连杆（connecting rod）百科#

一、定义与基础功能#

1.1 核心定义#

● 连杆是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（steel connecting rod）。典型应用场景包括往复活塞式发动机（如汽车、船舶发动机）和压缩机，通过连接活塞与曲轴实现运动转换。

1.2 结构特征#

• 主体材质：多为高强度钢件，确保抗疲劳性能。
• 截面形状：主体部分常见圆形或工字形（工字形截面提升抗弯强度）。
• 连接结构：两端设有铰接孔，孔内装配青铜衬套或滚针轴承，通过轴销与活塞、曲轴铰接。

二、工作原理与应力环境#

2.1 核心作用#

连杆是发动机动力传递的核心枢纽：

• 将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，驱动机械输出功率。
• 传递活塞承受的燃气压力和惯性力，确保发动机稳定做功。

2.2 应力状态分析#

连杆工作时承受复合载荷：

• 燃气压力：燃烧室高压燃气对活塞的推力（峰值可达数百千牛）。
• 惯性力：活塞运动产生的纵向（上下）和横向（水平）惯性力，导致连杆受交变拉压应力和弯曲应力。
• 高应力区域：通常集中在连杆杆身与大小头过渡处，易引发疲劳断裂。

三、主要损坏形式与性能要求#

3.1 典型故障#

• 疲劳断裂：因交变应力超过材料疲劳极限，在高应力区域（如大小头过渡圆角）产生裂纹并扩展断裂。
• 过量变形：长期过载或材料强度不足导致整体弯曲变形，影响活塞与曲轴的同轴度，引发异响或动力损耗。

3.2 性能要求#

四、材料与加工工艺#

4.1 传统材料体系#

• 调质钢：45钢、40Cr、40MnB（热处理后硬度HRC28-32，适用于中低负荷工况）。

4.2 先进技术应用#

• 连杆裂解技术（conrod fracture splitting）：通过冷裂工艺，将连杆大小头一次成型，需材料具备高脆性（夏比冲击功Kv≤15J）和高硬度（HRC≥48）。
• 德国DIN标准材料：
  • C70S6：高碳微合金非调质钢（C% 0.65-0.75，Mn≤1.7%），抗拉强度达950MPa，减少热处理工序。
  • SPLITASCO/FRACTIM/S53CV-FS系列锻钢：采用控锻控冷工艺，细化晶粒，提升疲劳寿命20%-30%。

4.3 合金钢应用注意事项#

• 应力集中敏感：合金钢（如42CrMo）强度高但对圆角半径、表面粗糙度敏感，需严格控制过渡圆角R≥2mm，表面加工质量达Ra0.8μm。

五、专家提示#

• 选型适配原则：重载发动机优先选工字形截面+裂解工艺连杆，轻载场景可简化为圆形截面。
• 维护建议：每10万公里拆解检查大小头衬套磨损，重点监测过渡圆角处裂纹倾向。
• 技术趋势：轻量化材料（如碳纤维复合材料连杆）已在超跑发动机试点，减重15%-20%的同时降低惯性力损耗。