2.3 曲柄连杆机构

2.3.1 设计策略与原则

曲柄连杆机构主要由活塞组、连杆组和曲轴等零部件组成，是发动机的主要运动机构，其功能是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，将活塞受到的气体作用力转化为曲轴上的转矩，以驱动车轮转动。

活塞组的功能是与缸盖构成燃烧室，并与活塞环一起形成密封，工作中将热量通过活塞环向气缸壁传递，并将缸内气体压力传递给连杆。连杆组的功能是将作用在移动活塞上的气体力及往复惯性力传递到旋转的曲轴轴颈上。曲轴在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩作用下工作，造成曲轴扭转且弯曲，产生疲劳应力状态。

从曲柄连杆机构的组成和基本功能出发，曲柄连杆机构设计必须遵循以下原则。

1）活塞、连杆要有足够的结构强度与刚度。连杆大小头孔的形状稳定性，保证了其变形不会损害润滑油膜的形成，同时保证了连杆杆部的纵向抗弯强度；连杆螺栓的连接性能，保证了连杆体与连杆盖的足够强度。活塞需要有足够的结构强度，以保证其有足够的安全性，防止出现断裂、裂纹等。

2）曲轴要具有足够的疲劳强度，尽量减小应力集中现象，克服薄弱环节，保证曲轴可靠工作。曲轴由于弯曲与扭转振动产生附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化大，产生严重的应力集中，设计中必须考虑加以避免。

3）应保证曲轴有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度。曲轴扭转刚度不足使其在工作转速范围内可能产生强烈的扭转振动，大大恶化活塞、连杆的工作条件，影响其工作可靠性和耐磨性。

4）曲轴、活塞、连杆的轻量化。质量的增加，会加大往复与转动惯量，影响整机性能；活塞的轻量化受限于允许的工作温度，应选用密度小，热膨胀系数小，导热性好，具有良好减磨性、工艺性的材料。

5）降低摩擦损失。保证轴颈位置有适当的承压面积，各滑动面上有足够的润滑油，使各摩擦表面耐磨，以减少轴承、活塞、连杆组的摩擦损失。

6）活塞组良好的密封性能，合适的机油消耗。保证燃烧室气密性好，减少整机工作时的窜气，并减少曲轴箱内的润滑油上窜至燃烧室消耗。

7）活塞组良好的散热性能。减少活塞从燃气吸收的热量，并将已吸收的热量顺利散走。

现代缸内直喷汽油机为了降低油耗和排放，发动机的热负荷、机械负荷明显提高。为了更好地支撑发动机提升性能、降低油耗的目标，根据曲柄连杆机构的运动学和受力分析，曲柄连杆机构的设计目标（需求和设计策略）见表2-1。

在开发现代高效率、大功率发动机时，曲柄连杆机构的设计重点应保证机构的可靠性和低摩擦需求，以达成提升动力性和降低油耗、排放的目标。

2.3.2 基于属性需求的设计

1.基于低摩擦的设计——活塞环、活塞、轴瓦的涂层技术

如图2-26所示，一台气缸工作容积为1.5L的四冲程汽油机在4000r/min时的各项摩擦损失的比例为：活塞占20%，活塞环占23%，主轴承和连杆轴承占24%，传动辅助设备及气门机构占33%。

可以清楚地看到，曲柄连杆机构的摩擦损失在发动机总的机械摩擦损失中所占的比例高达67%，因此，为提高发动机热效率，降低曲柄连杆机构的摩擦损失至关重要。

目前，常用且有效降低曲柄连杆机构摩擦损失的方案有降低活塞环弹力、优化摩擦副的接触面积以及对摩擦副进行减摩处理。

图2-27所示为某发动机采用低张力活塞环组与原机（较大张力）活塞环组的摩擦分解试验对比，其弹力由30N降低至19N，从摩擦分解试验可以看到，弹力降低后摩擦损失有明显降低。

另一种降低活塞环摩擦损失的方案是在活塞环外圆面镀上新型的减摩涂层，如类金刚石碳（DLC）涂层特别适用于与其他零件处于固体接触状态的构件。DLC涂层的突出性能来自其表面由热应力和机械诱发产生的涂层转换区，该区域具有比涂层更小的剪切强度，能起到自润滑减摩的作用。

传统DLC涂层在用于活塞环时受到以下特点的限制：

1）若涂覆仅几μm厚的涂层时，会限制使用寿命，而若涂覆较厚时，则会因为其典型的内应力而存在剥离的风险。

2）使用硬度较高的DLC涂层时，活塞环工作表面必须非常光滑，以便获得最佳的摩擦条件，避免损坏气缸套。

Federal-Mogul公司开发了名为“DuroGlide”的新型活塞环涂层，该涂层具有高耐久性和显著降低摩擦功率的特点。图2-28展示了这种新型无氢碳基活塞环涂层的均质结构。因碳具有高的sp3结合份额（四面体结构），所以能够析出硬度高达5000HV_0.2的涂层。与迄今为止的无氢DLC涂层不同，其已降低了工艺过程中涂层的内应力，使得即使在涂层厚度高达25μm的情况下，在铸铁和钢表面上仍有良好的接合牢度，而高达500°C的耐高温性能使得其能用于强化程度更高的机型。此外，接近终端轮廓形状的涂层和适宜的磨光制作工艺，确保活塞环工作表面具有较小的粗糙度。

图2-29展示了目前汽油机和柴油机使用的活塞环涂层摩擦系数对比，这种摩擦系数是在机外检验条件下测得的，在使用无添加剂机油的情况下，呈现出极高的混合摩擦份额。与铬陶瓷涂层（CKS）和Goetze金刚石涂层（GDC）等铬类涂层，以及CrN等物理气相沉积（PVD）工艺相比，DuroGlide涂层能使摩擦系数降低约60%。

在高度强化的增压直喷汽油机中，爆发压力进一步提高（目前≥12MPa），因而活塞所受的侧向力也更大，会对活塞摩擦功率损失产生不利影响，在这种发展趋势下，汽油机已处于接近柴油机的苛刻运行条件。为适应如此苛刻的条件，各主流活塞厂家都推出了新一代的裙部减摩涂层，如Federal-Mogul公司的EcoTough（图2-30）新型涂层，与标准裙部涂层相比，这种新型裙部涂层能使活塞裙部磨损最多减小40%，在极端工况下具有更高的耐久性。同时，还能为发动机减低活塞部位约15%的摩擦功率损耗。

轴瓦的表面涂层技术是轴承减摩关键技术之一（图2-31），通过在轴瓦的合金层表面喷涂一层或多层不同材料的薄膜来达到强化表面的目的。涂层中添加了一定比例的固体润滑剂和硬质颗粒物，可以达到降低轴瓦表面摩擦系数、改善润滑、增加轴瓦承载能力和耐磨性的目的。

相对于铝基轴瓦，涂层轴瓦可以降低摩擦损失约25%，耐磨性提高12%左右，如图2-32所示。

2.基于可靠性需求的设计

（1）内冷油道和耐磨镶圈活塞技术 汽油机的寿命主要与曲柄连杆机构的工作情况有关，其可靠性是支撑所有节能措施有效实施的基础。这里既包含了曲柄连杆机构本身结构上的可靠性，也包含了各项降摩擦技术的可靠性。

随着高速强化汽油机的热负荷与机械负荷的不断增加，曲柄连杆机构的工作条件已经趋近于柴油机。因此汽油机在活塞设计上已经开始借鉴并使用更高压缩比的柴油机技术方案，如用耐磨镶圈来提高环岸的强度和耐磨性，在采用传统的PCJ冷却不能满足热负荷的控制要求时，设计使用内冷油道来降低活塞头部温度（图2-33），甚至同时使用耐磨镶圈加上内冷油道的方案（图2-34）。

耐磨镶圈与内冷油道推荐使用情况：

1）一环槽温度≥270°C时推荐使用耐磨镶圈。

2）发动机峰值爆压超过12MPa时推荐使用耐磨镶圈。

3）发动机超爆压力超过活塞一次性承受最大压力时推荐使用耐磨镶圈。

4）需进一步降低活塞表面温度，有为发动机进一步降低油耗的需求时，推荐使用内冷油道。

（2）曲轴材料选择和圆角滚压强化工艺 曲轴结构相对成熟，经过多年的发展已不会有太多变化。其可靠性设计在追求轻量化的同时，重点从材料和工艺强化入手，辅以CAE分析方法，可以大大缩短可靠性验证时间。借助系统化的CAE分析与评价体系，在曲轴设计时可以达到强度、可靠性、扭振、摩擦及轻量化的最佳匹配。

曲轴材料设计在满足性能（强度、刚度、韧性等）的前提下，尽可能选择工艺性能好的材料，如49MnVS3、S45CVS、38MnSiVS6等非调质钢，利用微量合金元素在中碳钢中产生强化作用，不需要调质处理即可获得良好的综合力学性能，以满足发动机可靠性要求。非调质钢材料力学性能见表2-2。

由于曲轴最主要的疲劳破坏发生在圆角处，因此曲轴强化以圆角处局部强化为主。圆角滚压强化机理为材料在滚轮的高接触作用下发生强烈的塑性变形，在圆角表面形成了数值很高、层深可以达到数毫米的残余压应力，靠近表层材料的形变使得曲轴的疲劳强度发生了强化。曲轴滚压的滚压力和滚压圈数关系如图2-35所示。

曲轴滚压的滚压力和滚压角度如图2-36所示。

在发动机强化设计中，在原机曲轴的主要尺寸不能改变的前提下，需要采用圆角淬火+滚压的强化方式，其疲劳强度可以提高20%左右。图2-37为不同材料曲轴采用不同强化工艺与疲劳强度的关系，从中可以看出，球铁及锻钢曲轴采用圆角滚压工艺的强化效果最好。