第期總第期年月車用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算柴油機(jī)連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)屠丹紅,姜樹李,魚春燕江蘇大學(xué)汽車學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江摘要對(duì)柴油機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維非線性有限元分析計(jì)算,找出其薄弱部位并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),通過改進(jìn)前后模型的計(jì)算結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后模型既增強(qiáng)了薄弱部位的強(qiáng)度和剛度,又保證了往復(fù)質(zhì)量增加不大。在模型分析中涉及到接觸和疲勞問題。關(guān)鍵詞有限元分析連桿疲勞強(qiáng)度應(yīng)力分析中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)一一一連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一,其工作的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。本文針對(duì)增壓柴油機(jī)連桿,通過有限元分析進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),提高了原連桿幾處最薄弱截面處的安全系數(shù)。原機(jī)連桿模型原機(jī)連桿模型是用于非增壓機(jī)型的,增壓中冷以后,最高燃燒壓力提高了,原連桿已不能正常工作,在連桿大頭與桿身連接部位發(fā)生斷裂。為了全面了解連桿斷裂的原因,對(duì)原連桿進(jìn)行有限元分析。為了提高計(jì)算模型的精度,對(duì)連桿體和連桿蓋未做任何簡化。計(jì)算模型包括連桿體、連桿蓋、連桿螺栓、螺母、小頭襯套、大頭軸瓦、活塞銷和曲柄銷見圖。因?yàn)檫B桿組件為對(duì)稱結(jié)構(gòu),所以只取一半進(jìn)行分析。該模型采用高階面體單元節(jié)點(diǎn),為提高網(wǎng)格質(zhì)量,用軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分用面一面接觸單元。和模擬連桿與連桿蓋、軸瓦與曲柄銷、襯套與活塞銷之間的接觸用單元模擬連桿螺栓的預(yù)緊力。為加速非線性計(jì)算的收斂速度,模型中軸瓦和小頭襯套與連桿大小頭孔之間的關(guān)系采用節(jié)點(diǎn)禍合的方式來模擬,并采用溫差來模擬過盈量。整個(gè)模型單元數(shù)約為,節(jié)點(diǎn)數(shù)左右。力的邊界條件取標(biāo)定工況,某缸爆發(fā)時(shí)連桿承受最大壓縮力,吸氣行程開始時(shí)承受最大拉應(yīng)力。其中包括慣性力、螺栓預(yù)緊力、軸瓦、襯套過盈力。圖原連桿有限元模型位移邊界條件在模型的對(duì)稱剖分面上施加對(duì)稱約束,為防止模型的剛性位移,在曲柄銷中心節(jié)點(diǎn)上加全約束。用等效應(yīng)力評(píng)估疲勞強(qiáng)度,一巖丫一,一一,式中應(yīng)力為有效應(yīng)力,。,。,。為主應(yīng)力,平均有效和有效應(yīng)力幅氏。為一巖一一巖一,式中,偽,山,氏分別為主應(yīng)力的平均應(yīng)力氏。,內(nèi)。,。為主應(yīng)力的應(yīng)力幅。再用修正關(guān)收稿日期一一修回日期一一作者簡介屠丹紅一,女,浙江省玉環(huán)縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)連桿的有限元分析年月屠丹紅,等柴油機(jī)連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)系計(jì)算安全系數(shù)。經(jīng)過軟件后處理,得到連桿小頭、連桿大頭與連桿蓋的安全系數(shù)云圖見圖和圖。由圖可見,連桿小頭下部最小安全系數(shù)較小,最小只有在平面連桿小頭與連桿桿身的圓弧連接處安全系數(shù)也很低小于,因?yàn)閺倪B桿小頭到桿身的過渡圓弧半徑較小,使小頭固定角較大,為,因此此處的強(qiáng)度和剛度均很低,造成應(yīng)力突變,容易引起疲勞破壞另外在小頭油孔處也有應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖可見,連桿螺母支承平臺(tái)和連桿螺栓頭部支承平臺(tái)處安全系數(shù)偏小,此處是連桿和連桿蓋的最薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)力集中嚴(yán)重,其安全系數(shù)分別為和。在工作時(shí),連桿螺母支承平臺(tái)根部易出現(xiàn)疲勞裂紋而導(dǎo)致連桿大頭斷裂。改進(jìn)的連桿模型可以看出,原連桿的剛度和強(qiáng)度明顯不足但若增加連桿的質(zhì)量,則往復(fù)慣性力增大,對(duì)整機(jī)的振動(dòng)很不利。因此采用小彎矩連桿機(jī)構(gòu),并對(duì)連桿小頭、活塞銷和活塞銷座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。優(yōu)化結(jié)果是,當(dāng)削頭角度為,活塞銷內(nèi)徑為,銷座外徑為時(shí),小頭油孔處最低安全系數(shù)為,往復(fù)質(zhì)量達(dá)最小。由于原連桿小頭油孔的不對(duì)稱分布造成連桿小頭應(yīng)力和安全系數(shù)的不對(duì)稱分布,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使連桿桿身發(fā)生彎曲變形,這對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的高速旋轉(zhuǎn)極其不利,從結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)來講也不合理。所以在連桿小頭開兩個(gè)對(duì)稱油孔,每個(gè)油孔截面積為原來單側(cè)油孔的,也能起到預(yù)期的冷卻小頭的作用。兩種油孔的網(wǎng)格分布圖如圖所示。圖網(wǎng)種佃寸網(wǎng)裕分布為了提高連桿小頭與桿身過渡區(qū)的強(qiáng)度,改變圓弧的連接形式,將小頭固定角減小到“,加強(qiáng)了車用發(fā)動(dòng)機(jī)年第期連桿小頭與桿身的過渡區(qū)。連桿小頭孔是一薄壁套桶結(jié)構(gòu),兩端面的最小壁厚只有,在增壓工況下連桿小頭孔下端剛度明顯不足,產(chǎn)生較大的變形,形成局部高應(yīng)力區(qū)另外連桿小頭孔下端剛度不足會(huì)造成活塞銷的撓度增加,這對(duì)活塞銷座極其不利因?yàn)榛钊牧蠟?其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于材料為的活塞銷,所以有必要加強(qiáng)連桿小頭孔下端的剛度。為了不過多增大連桿小頭的質(zhì)量,在小頭孔下端加一個(gè)半圓凸臺(tái),以提高下端剛度。由臺(tái)架試驗(yàn)和計(jì)算分析可知,連桿大頭與桿身的圓弧連接處容易發(fā)生疲勞斷裂,所以在連桿大頭和連桿蓋螺栓、螺母支撐面處加四個(gè)半圓搭子,增大危險(xiǎn)截面處的局部剛度。連桿桿身也是薄弱區(qū)域,桿身的失穩(wěn)變形使活塞連桿機(jī)構(gòu)不能正常工作但在結(jié)構(gòu)上桿身不宜增大,否則會(huì)與氣缸套發(fā)生干涉。所以在此次改進(jìn)設(shè)計(jì)中桿身截面不變,在桿身下部加一根水平加強(qiáng)筋,提高桿身的結(jié)構(gòu)剛度。改進(jìn)前后的連桿模型如圖所示。其他零件活塞、活塞銷、小頭襯套不做任何改變。改進(jìn)后的模型與原連桿相比,往復(fù)質(zhì)量增加了。,增量約為原來往復(fù)質(zhì)量的連桿組件的總質(zhì)量為,增加了寫。模型的處理、計(jì)算單元的性質(zhì)、網(wǎng)格的劃分、工況計(jì)算、力的邊界條件都與前面的計(jì)算相同。為加決計(jì)算速度,仍取模型,在對(duì)稱面上加對(duì)稱約束,在曲軸銷加全約束。計(jì)算結(jié)果比較改進(jìn)前,整個(gè)連桿的最小安全系數(shù)出現(xiàn)在小頭孔底部,約為。見圖。在改進(jìn)后模型中,最小安全系數(shù)也出現(xiàn)在該部位,約為見圖,比原模型提高了。圖改進(jìn)后模型的安全系數(shù)單側(cè)油孔優(yōu)化模型中的最低安全系數(shù)為,而改為對(duì)稱油孔后,油孔的最小安全系數(shù)為見圖,安全系數(shù)提高了。從圖可以看出,原連桿小頭與桿身的圓弧連接處安全系數(shù)偏低約為改進(jìn)后小頭孔下方增加了一個(gè)剛性凸臺(tái),該處的剛度大大增加了,安全系數(shù)也大幅度提高了,約為。桿身中間部位的安全系數(shù)仍較小,約為,與原模型差不多,這是由于桿身截面沒有進(jìn)行任何改動(dòng)。大頭與桿身的圓弧連接處的最小安全系數(shù)為接近對(duì)稱面年月屠丹紅,等柴油機(jī)連桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)處,其余都大于,可看出在桿身加水平加強(qiáng)筋可以增加連桿大頭與桿身連接部位的安全系數(shù),解決了連桿大頭的疲勞斷裂的問題。從圖和圖可以看出改進(jìn)前后模型的平均有效應(yīng)力的變化。原模型中最大平均有效應(yīng)力為,而改進(jìn)后的最大平均有效應(yīng)力下降到改進(jìn)后整個(gè)連桿小頭的平均有效應(yīng)力呈對(duì)稱分布,更接近連桿的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)油孔處的平均有效應(yīng)力從原來的下降到大頭部分的平均有效應(yīng)力很小,無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖改進(jìn)后模型的平均有效應(yīng)力云結(jié)論改進(jìn)后連桿的往復(fù)質(zhì)量增加了,整個(gè)連桿組件質(zhì)量由增加到,約增加油孔處的安全系數(shù)提高了最小安全系數(shù)提高了在增壓機(jī)型中,小頭應(yīng)采用剛性設(shè)計(jì),增加小頭孔下方的凸臺(tái)以提高小頭剛度是可行的在桿身下部加了水平加強(qiáng)筋后,連桿大頭與桿身連接處的最小安全系數(shù)明顯提高,為,而其他部位都大于,改善了此處的受力情況,可以解決連桿大頭的疲勞斷裂的問題連桿小頭的支撐剛度提高后,連桿小頭和活塞銷在最高燃燒壓力作用下的彎曲變形量減小,可以改善活塞銷座圓角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象,提高活塞銷座的可靠性在連桿大頭和連桿蓋螺栓