的结构
连杆（connecting rod）连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。
连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。
连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。杆身通常做成“工”或“H”形断面，以求在满足强度和刚度要求的前提下减少质量。
连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。一般做成分开式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓连接为一体。
连杆轴瓦：安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装和在一起，是发动机中最重要的配合副之一。
2. 制造工艺
钢制连杆都用模锻制造毛坯。它的锻造工艺有两种方案, 将连杆体和盖分开锻造, 连杆体和盖整体锻造。钢锻连杆的一般制造工艺如下：
原材料→断料→锻造坯料→精模锻→调质处理→喷丸→硬度及表面检查→矫正→精压→探伤→精加工→成品。［2］
按照连杆体和盖的剖分方法，目前连杆制造工艺主要分为2种：（1）传统连杆制造工艺。体、盖为整体锻造结构，经过粗加工后，采用锯断法将体、盖分离，精加工结合面后再组装进行其它精加工；（2）连杆裂解工艺。与传统工艺的区别体现在断裂面呈现犬牙交错的自然断裂表面，由此使其具有加工工序少、节省精加工设备、节材节能、生产成本低等优势。此外，裂解工艺还可使连杆承载能力、抗剪能力、杆和盖的定位精度及装配质量大幅度。
传统连杆的大批量生产较多采用专用机床，工序较多。加工过程中基准需经过多次转换，精度不易保证，适应性较差。现在连杆制造工艺，采用数控加工中心完成机加工，工序集中，基准统一，而且可以随产量的增长而灵活调整，是一种既经济、适应性又强的先进生产方式。
3. 钢锻连杆使用材料
①碳素钢和合金钢
国内一般中、小型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料是碳素调质钢和合金调质钢，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。
碳素钢中碳的质量分数为：0.40%～0.55% ；合金钢主要添加的合金元素是铬、锰、钼、硼等，可单独添加或复合添加。［3］碳素钢连杆的调质硬度一般在229~269HBS，合金钢连杆的调质硬度可达到300HBS，但最高不超过330HBS，这主要是考虑后续的机械加工。调质连杆具有足够的强度和塑性，一般碳素钢抗拉强度可达到800 MPa以上，冲击韧度在60 J/cm²以上；合金钢调质钢抗拉强度可达到900 MPa以上，冲击韧度在80J/cm²以上，可满足连杆的可靠性要求。调质钢连杆的制造工序是，棒料经过剪切，热锻成形，调质处理，强力喷丸、机械加工，装配和检测。
②非调质钢
非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加钒、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。非调质钢省略了锻后的热处理，从而节省了能源，减少了生产工序，降低了成本。另外，由于省略了调质工序，避免了零件在热处理工序中产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题，对提高产品质量有一定的好处。非调质钢按其强韧可以分4类（如表1）其中基本型和高强度型适用于发动机连杆。
③粉末烧结
粉末烧结锻造工艺在20世纪60年代就已出现。当时，美国、日本及欧洲的一些国家均进行了大量的试验研究工作。由于当时金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。随着金属粉末、合金粉末的开发及相关工业的发展，粉末烧结锻造工艺也相应的得到发展，并且逐渐的应用到汽车结构件的制造之中。
4. 连杆受力分析及有限元法
对连杆高速运动中的受力状况进行理论分析，需结合有限元软件ANSYS对活塞连杆进行三维准静态有限元分析研究，计算模型与实际结构、工作状况相符；
